Use of solvents and environmental friendly materials for applications in Green Chemistry

The present Thesis studies three alternative solvent groups as sustainable replacement of traditional organic solvents. Some aspects of fluorinated solvents, supercritical fluids and ionic liquids, have been analysed with a critical approach and their effective “greenness” has been evaluated from the points of view of the synthesis, the properties and the applications. In particular, the attention has been put on the environmental and human health issues, evaluating the eco-toxicity, the toxicity and the persistence, to underline that applicability and sustainability are subjects with equal importance. The “green” features of fluorous solvents and supercritical fluids are almost well-established; in particular supercritical carbon dioxide (scCO2) is probably the “greenest” solvent among the alternative solvent systems developed in the last years, enabling to combine numerous advantages both from the point of view of industrial/technological applications and eco-compatibility. In the Thesis the analysis of these two classes of alternative solvents has been mainly focused on their applicability, rather than the evaluation of their environmental impact. Specifically they have been evaluated as alternative media for non-aqueous biocatalysis. For this purpose, the hydrophobic ion pairing (HIP), which allows solubilising enzymes in apolar solvents by an ion pairing between the protein and a surfactant, has been investigated as effective enzymatic derivatisation technique to improve the catalytic activity under homogeneous conditions in non conventional media. The results showed that the complex enzyme-surfactant was much more active both in fluorous solvents and in supercritical carbon dioxide than the native form of the enzyme. Ionic liquids, especially imidazolium salts, have been proposed some years ago as “fully green” alternative solvents; however this epithet does not take into account several “brown” aspects such as their synthesis from petro-chemical starting materials, their considerable eco-toxicity, toxicity and resistance to biodegradation, and the difficulty of clearly outline applications in which ionic liquids are really more advantageous than traditional solvents. For all of these reasons in this Thesis a critical analysis of ionic liquids has been focused on three main topics: i) alternative synthesis by introducing structural moieties which could reduce the toxicity of the most known liquid salts, and by using starting materials from renewable resources; ii) on the evaluation of their environmental impact through eco-toxicological tests (Daphnia magna and Vibrio fischeri acute toxicity tests, and algal growth inhibition), toxicity tests (MTT test, AChE inhibition and LDH release tests) and fate and rate of aerobic biodegradation in soil and water; iii) and on the demonstration of their effectiveness as reaction media in organo-catalysis and as extractive solvents in the recovery of vegetable oil from terrestrial and aquatic biomass. The results about eco-toxicity tests with Daphnia magna, Vibrio fischeri and algae, and toxicity assay using cultured cell lines, clearly indicate that the difference in toxicity between alkyl and oxygenated cations relies in differences of polarity, according to the general trend of decreasing toxicity by decreasing the lipophilicity. Independently by the biological approach in fact, all the results are in agreement, showing a lower toxicity for compounds with oxygenated lateral chains than for those having purely alkyl lateral chains. These findings indicate that an appropriate choice of cation and anion structures is important not only to design the IL with improved and suitable chemico-physical properties but also to obtain safer and eco-friendly ILs. Moreover there is a clear indication that the composition of the abiotic environment has to be taken into account when the toxicity of ILs in various biological test systems is analysed, because, for example, the data reported in the Thesis indicate a significant influence of salinity variations on algal toxicity. Aerobic biodegradation of four imidazolium ionic liquids, two alkylated and two oxygenated, in soil was evaluated for the first time. Alkyl ionic liquids were shown to be biodegradable over the 6 months test period, and in contrast no significant mineralisation was observed with oxygenated derivatives. A different result was observed in the aerobic biodegradation of alkylated and oxygenated pyridinium ionic liquids in water because all the ionic liquids were almost completely degraded after 10 days, independently by the number of oxygen in the lateral chain of the cation. The synthesis of new ionic liquids by using renewable feedstock as starting materials, has been developed through the synthesis of furan-based ion pairs from furfural. The new ammonium salts were synthesised in very good yields, good purity of the products and wide versatility, combining low melting points with high decomposition temperatures and reduced viscosities. Regarding the possible applications as surfactants and biocides, furan-based salts could be a valuable alternative to benzyltributylammonium salts and benzalkonium chloride that are produced from non-renewable resources. A new procedure for the allylation of ketones and aldehydes with tetraallyltin in ionic liquids was developed. The reaction afforded high yields both in sulfonate-containing ILs and in ILs without sulfonate upon addition of a small amount of sulfonic acid. The checked reaction resulted in peculiar chemoselectivity favouring aliphatic substrates towards aromatic ketones and good stereoselectivity in the allylation of levoglucosenone. Finally ILs-based systems could be easily and successfully recycled, making the described procedure environmentally benign. The potential role of switchable polarity solvents as a green technology for the extraction of vegetable oil from terrestrial and aquatic biomass has been investigated. The extraction efficiency of terrestrial biomass rich in triacylglycerols, as soy bean flakes and sunflower seeds, was comparable to those of traditional organic solvents, being the yield of vegetable oils recovery very similar. Switchable polarity solvents as been also exploited for the first time in the extraction of hydrocarbons from the microalga Botryococcus braunii, demonstrating the efficiency of the process for the extraction of both dried microalgal biomass and directly of the aqueous growth medium. The switchable polarity solvents exhibited better extraction efficiency than conventional solvents, both with dried and liquid samples. This is an important issue considering that the harvest and the dewatering of algal biomass have a large impact on overall costs and energy balance.

