Thèses sur le sujet « Chimica teorica »

This thesis focusses on the exploration of various theoretical methods to address the interesting questions concerning electronic and optical properties of quantum-confined systems. Chapter 1 serves the purpose of providing a sufficient background for the reader on state-of-the-art knowledge and approaches in order to understand the motivations behind the study of each system: 2D layered halide perovskites (Chapter 2), lead-halide perovskite nanocrystals (Chapter 3) and metal-insulator-metal optical nanocavities (Chapter 4). In Chapter 4 the fundamentals of quantum mechanics are used to interpret the resonances of optical cavities as Epsilon-near-zero modes (ENZ), allowing us to describe them using the simple formalism of the particle in a box. In the various subparagraphs we use this approach to understand the polarization and coupling behaviours of such modes, eventually designing ENZ crystals. In Chapter 3 an analytical model is built to calculate completely ab initio the excitonic energies and the exciton binding energies of perovskite nanocrystals. This is accomplished using the state-of-the-art GW correction to the calculations of molecular orbitals energies and the Bethe-Salpeter equation for a precise evaluation of the excited states in real space. This method allows to study the effect of every physical quantity entering the description (e.g. the dielectric environment, exchange and Coulomb interactions…) on the final result, providing useful insight in the physics underlying the optical properties of these nanocrystals. In Chapter 2, Density Functional Theory is exploited to evaluate the effects of different ligands on the structural and the electronic properties of 2D halide perovskites. In the subparagraphs, various aspects are studied, for example the effects of different binding groups on the band structure, of different ligands on the Raman response and on the phase transition temperatures.

Il tunneling splitting rappresenta un importante effetto nucleare quantistico che può essere rilevato in un gran numero di spettri molecolari. Il lavoro presentato in questa tesi mira a proporre un nuovo approccio al calcolo di questa quantità sfruttando, grazie alla relazione di isomorfismo esistente tra l'Hamiltoniano nucleare nell’ipotesi di Born-Oppenheimer e l'operatore simmetrizzato di Fokker-Planck-Smoluchowski, il metodo delle funzioni di localizzazione, solitamente impiegato nel calcolo delle costanti cinetiche dei processi attivati, nel campo della stima del tunneling splitting. Seguendo questa strategia, un'approssimazione analitica, caratterizzata da una convergenza esponenzialmente migliore nel limite di barriere elevate, è stata ottenuta per il caso di sistemi unidimensionali aprendo, di fatto, un nuovo paradigma nel quale inquadrare il problema del calcolo del tunneling splitting. A partire da questo approccio asintotico, un'ampia gamma di strumenti teorici è stata sviluppata consentendo di affrontare, sia con un approccio approssimato che con una soluzione numerica, la stima del tunneling splitting nello stato fondamentale ed eccitato in sistemi modello monodimensionali e multidimensionali con un grado di precisione variabile.
The tunneling splitting represents an important nuclear quantum effect that can be detected in a large number of molecular systems spectra. The work presented in this thesis aims to propose a novel approach to the computation of these quantities by harnessing, thanks to the isomorphic relation existing between the Born-Oppenheimer nuclear Hamiltonian and the symmetrized Fokker-Planck-Smoluchowski operator, the localization function approach, usually employed in the computation of kinetic constants of activated processes, in the field of tunneling splitting estimation. Following this strategy, an analytic approximation, characterized by exponentially better convergence in the limit of high barriers, has been obtained for the case of one-dimensional systems opening, as such, a new paradigm in the problem of tunneling splitting computation. Starting from this asymptotic approach, a broad range of theoretical tools has been developed allowing us to tackle, either with an approximated approach or a numerical solution, the ground and excited-state tunneling splitting estimation in one and many-dimensional model systems with a variable degree of accuracy.

