Studio del comportamento catalitico nella reazione di Water Gas Shift a media ed alta temperatura

Per massimizzare la quantità di H2 nel gas di sintesi ottenuto dal processo di Steam Reforming (SR) si utilizza la reazione di Water Gas Shift (WGS): CO + H2O ⇆ CO2 + H2 ∆H0298 = - 41,2 KJ/mol Sulla base di sistemi catalitici Cu/Zn/Al si è cercato di modificarne la composizione per ottenere catalizzatori attivi e stabili in un intervallo di temperatura tra 350-450 °C, (High Temperature Shift o HTS), al fine di sostituire i tradizionali sistemi a base di Fe/Cr, in relazione alle limitazioni ambientali all’utilizzo del Cr e per poter operare con valori inferiori del rapporto S/DG. Si sono inoltre studiate le caratteristiche dei catalizzatori e le condizioni di reazione che favoriscono la produzione di metilammine ed alcoli nel processo a temperature intermedie, tra 300-350 °C (Middle Temperature Shift o MTS), in relazione alla disattivazione che questi composti comportano nel processo di SR a seguito del riciclo della fase acquosa dal reattore di WGS.

Aeroelastic stability of structures: flutter analysis using Computational Fluid Dynamics

Thanks to the increasing slenderness and lightness allowed by new construction techniques and materials, the effects of wind on structures became in the last decades a research field of great importance in Civil Engineering. Thanks to the advances in computers power, the numerical simulation of wind tunnel tests has became a valid complementary activity and an attractive alternative for the future. Due to its flexibility, during the last years, the computational approach gained importance with respect to the traditional experimental investigation. However, still today, the computational approach to fluid-structure interaction problems is not as widely adopted as it could be expected. The main reason for this lies in the difficulties encountered in the numerical simulation of the turbulent, unsteady flow conditions generally encountered around bluff bodies. This thesis aims at providing a guide to the numerical simulation of bridge deck aerodynamic and aeroelastic behaviour describing in detail the simulation strategies and setting guidelines useful for the interpretation of the results.

Numerical modelling of fluid-structure interaction with application in hemodynamics

The thesis deals with numerical algorithms for fluid-structure interaction problems with application in blood flow modelling. It starts with a short introduction on the mathematical description of incompressible viscous flow with non-Newtonian viscosity and a moving linear viscoelastic structure. The mathematical model consists of the generalized Navier-Stokes equation used for the description of fluid flow and the generalized string model for structure movement. The arbitrary Lagrangian-Eulerian approach is used in order to take into account moving computational domain. A part of the thesis is devoted to the discussion on the non-Newtonian behaviour of shear-thinning fluids, which is in our case blood, and derivation of two non-Newtonian models frequently used in the blood flow modelling. Further we give a brief overview on recent fluid-structure interaction schemes with discussion about the difficulties arising in numerical modelling of blood flow. Our main contribution lies in numerical and experimental study of a new loosely-coupled partitioned scheme called the kinematic splitting fluid-structure interaction algorithm. We present stability analysis for a coupled problem of non-Newtonian shear-dependent fluids in moving domains with viscoelastic boundaries. Here, we assume both, the nonlinearity in convective as well is diffusive term. We analyse the convergence of proposed numerical scheme for a simplified fluid model of the Oseen type. Moreover, we present series of experiments including numerical error analysis, comparison of hemodynamic parameters for the Newtonian and non-Newtonian fluids and comparison of several physiologically relevant computational geometries in terms of wall displacement and wall shear stress. Numerical analysis and extensive experimental study for several standard geometries confirm reliability and accuracy of the proposed kinematic splitting scheme in order to approximate fluid-structure interaction problems.

Numerical analysis of the relation between interactions and structure in a molecular fluid

Coarse graining is a popular technique used in physics to speed up the computer simulation of molecular fluids. An essential part of this technique is a method that solves the inverse problem of determining the interaction potential or its parameters from the given structural data. Due to discrepancies between model and reality, the potential is not unique, such that stability of such method and its convergence to a meaningful solution are issues.rnrnIn this work, we investigate empirically whether coarse graining can be improved by applying the theory of inverse problems from applied mathematics. In particular, we use the singular value analysis to reveal the weak interaction parameters, that have a negligible influence on the structure of the fluid and which cause non-uniqueness of the solution. Further, we apply a regularizing Levenberg-Marquardt method, which is stable against the mentioned discrepancies. Then, we compare it to the existing physical methods - the Iterative Boltzmann Inversion and the Inverse Monte Carlo method, which are fast and well adapted to the problem, but sometimes have convergence problems.rnrnFrom analysis of the Iterative Boltzmann Inversion, we elaborate a meaningful approximation of the structure and use it to derive a modification of the Levenberg-Marquardt method. We engage the latter for reconstruction of the interaction parameters from experimental data for liquid argon and nitrogen. We show that the modified method is stable, convergent and fast. Further, the singular value analysis of the structure and its approximation allows to determine the crucial interaction parameters, that is, to simplify the modeling of interactions. Therefore, our results build a rigorous bridge between the inverse problem from physics and the powerful solution tools from mathematics. rn