Metodi di ottimizzazione morfologica nel progetto preliminare di propulsori aeronautici avanzati

The aim of this Doctoral Thesis is to develop a genetic algorithm based optimization methods to find the best conceptual design architecture of an aero-piston-engine, for given design specifications. Nowadays, the conceptual design of turbine airplanes starts with the aircraft specifications, then the most suited turbofan or turbo propeller for the specific application is chosen. In the aeronautical piston engines field, which has been dormant for several decades, as interest shifted towards turboaircraft, new materials with increased performance and properties have opened new possibilities for development. Moreover, the engine’s modularity given by the cylinder unit, makes it possible to design a specific engine for a given application. In many real engineering problems the amount of design variables may be very high, characterized by several non-linearities needed to describe the behaviour of the phenomena. In this case the objective function has many local extremes, but the designer is usually interested in the global one. The stochastic and the evolutionary optimization techniques, such as the genetic algorithms method, may offer reliable solutions to the design problems, within acceptable computational time. The optimization algorithm developed here can be employed in the first phase of the preliminary project of an aeronautical piston engine design. It’s a mono-objective genetic algorithm, which, starting from the given design specifications, finds the engine propulsive system configuration which possesses minimum mass while satisfying the geometrical, structural and performance constraints. The algorithm reads the project specifications as input data, namely the maximum values of crankshaft and propeller shaft speed and the maximal pressure value in the combustion chamber. The design variables bounds, that describe the solution domain from the geometrical point of view, are introduced too. In the Matlab® Optimization environment the objective function to be minimized is defined as the sum of the masses of the engine propulsive components. Each individual that is generated by the genetic algorithm is the assembly of the flywheel, the vibration damper and so many pistons, connecting rods, cranks, as the number of the cylinders. The fitness is evaluated for each individual of the population, then the rules of the genetic operators are applied, such as reproduction, mutation, selection, crossover. In the reproduction step the elitist method is applied, in order to save the fittest individuals from a contingent mutation and recombination disruption, making it undamaged survive until the next generation. Finally, as the best individual is found, the optimal dimensions values of the components are saved to an Excel® file, in order to build a CAD-automatic-3D-model for each component of the propulsive system, having a direct pre-visualization of the final product, still in the engine’s preliminary project design phase. With the purpose of showing the performance of the algorithm and validating this optimization method, an actual engine is taken, as a case study: it’s the 1900 JTD Fiat Avio, 4 cylinders, 4T, Diesel. Many verifications are made on the mechanical components of the engine, in order to test their feasibility and to decide their survival through generations. A system of inequalities is used to describe the non-linear relations between the design variables, and is used for components checking for static and dynamic loads configurations. The design variables geometrical boundaries are taken from actual engines data and similar design cases. Among the many simulations run for algorithm testing, twelve of them have been chosen as representative of the distribution of the individuals. Then, as an example, for each simulation, the corresponding 3D models of the crankshaft and the connecting rod, have been automatically built. In spite of morphological differences among the component the mass is almost the same. The results show a significant mass reduction (almost 20% for the crankshaft) in comparison to the original configuration, and an acceptable robustness of the method have been shown. The algorithm here developed is shown to be a valid method for an aeronautical-piston-engine preliminary project design optimization. In particular the procedure is able to analyze quite a wide range of design solutions, rejecting the ones that cannot fulfill the feasibility design specifications. This optimization algorithm could increase the aeronautical-piston-engine development, speeding up the production rate and joining modern computation performances and technological awareness to the long lasting traditional design experiences.

