Evolutionary algorithms for the modeling of bioreactors

This work aims to study the application of Genetic Algorithms in anaerobic digestion modeling, in particular when using dynamical models. Along the work, different types of bioreactors are shown, such as batch, semi-batch and continuous, as well as their mathematical modeling. The work intendeds to estimate the parameter values of two biological reaction model. For that, simulated results, where only one output variable, the produced biogas, is known, are fitted to the model results. For this reason, the problems associated with reverse optimization are studied, using some graphics that provide clues to the sensitivity and identifiability associated with the problem. Particular solutions obtained by the identifiability analysis using GENSSI and DAISY softwares are also presented. Finally, the optimization is performed using genetic algorithms. During this optimization the need to improve the convergence of genetic algorithms was felt. This need has led to the development of an adaptation of the genetic algorithms, which we called Neighbored Genetic Algorithms (NGA1 and NGA2). In order to understand if this new approach overcomes the Basic Genetic Algorithms (BGA) and achieves the proposed goals, a study of 100 full optimization runs for each situation was further developed. Results show that NGA1 and NGA2 are statistically better than BGA. However, because it was not possible to obtain consistent results, the Nealder-Mead method was used, where the initial guesses were the estimated results from GA; Algoritmos Evolucionários para a Modelação de Bioreactores Resumo: Neste trabalho procura-se estudar os algoritmos genéticos com aplicação na modelação da digestão anaeróbia e, em particular, quando se utilizam modelos dinâmicos. Ao longo do mesmo, são apresentados diferentes tipos de bioreactores, como os batch, semi-batch e contínuos, bem como a modelação matemática dos mesmos. Neste trabalho procurou-se estimar o valor dos parâmetros que constam num modelo de digestão anaeróbia para o ajustar a uma situação simulada onde apenas se conhece uma variável de output, o biogas produzido. São ainda estudados os problemas associados à optimização inversa com recurso a alguns gráficos que fornecem pistas sobre a sensibilidade e identifiacabilidade associadas ao problema da modelação da digestão anaeróbia. São ainda apresentadas soluções particulares de idenficabilidade obtidas através dos softwares GENSSI e DAISY. Finalmente é realizada a optimização do modelo com recurso aos algoritmos genéticos. No decorrer dessa optimização sentiu-se a necessidade de melhorar a convergência e, portanto, desenvolveu-se ainda uma adaptação dos algoritmos genéticos a que se deu o nome de Neighboured Genetic Algorithms (NGA1 e NGA2). No sentido de se compreender se as adaptações permitiam superar os algoritmos genéticos básicos e atingir as metas propostas, foi ainda desenvolvido um estudo em que o processo de optimização foi realizado 100 vezes para cada um dos métodos, o que permitiu concluir, estatisticamente, que os BGA foram superados pelos NGA1 e NGA2. Ainda assim, porque não foi possivel obter consistência nos resultados, foi usado o método de Nealder-Mead utilizado como estimativa inicial os resultados obtidos pelos algoritmos genéticos.

Demandas formativas para la concepción de la superación del profesor-tutor de enfermería, en la universidad de las ciencias médicas cubana

Recibido 27 de julio de 2010 • Aceptado 31 de agosto de 2010 • Corregido 25 de noviembre de 2010  En el siglo XXI crece el interés por elevar la calidad de los sistemas educativos, lo que plantea la urgencia de profesionalizar el rol del docente, mientras se hace patente la necesidad de una superación apoyada en la autogestión del aprendizaje, por lo que se requiere que estas actividades constituyan modelos de la práctica pedagógica. Partiendo de los presupuestos que enfatizan el cambio hacia acciones de superación por consenso y no directivas, como generalmente se ha hecho, y desde el enfoque histórico cultural, es que se introduce un visón de la superación profesional del enfermero, el cual trasciende la trasmisión de conocimientos, hacia un desarrollo de sus necesidades educativas diagnosticadas.