Catalizzatori per la reazione di Water Gas Shift a media ed alta temperatura

L’H2 è un vettore energetico di elevato interesse, utilizzato nell’industria chimica per la produzione di NH3 e CH3OH, oltre che per le reazioni di idrogenazione ed HDS. Un importante processo nella produzione di H2 è la reazione di Water Gas Shift (WGS), usata nel trattamento delle correnti uscenti dal reattore di Steam Reforming (SR) del metano: CO + H2O  CO2 + H2 ∆H0298K = -41,2 KJ/mol. Sulla base di precedenti lavori, sono stati sviluppati nuovi catalizzatori per la reazione WGS ad alta temperatura (HTS), alternativi ai tradizionali sistemi a base di Fe/Cr, in considerazione dei vincoli economici (elevati valori del rapporto vapore/gas secco o S/DG) ed ambientali (formazione di CrVI) di questi sistemi. Partendo da sistemi Cu/Zn/Al con un basso contenuto di rame, ottenuti da precursori tipo idrotalcite (HT), stato studiato l’effetto dell’aggiunta di piccole quantità di alcuni promotori sull’attività e stabilità dei catalizzatori ottenuti, osservando un effetto positivo sulle caratteristiche fisiche, come l’aumento dell’area superficiale e della dispersione della fase attiva. I campioni contenenti i promotori erano inoltre caratterizzati da una maggiore stabilità termica e, in alcuni casi, da un’attività catalitica superiore a quella del catalizzatore di riferimento privo di promotori. L’aggiunta di piccole quantità di alcali alla formulazione con la migliore attività portava ad un ulteriore aumento di attività e di stabilità, attribuibile ad una minore formazione di coke sulla superficie. I sistemi più interessanti potevano operare anche a bassi valori del rapporto S/DG, interessanti dal punto di vista industriale. Lo studio dell’adsorbimento di CO mediante FT-IR ha permesso di ipotizzare la possibile natura della fase attiva nei sistemi. Infine, lo studio è stato esteso a sistemi per la reazione di WGS a media temperatura (MTS), osservando anche in questo caso un positivo effetto legato all’aggiunta di promotori, con un aumento dell’attività catalitica e della stabilità con il tempo di reazione.

Design and fluid dynamic analysis of a custom drip chamber in a medical disposable device

Negli ultimi anni, parallelamente allo sviluppo di calcolatori elettronici sempre più performanti, la fluidodinamica computazionale è diventata uno strumento di notevole utilità nell’analisi dei flussi e nello sviluppo di dispositivi medici. Quando impiegate nello studio di flussi di fluidi fisiologici, come il sangue, il vantaggio principale delle analisi CFD è che permettono di caratterizzare il comportamento fluidodinamico senza dover eseguire test in-vivo/in-vitro, consentendo quindi notevoli vantaggi in termini di tempo, denaro e rischio derivante da applicazioni mediche. Inoltre, simulazioni CFD offrono una precisa e dettagliata descrizione di ogni parametro di interesse permettendo, già in fase di progettazione, di prevedere quali modifiche al layout garantiranno maggiori vantaggi in termini di funzionalità. Il presente lavoro di tesi si è posto l’obiettivo di valutare, tramite simulazioni CFD, le performances fluidodinamiche del comparto sangue “camera venosa” di un dispositivo medico monouso Bellco impiegato nella realizzazione di trattamenti di emodialisi. Dopo una panoramica del contesto, è presentata una breve descrizione della disfunzione renale e dei trattamenti sostitutivi. Notevole impegno è stato in seguito rivolto allo studio della letteratura scientifica in modo da definire un modello reologico per il fluido non-Newtoniano preso in considerazione e determinarne i parametri caratteristici. Il terzo capitolo presenta lo stato dell’arte delle apparecchiature Bellco, rivolgendosi con particolare attenzione al componente “cassette” del dispositivo monouso. L’analisi fluidodinamica del compartimento “camera venosa” della cassette, che sarà presa in considerazione nei capitoli quinto e sesto, si inserisce nell’ambito della riprogettazione del dispositivo attualmente in commercio: il quarto capitolo si incentra sul suo nuovo design, ponendo specifico interesse sul layout della camera venosa di nuova generazione. Per lo studio dei flussi che si sviluppano internamente ad essa ci si è avvalsi del modulo CFD del software COMSOL multiphysics® (versione 5.0); la definizione del modello implementato e della tipologia di studio effettuato sono presi in considerazione nel quinto capitolo. Le problematiche di maggior impatto nella realizzazione di un trattamento di emodialisi sono l’emolisi e la coagulazione del sangue. Nell'evenienza che si verifichino massivamente occorre infatti interrompere il trattamento con notevoli disagi per il paziente, per questo devono essere evitate. Nel sesto capitolo i risultati ottenuti sono stati esaminati rivolgendo particolare attenzione alla verifica dell’assenza di fenomeni che possano portare alle problematiche suddette.