Paesaggi agrari. Nuove prospettive per i sistemi territoriali: agricoltura ecologica, saperi tradizionali, scambio locale

Il paesaggio, e così anche il paesaggio agrario, può essere considerato come segno del rapporto uomo/natura, come costrutto storico che testimonia il succedersi delle diverse civilizzazioni che l'hanno generato, ma anche come spazio per l'immaginazione territoriale, come progetto per il futuro del territorio. In questo lavoro si trattano le relazioni tra questa visione del paesaggio e le forme di produzione e consumo dei prodotti agricoli, nell'ambito delle trasformazioni che l'ambito rurale sta subendo a partire dagli ultimi decenni, tra pressione dell'urbano, da un lato, e abbandono e crisi dell'agricoltura, dall'altro. Particolare attenzione è riservata a quelle esperienze che, attraverso la produzione biologica e lo scambio locale, esprimono un nuovo progetto di territorio, che prende avvio dal contesto rurale ma che pervade anche le città, proponendo anche nuove relazioni tra città e campagna. Nelle reti della filiera corta e dell'economia solidale che si concretizzano soprattutto come esperienze “dal basso”, di autogestione e partecipazione, si diffondono insieme prodotti e valori. In quest'ottica la sostenibilità ambientale non appare più come una fonte di limitazioni e esternalità negative, per dirla con il linguaggio dell'economia, ma diventa un valore aggiunto di appartenenza collettiva (equilibri ecologici, paesaggio) e un'occasione per nuove relazioni sociali e territoriali.

Arte e commercio dell'arte. Le origini delle collezioni della cassa di risparmio in Bologna e il fondo di incisioni carraccesche della raccolta Casati