Produzione di biopolimeri da fanghi di depurazione mediante processi ibridi termochimici-biologici

Il presente lavoro di tesi riguarda lo sviluppo di un innovativo processo di produzione di poliidrossialcanoati (PHA), volto a diminuire i costi ed incrementare la sostenibilità ambientale dei processi attualmente utilizzati per produrre PHA. A tal fine sono state utilizzate colture microbiche miste (MMC) presenti nei fanghi attivi derivanti dai processi di depurazione delle acque reflue e substrati di scarto dell’industria vitivinicola. I substrati sono stati inizialmente fermentati anaerobicamente per ottenere acidi grassi volatili (VFA), fonte di carbonio ideale per produrre PHA tramite MMC. Il processo di produzione sviluppato nel presente lavoro di tesi è suddiviso in tre stadi, mediante l'accoppiamento di processi termochimici e biologici: 1. Fermentazione anaerobica di varie matrici di scarto provenienti dall'industria vitivinicola per produrre VFA. Tutti i substrati sono stati testati sia con inoculo tal quale e sia con inoculo autoclavato per inibire l’attività degli Archea metanogeni. Nel primo caso sono stati ottenuti elevati quantitativi di biogas (~70% di resa), mentre il pre-trattamento dell’inoculo ha portato un’elevata produzione di VFA, soprattutto nel caso della vinaccia (45% di resa). 2. Pre-trattamento termochimico dei fanghi di depurazione e scarti tramite pirolisi al fine di rendere il carbonio contenuto negli scarti più disponibile per i batteri anaerobi. In questo caso le rese di VFA sono sensibilmente aumentate rispetto alla digestione della biomassa tal quale, con valori prossimi al 99% nel caso della vinaccia. 3. Valutazione delle capacità delle popolazioni batteriche che compongono il fango aerobico di accumulare naturalmente PHA, testando fanghi provenienti da impianti di depurazione sia industriali che urbani. Solo le comunità batteriche presenti nei fanghi di tipo urbano hanno mostrato buona potenzialità di accumulare PHA, senza che questi siano stati inizialmente sottoposti a regimi ciclici alimentari.

Development of a thermochemical/biological process to convert waste biomass into new resources

The increasing attention to environmental issues of recent times encourages us to find new methods for the production of energy from renewable sources, and to improve existing ones, increasing their energy yield. Most of the waste and agricultural residues, with a high content of lignin and non-hydrolysable polymers, cannot be effectively transformed into biofuels with existing technology. The purpose of the study was to develop a new thermochemical/ biological process (named Py-AD) for the valorization of scarcely biodegradable substances. A complete continuous prototype was design built and run for 1 year. This consists into a slow pyrolysis system coupled with two sequential digesters and showed to produce a clean pyrobiogas (a biogas with significant amount of C2-C3 hydrocarbons and residual CO/H2), biochar and bio-oil. Py-AD yielded 31.7% w/w biochar 32.5% w/w oil and 24.8% w/w pyrobiogas. The oil condensate obtained was fractionated in its aqueous and organic fraction (87% and 13% respectively). Subsequently, the anaerobic digestion of aqueous fraction was tested in a UASB reactor, for 180 days, in increasing organic loading rate (OLR). The maximum convertible concentration without undergoing instability phenomena and with complete degradation of pyrogenic chemicals was 1.25 gCOD L digester-1 d-1. The final yield of biomethane was equal to 40% of the theoretical yield and with a noticeable additional production equal to 20% of volatile fatty acids. The final results confirm that anaerobic digestion can be used as a useful tool for cleaning of slow pyrolysis products (both gas and condensable fraction) and the obtaining of relatively clean pyrobiogas that could be directly used in internal combustion engine.

Nuovi processi catalitici per la produzione di syngas

The study of the combined Steam/Dry Reforming (S/DR) process for the production of syngas (CO + H2) from clean biogas was carried out using Ni/Ir bimetallic catalysts on Mg and Al mixed-oxides, obtained by calcination of hydrotalcite-type precursors (Ht) prepared by co-precipitation. The presence of small amounts of Ir promoted the catalytic activity and limited the deactivation phenomena through the formation of a bimetallic alloy, which does the catalyst very active even at lowest temperature and in lack of steam. By integrating a High Temperature–WGS unit (HTS) after the S/DR reactor it was possible to increase the H2 yield of the process. The performance of the Zn/Al/Cu-based catalyst was improved using a templating agent during the synthesis of the catalyst, which increased the catalyst’s structural properties and activity especially at lowest temperatures and at highest contact times. Finally, starting from the laboratory data, it was possible to simulate the S/DR process on industrial scale, evaluating its scalability and environmental impact. The results showed that, using the S/DR technology instead of the current processes, it was possible to reduce the energy costs and the atmospheric emissions of the plant.