Sviluppo di un sistema integrato innovativo per la contemporanea produzione e separazione di H2 ultrapuro, attraverso oxy-reforming, water-gas shift e membrane al Pd

Il presente lavoro di tesi si è focalizzato sullo studio e sulla ottimizzazione di un sistema integrato, che utilizzi la reazione di oxy-reforming del metano al fine di produrre syngas che venga trattato attraverso la water-gas shift al fine di abbattere il contenuto di CO e al tempo stesso aumentare la resa in H2. Con l’obiettivo di ottenere H2 ad elevata purezza (>99%) da poter essere inviato direttamente a celle a combustible ed in impianti di piccola taglia con possibile delocalizzazione della produzione industriale di energia elettrica e termica “pulita”, la miscela reale uscente dal processo di oxy-reforming è stata processata tramite successiva water-gas shift direttamente all’interno di una membrana ceramica al Pd selettiva nella separazione di H2. L’innovativià di questo progetto di studio è data da diversi parametri quali: 1) l’impiego dell’oxy-reforming in alternativa al normale steam-reforming del CH4, che permette di condurre il processo a temperature decisamente inferiori (700-750°C), utilizzando un minor quantitativo di vapore (S/C = 0.7); 2) l’utilizzo di due nuove formulazioni di catalizzatore di WGS per alte temperature, capace di operare in un unico stadio conversioni di CO ottenibili industrialmente solo attraverso i convenzionali due due stadi di reazione (e due diverse formulazioni di catalizzatori a base di Fe/Cr e Cu); 3) l’utilizzo di supporti ceramici con membrana a base di Pd, capaci di ospitare al loro interno un catalizzatore eterogeneo per la reazione di WGS a 400°C, rendendo quindi possibile la produzione e contemporanea separazione di H2 con un ulteriore effetto positivo poiché la membrana rimuovendo H2 dalla zona di reazione favorisce il superamento dell’equilibrio termodinamico per la conversione del CO, abbassandone il contenuto nel flusso uscente dei gas reazione e rendendo non più necessari sistemi aggiuntivi di separazione quali PSA o PROXY.

Acute fluid ingestion in the treatment of orthostatic intolerance - important implications for daily practice

Rapid water ingestion improves orthostatic intolerance (OI) in multiple system atrophy (MSA) and postural tachycardia syndrome (PoTS). We compared haemodynamic changes after water and clear soup intake, the latter being a common treatment strategy for OI in daily practice.

Formation of caries-like lesions in vitro on the root surfaces of human teeth in solutions simulating plaque fluid

Lesion formation on root surfaces of human posterior teeth was studied in acetate/lactate buffers with a background electrolyte composition based on plaque fluid analyses. Lesion depth after 28 days at 37 degrees C was measured in relation to: the presence or absence of cementum; the concentration of undissociated buffer; the presence or absence of magnesium ions at plaque fluid concentration. Each factor was evaluated at several values of -log(ion activity product for hydroxyapatite): pI(HA). Solutions were formulated to minimize variation in pH, which varied by < or =0.03 for a given comparison (individual pI(HA)) and by 0.42-0.82 over the range of pI(HA) within experiments. Lesions on surfaces from which cementum had been ground were significantly deeper than on intact surfaces, but this is considered to be due to subsurface mechanical damage and not to a solubility difference. Neither the concentration of undissociated buffer nor the presence of magnesium ions significantly affected lesion depth. Lesion depth was strongly influenced by the correlated variations in pI(HA) and pH. At pI(HA) 54 and 55, only extremely shallow lesions formed. From pI(HA) 56, lesion depth increased with increasing pI(HA). The results confirm that the solubility of the mineral of root tissues is higher than that of hydroxyapatite, but indicate that it is probably lower than suggested by Hoppenbrouwers et al. [Arch Oral Biol 1987;32:319-322]. For calcium concentrations of 3-12 mM, the critical pH for root tissue mineral was calculated as 5.22-5.66 assuming solubility equivalent to pI(HA) 54 and 5.08-5.51 assuming pI(HA) 55.