This thesis develops the basic theoretical aspects of the electronic properties of carbon nanotubes which are necessary for a detailed understanding of optical characterization measurements by photoluminescence and Raman spectroscopy. Starting from a wisely chosen finite portion of the real lattice with proper boundary conditions, the small crystal approach allows to find the minimal set of Brillouin zone points, which are sufficient for computing the essential features of the optical spectra of periodic systems, such as single-walled nanotubes. The real space vision embedded in small crystal approach allows to overcome some limitations inherent to reciprocal space based methods,when dealing with local symmetry breaking effects in the electronic structure of carbon nanotubes, such as electron-electron interactions, point-defects and orientationdependent intertube interactions, the last one in the particular case of double-walled nanotubes. The thesis shows the application of small crystal approach to these issues and discuss the obtained results with respect to the currently available experimental and theoretical findings.
Questa tesi sviluppa gli aspetti teorici basilari delle proprietà elettroniche dei nanotubi di carbonio che sono necessari per una comprensione dettagliata delle misure di caratterizzazione ottica tramite fotoluminescenza e spettroscopia Raman. Partendo da una porzione finita del reticolo reale opportunamente scelta con condizioni periodiche al contorno appropriate, l’approccio del cristallo piccolo consente di trovare l’insieme più piccolo di punti della zona di Brillouin che sono sufficienti per calcolare il profilo essenziale degli spettri ottici di sistemi periodici, come i nanotubi a parete singola. La visione in spazio reale presente nell’approccio del cristallo piccolo consente di superare le limitazioni inerenti ai metodi in spazio reciproco, quando si debbano considerare effetti di rottura locale di simmetria nella struttura elettronica dei nanotubi di carbonio, come interazioni elettrone-elettrone, difetti puntuali e interazioni intertubo dipendenti dall’orientazione dei tubi costituenti, quest’ultimo nel caso particolare dei nanotubi a parete doppia. La tesi mostra l’applicazione dell’approccio del cristallo piccolo a questi problemi e i risultati ottenuti vengono discussi in relazione alle attuali conoscenze sperimentali e teoriche.

Air pollutants arising from fossil fuels consumption are a point of major concern due to their environmental footprint and negative impact on human health. Owing to the global population growth, the demand of energy mostly based on fossil fuels is increasing rapidly, enhancing problems related with their usage. Concurrently, the decline of their limited supplies is little by little leading to a potential energy shortage, which may affect the modern lifestyle. Based on that, scientists have been working to find cleaner alternatives to replace fossil fuels. Biofuels serve the purpose, partially solving the issue related with air pollution. Nevertheless, in order to be considered as a potential biofuel, chemical-physical characteristics, as well as combustion behaviour, need to be evaluated for a chemical to be approved and definitely used in a combustion engine. In this framework, Multiplexed Photoionization Mass Spectrometry (MPIMS) has been used to study combustion-relevant reactions involving potential biofuels. Specifically, we studied the Cl-initiated oxidation reaction of diisopropyl ether (DIPE) at different temperatures (298, 550, and 650 K), and the O(3P) + 2,5-dimethylfuran (2,5-DMF) reaction at 550 K by employing a vacuum ultraviolet synchrotron radiation at the Advanced Light Source (ALS) of the Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). Products are identified on the basis of their mass-to-charge ratio, shape of photoionization spectra, and adiabatic ionization energies. Quantum-mechanical calculations have been carried out to assess the postulated primary chemistry mechanisms accounting for products formation. Where applicable, a kinetic model has been developed to validate the potential energy surface we based on to explain the detected primary products. In particular, for the first time, the involvement of different magnetic spin surfaces has been considered to unveil the role of the intersystem crossing in interpreting the observed products. Besides that, our kinetic model suggested that in the O(3P) + 2,5-DMF reaction, primary products formation is ascribable to a non-negligible fraction of non-thermalized intermediates. Combustion environments are often depicted by kinetic modelling studies to assess the occurring set of reactions and have a general dynamic outline of the investigated system. Furthermore, photoelectron spectra are often used as fingerprints to characterize intermediates and products arising from combustion processes, and are regarded as a valuable asset to enable isomers separation and detection. Based on that, Imaging Photoelectron Photoion Coincidence Spectroscopy (iPEPICO) has been used by employing the vacuum ultraviolet beamline at the Swiss Light Source (SLS) of the Paul Scherrer Insitut (PSI) to study the dissociative photoionization behaviour of two potential biofuels, such as methyl butyrate (MB) and -valerolactone (GVL). The use of a tunable synchrotron radiation allowed for energy selection of parent ions to study their unimolecular dissociation dynamics. By plotting the fractional abundances of the detected ions at different photon energies, the so-called breakdown diagram have obtained, which has been subsequently modelled through the statistical framework given by the RRKM theory to get accurate thermodynamic data. Finally, a dynamic model simulating the time evolution of the kinetic traces of all the species deriving from alkylperoxy radicals self-reactions has been implemented. Alkylperoxy radicals arising from reactions between radical organic compounds and molecular oxygen have been found to be the precursors of different products in both combustion processes and atmospheric chemistry. This study aims at providing an insight on these products formation rate based on statistical and theoretical assumptions. Modelled kinetic traces have been compared with the experimental ones coming from MPIMS experiments.