Caratterizzazione fluidodinamica di un digestore anaerobico modello tramite tecniche di diagnostica ottica

L’aumento del consumo di energia globale e le problematiche legate all’inquinamento stanno rendendo indispensabile lo spostamento verso fonti di energia rinnovabile. La digestione anaerobica rappresenta una possibile soluzione in quanto permette di produrre biogas da biomassa organica di scarto ma, l’ottimizzazione del processo risulta difficoltosa a causa delle numerose variabili chimiche, biologiche, fisiche e geometriche correlate. Nel presente elaborato, concentrandosi sulle problematiche relative alla miscelazione interna, è stata investigata la fluidodinamica interna di un reattore modello ottenuto tramite scale-down di un digestore anaerobico industriale che presentava problemi di sedimentazione di sostanza solida sul fondo del reattore. Tramite tecniche di diagnostica ottiche, è stato studiato il movimento del fluido, prima utilizzando acqua demineralizzata e poi una soluzione di gomma di xantano come fluido di processo, al fine di studiare il campo di moto medio interno al reattore. Le tecniche utilizzate sono la Particle Image Velocimetry (PIV) e la Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF). Al fine di rendere il sistema investigato il più rappresentativo possibile del digestore industriale, è stato utilizzato come fluido di processo per alcune delle prove raccolte, una soluzione acquosa 1,0g/kg di gomma di xantano, le cui proprietà reologiche sono state investigate grazie ad un Reometro Anton Paar MCR 301.

Optimization and development of low environmental impact propulsion systems

The aim of the Ph.D. research project was to explore Dual Fuel combustion and hybridization. Natural gas-diesel Dual Fuel combustion was experimentally investigated on a 4-Stroke, 2.8 L, turbocharged, light-duty Diesel engine, considering four operating points in the range between low to medium-high loads at 3000 rpm. Then, a numerical analysis was carried out using a customized version of the KIVA-3V code, in order to optimize the diesel injection strategy of the highest investigated load. A second KIVA-3V model was used to analyse the interchangeability between natural gas and biogas on an intermediate operating point. Since natural gas-diesel Dual Fuel combustion suffers from poor combustion efficiency at low loads, the effects of hydrogen enriched natural gas on Dual Fuel combustion were investigated using a validated Ansys Forte model, followed by an optimization of the diesel injection strategy and a sensitivity analysis to the swirl ratio, on the lowest investigated load. Since one of the main issues of Low Temperature Combustion engines is the low power density, 2-Stroke engines, thanks to the double frequency compared to 4-Stroke engines, may be more suitable to operate in Dual Fuel mode. Therefore, the application of gasoline-diesel Dual Fuel combustion to a modern 2-Stroke Diesel engine was analysed, starting from the investigation of gasoline injection and mixture formation. As far as hybridization is concerned, a MATLAB-Simulink model was built to compare a conventional (combustion) and a parallel-hybrid powertrain applied to a Formula SAE race car.