La ricerca ha mirato a ricostruire storicamente quali furono le motivazioni che, tra la fine del XIX e gli inizi del XX secolo, portarono gli amministratori della Cassa Risparmio in Bologna a progettare la creazione di un Museo d’arte e di Storia della città, delineandone quelli che furono i principali responsabili e protagonisti. Dall’analisi dei documenti conservati presso l’Archivio della Cassa di Risparmio è emerso uno studio approfondito dei protagonisti della politica artistica e culturale dell’Istituto, oltre che dei legami e delle relazioni intessute con le principali istituzioni cittadine. Lo studio si è progressivamente focalizzato su un particolare momento della storia di Bologna, quando, in seguito all’approvazione del Piano Regolatore del 1889, la città fu per oltre un trentennio sottoposta a radicali trasformazioni urbanistiche che ne cambiarono completamente l’aspetto. Tra i personaggi finora ignoti di questa storia è emerso il nome dell’ingegnere Giambattista Comelli, consigliere e vice segretario della banca alla fine del XIX secolo, che per primo, nel 1896, avanzò la proposta di creare un museo dell’Istituto. A differenza di quanto ritenuto sino ad oggi, questo avrebbe dovuto avere, nelle intenzioni originarie, esclusivamente funzione di riunire e mostrare oggetti e documenti inerenti la nascita e lo sviluppo della Cassa di Risparmio. Un museo, dunque, che ne celebrasse l’attività, mostrando alla città come la banca avesse saputo rispondere prontamente e efficacemente, anche nei momenti più critici, alle esigenze dei bolognesi. Personaggio oggi dimenticato, Comelli fu in realtà figura piuttosto nota in ambito cittadino, inserita nei principali sodalizi culturali dell’epoca, tra cui la Regia Deputazione di Storia Patria e il Comitato per Bologna Storico Artistica, assieme a quei Rubbiani, Cavazza e Zucchini, che tanta influenza ebbero, come vedremo in seguito, sugli orientamenti Si dovettero tuttavia aspettare almeno due decenni, affinché l’idea originaria di fondare un Museo della Cassa di Risparmio si evolvesse in un senso più complesso e programmatico. Le ricerche hanno infatti evidenziato che le Raccolte d’Arte della Cassa di Risparmio non avrebbero acquistato l’importanza e la consistenza che oggi ci è dato constatare senza l’intervento decisivo di un personaggio noto fino ad oggi soltanto per i suoi indubbi meriti artistici: Alfredo Baruffi. Impiegato come ragioniere della Cassa fin dai diciotto anni, il Baruffi divenne, una volta pensionato, il “conservatore” delle Collezioni della Cassa di Risparmio. Fu lui a imprimere un nuovo corso all’originaria idea di Comelli, investendo tutte le proprie energie nella raccolta di dipinti, disegni, incisioni, libri, incunaboli, autografi, fotografie e oggetti d’uso quotidiano, col proposito di creare un museo che raccontasse la storia di Bologna e delle sue ultime grandi trasformazioni urbanistiche. Attraverso l’attenta analisi dei documenti cartacei e il raffronto con le opere in collezione è stato quindi possibile ricostruire passo dopo passo la nascita di un progetto culturale di ampia portata. La formazione della raccolta fu fortemente influenzata dalle teorie neomedievaliste di Alfonso Rubbiani, oltre che dalla volontà di salvaguardare, almeno a livello documentario, la memoria storica della Bologna medievale che in quegli anni stava per essere irrimediabilmente cancellata. Le scelte che orientarono la raccolta dei materiali, recentemente confluiti per la maggior parte nelle Collezioni della Fondazione della Cassa di Risparmio in Bologna, acquistano, con questo studio una nuova valenza grazie alla scoperta degli stretti rapporti che Baruffi intrattenne coi principali rappresentanti della cerchia rubbianesca, tra cui Francesco Cavazza, Guido Zucchini e Albano Sorbelli. Con essi Baruffi partecipò infatti a numerosi sodalizi e iniziative quali il Comitato per Bologna Storico Artistica, la “Mostra Bologna che fu” e la società Francesco Francia, che segnarono profondamente l’ambiente culturale cittadino. La portata e la qualità delle scelte condotte da Baruffi nell’acquisto e raccolta dei materiali si rivela ancora oggi, a distanza di quasi un secolo, attenta e mirata per il ruolo documentario che le Raccolte avevano e hanno assunto quali preziose e spesso uniche testimonianze del recente passato cittadino. Esaminata tutta la documentazione inerente la nascita delle Raccolte, la ricerca si è ha successivamente concentrata sulla vicenda di acquisto del fondo delle incisioni carraccesche della collezione Casati. La prima parte del lavoro è consistita nel repertoriare e trascrivere tutti i documenti relativi alla transazione d’acquisto, avvenuta nel 1937, vicenda che per la sua complessità impegnò per molti mesi, in un fitto carteggio, Baruffi, la direzione della Cassa e l’antiquario milanese Cesare Fasella. Il raffronto tra documenti d’archivio, inventari e materiale grafico ha permesso di ricostituire, seppur con qualche margine di incertezza, l’intera collezione Casati, individuando quasi 700 incisioni e 22 dei 23 disegni che la componevano. L’ultima fase di studio ha visto l’inventariazione e la catalogazione delle 700 incisioni. Il catalogo è stato suddiviso per autori, partendo dalle incisioni attribuite con certezza ad Agostino e ai suoi copisti, per poi passare ad Annibale e a Ludovico e ai loro copisti. Le incisioni studiate si sono rivelate tutte di grande qualità. Alcuni esemplari sono inoltre particolarmente significativi dal punto di vista storico-critico, perché mai citati nei tre principali e più recenti repertori di stampe carraccesche. Lo studio si conclude con l’individuazione di una stretta correlazione tra il pensiero e della pratica operatività in qualità di archivista, museografo e opinionista, di un altrettanto decisivo protagonista della ricerca, lo storico dell’arte Corrado Ricci, la cui influenza esercitata nell’ambiente culturale bolognese di quegli anni è già sottolineata nel primo capitolo. La conclusione approfondisce i possibili raporti e legami tra Baruffi e Corrado Ricci i cui interventi attorno alla questione della tutela e della salvaguardia del patrimonio storico, artistico, e paesaggistico italiano furono fondamentali per la nascita di una coscienza artistica e ambientale comune e per il conseguente sviluppo di leggi ad hoc. Numerose furono infatti le occasioni d’incontro tra Baruffi e Ricci. Qesti fu socio onorario del Comitato per Bologna Storico Artistica, nonché, quando era già Direttore Generale delle Belle Arti, presidente della storica mostra “Bologna che fu”. Sia Ricci che Baruffi fecero inoltre parte di quelle iniziative volte alla difesa e alla valorizzazione del paesaggio naturale, inteso anche in un ottica di promozione turistica, che videro la nascita proprio in Emilia Romagna: nel 1889 nasce l’Associazione Pro Montibus et silvis, del 1906 è l’Associazione nazionale per i paesaggi e monumenti pittoreschi, del 1912 è la Lega Nazionale per la protezione dei monumenti naturali. Queste iniziative si concretizzarono con la fondazione a Milano nel 1913 del Comitato Nazionale per la difesa del paesaggio e i monumenti italici, costituitosi presso la sede del Touring Club Italiano. Quelle occasioni d’incontro, come pure gli scritti di Ricci, trovarono certamente un terreno fertile in Baruffi conservatore, che nella formazione delle Collezioni, come pure nelle sua attività di “promotore culturale”, ci appare oggi guidato dalle teorie e dall’esempio pratico dei due numi tutelari: Alfonso Rubbiani e Corrado Ricci. La ricerca di documentazione all’interno di archivi e biblioteche cittadine, ha infine rivelato che il ruolo svolto da Baruffi come “operatore culturale” non fu quello di semplice sodale, ma di vero protagonista della scena bolognese. Soprattutto a partire dal secondo decennio del Novecento, quando fors’anche a seguito della morte del “maestro” Rubbiani, egli divenne uno tra i personaggi più impegnati in iniziative di tutela e promozione del patrimonio artistico cittadino, antico e moderno che fosse, intese a condizionare la progettualità politica e culturale della città. In tale contesto si può ben arguire il ruolo che avrebbero assunto le Collezioni storico artistiche numismatiche, popolaresche, della Cassa di Risparmio, cui Baruffi dedicò tutta la sua carriera successiva.