Education of tobacco use prevention and cessation for dental professionals--a paradigm shift

The use of tobacco continues to be a substantial risk factor in the development and progression of oral cancer, periodontitis, implant failure and poor wound healing. Dental and dental hygiene education providers have made great advances towards the incorporation of tobacco education into their curricula in recent years. Unfortunately, however, both medical and dental education research has consistently reported schools providing only basic knowledge-based curricula that rarely incorporate more effective, behaviourally-based components affecting long-term change. The limited training of oral healthcare students, at least in part, is reflected in practising dental professionals continuing to report offering incomplete tobacco interventions. In order to prepare the next generation of oral healthcare providers, this paper proposes a paradigm shift in how tobacco use prevention and cessation (TUPAC) may be incorporated into existing curricula. It is suggested that schools should carefully consider: to what level of competency should TUPAC be trained in dental and dental hygiene schools; the importance of establishing rapport through good communication skills; the core knowledge level for TUPAC; suggested instructional and assessment strategies; the importance of continuing professional education for the enhancement of TUPAC.

Endothelial Progenitor Cells Induce a Phenotype Shift in Differentiated Endothelial Cells towards PDGF/PDGFR Axis-Mediated Angiogenesis

BACKGROUND: Endothelial Progenitor Cells (EPC) support neovascularization and regeneration of injured endothelium both by providing a proliferative cell pool capable of differentiation into mature vascular endothelial cells and by secretion of angiogenic growth factors. OBJECTIVE: The aim of this study was to investigate the role of PDGF-BB and PDGFR in EPC-mediated angiogenesis of differentiated endothelial cells. METHODS AND RESULTS: Conditioned medium from human EPC (EPC-CM) cultured in hypoxic conditions contained substantially higher levels of PDGF-BB as compared to normoxic conditions (P<0.01). EPC-CM increased proliferation (1.39-fold; P<0.001) and migration (2.13-fold; P<0.001) of isolated human umbilical vein endothelial cells (HUVEC), as well as sprouting of vascular structures from ex vivo cultured aortic rings (2.78-fold increase; P = 0.01). The capacity of EPC-CM to modulate the PDGFR expression in HUVEC was assessed by western blot and RT-PCR. All the pro-angiogenic effects of EPC-CM on HUVEC could be partially inhibited by inactivation of PDGFR (P<0.01). EPC-CM triggered a distinct up-regulation of PDGFR (2.5±0.5; P<0.05) and its phosphorylation (3.6±0.6; P<0.05) in HUVEC. This was not observed after exposure of HUVEC to recombinant human PDGF-BB alone. CONCLUSION: These data indicate that EPC-CM sensitize endothelial cells and induce a pro-angiogenic phenotype including the up-regulation of PDGFR , thereby turning the PDGF/PDGFR signaling-axis into a critical element of EPC-induced endothelial angiogenesis. This finding may be utilized to enhance EPC-based therapy of ischemic tissue in future.

Is detection of bacterial DNA in ascitic fluid of clinical relevance?

In patients with cirrhosis, bacterial DNA has been found in ascites reflecting bacterial translocation. However, the clinical relevance of this finding is ill-defined especially compared with the standard diagnostics for detection of spontaneous bacterial peritonitis (SBP). Furthermore, other DNA tests have not been sufficiently evaluated.

Lung fluid movements in hypoxia

Pulmonary edema is a problem of major clinical importance resulting from a persistent imbalance between forces that drive water into the airspace of the lung and the biological mechanisms for its removal. Here, we will first review the fundamental mechanisms implicated in the regulation of lung fluid homeostasis, namely, the Starling forces and the respiratory transepithelial sodium transport. Second, we will discuss the contribution of hypoxia to the perturbation of this fine balance and the role of such perturbations in the development of high-altitude pulmonary edema, a disease characterized by a very high morbidity and mortality. Finally, we will review possible interventions aimed to maintain/restore lung fluid homeostasis and their importance for the prevention/treatment of pulmonary edema.

Petrous bone pneumatization is a risk factor for cerebrospinal fluid fistula following vestibular schwannoma surgery

For the prevention of postoperative CSF fistula a better understanding of origins and risk factors is necessary.