Valorization of bio-alcohols into added value chemicals

The present research work focused on the valorisation and upgrading of bio-ethanol over heterogeneous catalysts in a lab-scale continuous gas-flow system. In the Unibo laboratories, catalytic tests have been carried out in the temperature range 300-600°C by feeding an ethanol/He mixture in the reactor. After choosing the reaction conditions, ion-exchanged hydroxyapatite with transition metals (i.e., Fe, Cu) and alkaline earth metal (i.e., Sr) have been synthesized and tested. The Sr-HAP catalyst led to the formation of a complex reaction mixture the composition of which need further optimization in order to fill the requisite to be used as fuel-blend. Then, some zirconium-oxide based catalysts have been prepared through two different methods, precipitation and hydrothermal, by varying some synthetic parameters (i.e., pH, the nature of the base) and by adding a transition metal as dopant agent (i.e., Ti and Y). The presence of a dopant into the zirconia structure favoured the stabilization of the tetragonal or cubic phase against the monoclinic one. Interestingly, 5%mol Ti-doped zirconia exhibited a different catalytic behaviour yielding diethyl ether as major product at 300°C, while all the others samples produced mainly ethylene. Then, the effect of acid-base properties of sepiolite, using alkali metals (i.e., Na, K, Cs) with different metal loading (i.e., 2, 4, 5, 7, 14 wt%) as promoters, and of the redox properties of sepiolite-supported CuO or NiO, on the catalytic conversion of ethanol into n-butanol has been investigated. Thermal treated sepiolite samples mainly acted as acid catalyst, yielding preferentially the dehydration products of ethanol (ethylene and diethyl ether). Best results in terms of activity (ethanol conversion, 59%) and n-butanol selectivity (30%) where obtained at 400ºC and a contact time, W/F, of 2 g/mL·s over the catalyst consisting of sepiolite calcined at 500ºC modified with 7 wt% of cesium.

Strength and ductility of corroded strands within the framework of safety assessment of existing bridges

Existing bridges built in the last 50 years face challenges due to states far different than those envisaged when they were designed, due to increased loads, ageing of materials, and poor maintenance. For post-tensioned bridges, the need emerged for reliable engineering tools for the evaluation of their capacity in case of steel corrosion due to lack of mortar injection. This can lead to sudden brittle collapses, highlighting the need for proper maintenance and monitoring. This thesis proposes a peak strength model for corroded strands, introducing a “group coefficient” that aims at considering corrosion variability in the wires constituting the strands. The application of the introduced model in a deterministic approach leads to the proposal of strength curves for corroded strands, which represent useful engineering tools for estimating their maximum strength considering both geometry of the corrosion and steel material parameters. Together with the proposed ultimate displacement curves, constitutive laws of the steel material reduced by the effects of corrosion can be obtained. The effects of corroded strands on post-tensioned beams can be evaluated through the reduced bending moment-curvature diagram accounting for these reduced stress-strain relationships. The application of the introduced model in a probabilistic approach allows to estimate peak strength probability functions and consecutive design-oriented safety factors to consider corrosion effects in safety assessment verifications. Both approaches consider two procedures that are based on the knowledge level of the corrosion in the strands. On the sidelines of this main research line, this thesis also presents a study of a seismic upgrading intervention of a case-study bridge through HDRB isolators providing a simplified procedure for the identification of the correct device. The study also investigates the effects due to the variability of the shear modulus of the rubber material of the HDRB isolators on the structural response of the isolated bridge.

Planning and flexible operation of storage systems in power grids: from transmission to distribution networks

The first part of the thesis has been devoted to the transmission planning with high penetration of renewable energy sources. Both stationary and transportable battery energy storage (BES, BEST) systems have been considered in the planning model, so to obtain the optimal set of BES, BEST and transmission lines that minimizes the total cost in a power network. First, a coordinated expansion planning model with fixed transportation cost for BEST devices has been presented; then, the model has been extended to a planning formulation with a distance-dependent transportation cost for the BEST units, and its tractability has been proved through a case study based on a 190-bus test system. The second part of this thesis is then devoted to the analysis of planning and management of renewable energy communities (RECs). Initially, the planning of photovoltaic and BES systems in a REC with an incentive-based remuneration scheme according to the Italian regulatory framework has been analysed, and two planning models, according to a single-stage, or a multi-stage approach, have been proposed in order to provide the optimal set of BES and PV systems allowing to achieve the minimum energy procurement cost in a given REC. Further, the second part of this thesis is devoted to the study of the day-ahead scheduling of resources in renewable energy communities, by considering two types of REC. The first one, which we will refer to as “cooperative community”, allows direct energy transactions between members of the REC; the second type of REC considered, which we shall refer to as “incentive-based”, does not allow direct transactions between members but includes economic revenues for the community shared energy, according to the Italian regulation framework. Moreover, dispatchable renewable energy generation has been considered by including producers equipped with biogas power plants in the community.

Test vector generation for the phase II ATLAS event filter trigger upgrade

In the near future, the LHC experiments will continue to be upgraded as the LHC luminosity will increase from the design 1034 to 7.5 × 1034, with the HL-LHC project, to reach 3000 × f b−1 of accumulated statistics. After the end of a period of data collection, CERN will face a long shutdown to improve overall performance by upgrading the experiments and implementing more advanced technologies and infrastructures. In particular, ATLAS will upgrade parts of the detector, the trigger, and the data acquisition system. It will also implement new strategies and algorithms for processing and transferring the data to the final storage. This PhD thesis presents a study of a new pattern recognition algorithm to be used in the trigger system, which is a software designed to provide the information necessary to select physical events from background data. The idea is to use the well-known Hough Transform mathematical formula as an algorithm for detecting particle trajectories. The effectiveness of the algorithm has already been validated in the past, independently of particle physics applications, to detect generic shapes in images. Here, a software emulation tool is proposed for the hardware implementation of the Hough Transform, to reconstruct the tracks in the ATLAS Trigger and Data Acquisition system. Until now, it has never been implemented on electronics in particle physics experiments, and as a hardware implementation it would provide overall latency benefits. A comparison between the simulated data and the physical system was performed on a Xilinx UltraScale+ FPGA device.

Two stroke cycle, novel combustion concepts and electrification for a new generation of internal combustion engines

The pursuit of decarbonization and increased efficiency in internal combustion engines (ICE) is crucial for reducing pollution in the mobility sector. While electrification is a long-term goal, ICE still has a role to play if coupled with innovative technologies. This research project explores various solutions to enhance ICE efficiency and reduce emissions, including Low Temperature Combustion (LTC), Dual fuel combustion with diesel and natural gas, and hydrogen integration. LTC methods like Dual fuel and Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) show promise in lowering emissions such as NOx, soot, and CO2. Dual fuel Diesel-Natural Gas with hydrogen addition demonstrates improved efficiency, especially at low loads. RCCI Diesel-Gasoline engines offer increased Brake Thermal Efficiency (BTE) compared to standard diesel engines while reducing specific NOx emissions. The study compares 2-Stroke and 4-Stroke engine layouts, optimizing scavenging systems for both aircraft and vehicle applications. CFD analysis enhances specific power output while addressing injection challenges to prevent exhaust short circuits. Additionally, piston bowl shape optimization in Diesel engines running on Dual fuel (Diesel-Biogas) aims to reduce NOx emissions and enhance thermal efficiency. Unconventional 2-Stroke architectures, such as reverse loop scavenged with valves for high-performance cars, opposed piston engines for electricity generation, and small loop scavenged engines for scooters, are also explored. These innovations, alongside ultra-lean hydrogen combustion, offer diverse pathways toward achieving climate neutrality in the transport sector.

Caratterizzazione fluidodinamica di reattori agitati meccanicamente tramite tecniche di diagnostica ottica: effetto del comportamento reologico delle fasi.

Il lavoro di tesi si è posto l'obiettivo di studiare il comportamento fluidodinamico di un reattore agitato meccanicamente, scale-down di un digestore anaerobico per la produzione di biogas, attraverso tecniche di diagnostica ottica. Le tecniche utilizzate sono state la Particle Image Velocimetry, PIV, e la Planar Laser Induced Fluorescence, PLIF. Le prove sono iniziate utilizzando acqua all’interno del reattore e sono proseguite utilizzando una soluzione di acqua e Carbometilcellulosa (CMC) a concentrazione di CMC progressivamente crescente per aumentare la viscosità apparente della soluzione non newtoniana con lo scopo di simulare il più realisticamente possibile la viscosità del contenuto reale del digestore. Tutte le diverse soluzioni sono state indagate per diverse velocità e diversi sensi di rotazione. Le prove di diagnostica ottica sono state progressivamente affiancate da prove al reometro di campioni di soluzione per il calcolo della viscosità apparente. La PIV ha fornito la misura del campo di moto di un piano, è stato scelto di analizzare un piano verticale. Il metodo di diagnostica ottica ho previsto l’utilizzo di quattro componenti: una sezione per il test otticamente trasparente contenente la soluzione inseminata con piccole particelle di tracciante (particelle di argento e vetro cavo) che seguono il flusso, una sorgente di illuminazione pulsata (laser), un dispositivo di registrazione (una telecamera digitale ad alta definizione) ed un software per la cross-correlazione delle immagini acquisite (DynamicStudio). La PLIF è stata implementata per lo studio del tempo caratteristico di miscelazione nel reattore. La strumentazione utilizzata è stata la stessa della PIV con un tracciante diverso a base di Rodhamina-6G. Lo studio ha riguardato il tempo necessario all’omogeneizzazione del tracciante mediante un’analisi del coefficiente di variazione, CoV, delle immagini acquisite.

Analisi di sostenibilità di tecnologie CCS applicate a settori hard-to-abate

In questo lavoro di tesi viene presentata un’analisi di sostenibilità economica, ambientale e sociale di un sistema di cattura e purificazione della CO2 post-combustione. Al fine di ottenere i dati utili al calcolo di indici significativi di sostenibilità, si è scelto di modellare, attraverso il software Aspen Plus®, un processo di assorbimento chimico con ammine, tecnologia matura e spesso impiegata a questo scopo per settori industriali di taglie superiori. Al sistema di assorbimento viene poi fatta seguire un’unità di compressione e purificazione, finalizzata al raggiungimento di specifiche condizioni della corrente in uscita, legate alla successiva tipologia di trasporto considerata: gas pressurizzato via pipeline o gas liquefatto via nave. L’analisi economica si è basata sul calcolo di costi operativi, costi variabili, costo della CO2 evitata e consumo specifico di energia (SPECCA). La simulazione ha infatti consentito di ottenere un dimensionamento di massima delle apparecchiature e il consumo di utenze, valori necessari alla stima degli indici. Gli indici economici calcolati sono poi stati utilizzati per comprendere quale parte del processo fosse la più critica e che impatto avessero le unità di compressione e purificazione rispetto alla presenza del solo impianto di cattura. Analisi simili sono state svolte anche in termini di sostenibilità ambientale e sociale. La prima è stata svolta calcolando l’effettiva rimozione di CO2 del sistema, tenendo in considerazione le emissioni dirette e indirette connesse al funzionamento degli apparati. L’analisi sociale è stata ridotta a un’analisi qualitativa della sicurezza, attuata attraverso il calcolo dell’Indice di sicurezza intrinseca.

Studio della permeabilità di CO2 e N2 in membrane composite di Aquivion e PVAm

Per mitigare il notevole aumento di emissioni di gas serra, molti studi si stanno focalizzando sulle membrane a trasporto facilitato per la separazione e la cattura di CO2. In particolare, le tecnologie di Carbon Capture and Storage (CCS) hanno ridestato interesse basandosi principalmente sulla cattura dell’anidride carbonica. L’obiettivo di questo studio è stato di migliorare le prestazioni di selettività nell’Aquivion, membrana ionomerica dell’acido perfluorosolfonico. Gli ottimi valori di permeabilità che raggiunge hanno portato quindi a focalizzare le ricerche sul miglioramento della capacità selettiva tra CO2 e N2. Infatti, la permeabilità e la selettività sono considerati parametri di trade-off, all’aumento di uno corrisponde la diminuzione dell’altro. Inoltre, le buone prestazioni delle membrane a trasporto facilitato in presenza di gruppi amminici hanno portato al tentativo di associare ad un materiale come l’Aquivion, dalla buona conduttività protonica, la Polivinilammina. Le ammine in membrane a trasporto facilitato sono infatti in grado di legare selettivamente l’anidride carbonica. Il presente lavoro si è inizialmente focalizzato sulla purificazione della Polivinilammina e sull’accoppiamento delle due membrane. In seguito alla realizzazione, i film sono stati caratterizzati mediante spettroscopia FTIR-ATR e infine testati in condizioni di umidità con l’utilizzo di un permeometro. È infatti ampiamente studiato come migliorare la permeabilità dell’Aquivion all’aumentare dell’umidità. In conclusione, in condizioni di alta adesione della Polivinilammina all’Aquivion la selettività ad alte umidità è aumentata rispetto ai valori di letteratura in articoli condizioni.