In questa tesi di dottorato, dedicata allo studio di sistemi molecolari luminescenti a base di ioni lantanoidei con applicazioni in termometria, sono state esplorate ed applicate tecniche di calcolo quantistico non routinarie al fine di determinare parametri e caratteristiche molecolari indispensabili per la comprensione dei meccanismi alla base della dipendenza dalla temperatura delle proprietà ottiche di luminescenza. Dopo una breve introduzione dedicata alla descrizione di questi sistemi, sono state descritte le basi teoriche necessarie per la comprensione delle simulazioni numeriche; successivamente, sono stati allegati alla tesi gli articoli scientifici pubblicati su riviste internazionali in cui sono stati riportati e discussi i risultati degli esperimenti numerici. Il tipo di modellizzazione adottato ha reso possibile non solo la razionalizzazione delle caratteristiche ottiche dei composti presi in considerazione, ma ha permesso la previsione del comportamento di sistemi molecolari non ancora caratterizzati.
In this Ph.D. thesis, centred around the study of lanthanide-based luminescent mo-lecular systems with applications in thermometry, several high-level quantistic calculation techniques have been explored; these have been applied to determine parameters and molecular characteristics, which are useful for the comprehension of the underlying mechanisms defining the temperature dependence of the optical properties. After a brief introduction in which the general nature of the systems is discussed, theoretical bases of numerical simulations are illustrated; scientific articles published on international journals with peer review and describing the theoretical modeling results are also included. Theoretical tools obtained from these studies allow not only to rationalise the optical characteristics of the investigated systems, but also to predict the behaviour of systems which have not yet been char-acterised.

In this thesis the application of biotechnological processes based on microbial metabolic degradation of halogenated compound has been investigated. Several studies showed that most of these pollutants can be biodegraded by single bacterial strains or mixed microbial population via aerobic direct metabolism or cometabolism using as a growth substrates aromatic or aliphatic hydrocarbons. The enhancement of two specific processes has been here object of study in relation with its own respective scenario described as follow: 1st) the bioremediation via aerobic cometabolism of soil contaminated by a high chlorinated compound using a mixed microbial population and the selection and isolation of consortium specific for the compound. 2nd) the implementation of a treatment technology based on direct metabolism of two pure strains at the exact point source of emission, preventing dilution and contamination of large volumes of waste fluids polluted by several halogenated compound minimizing the environmental impact. In order to verify the effect of these two new biotechnological application to remove halogenated compound and purpose them as a more efficient alternative continuous and batch tests have been set up in the experimental part of this thesis. Results obtained from the continuous tests in the second scenario have been supported by microbial analysis via Fluorescence in situ Hybridisation (FISH) and by a mathematical model of the system. The results showed that both process in its own respective scenario offer an effective solutions for the biological treatment of chlorinate compound pollution.

In this thesis the application of biotechnological processes based on microbial metabolic degradation of halogenated compound has been investigated. Several studies showed that most of these pollutants can be biodegraded by single bacterial strains or mixed microbial population via aerobic direct metabolism or cometabolism using as a growth substrates aromatic or aliphatic hydrocarbons. The enhancement of two specific processes has been here object of study in relation with its own respective scenario described as follow: 1st) the bioremediation via aerobic cometabolism of soil contaminated by a high chlorinated compound using a mixed microbial population and the selection and isolation of consortium specific for the compound. 2nd) the implementation of a treatment technology based on direct metabolism of two pure strains at the exact point source of emission, preventing dilution and contamination of large volumes of waste fluids polluted by several halogenated compound minimizing the environmental impact. In order to verify the effect of these two new biotechnological application to remove halogenated compound and purpose them as a more efficient alternative continuous and batch tests have been set up in the experimental part of this thesis. Results obtained from the continuous tests in the second scenario have been supported by microbial analysis via Fluorescence in situ Hybridisation (FISH) and by a mathematical model of the system. The results showed that both process in its own respective scenario offer an effective solutions for the biological treatment of chlorinate compound pollution.

Il presente lavoro di tesi si inserisce in un progetto di ricerca sullo sviluppo del processo di produzione di vasetti di yogurt in polietilene-tereftalato (PET), materiale con il più alto tasso di riciclo in ambito food, in ottica di un’economia circolare. Tali vasetti si ottengono a partire da preforme in PET prodotte per stampaggio continuo a compressione (CCM) di cui Sacmi è leader mondiale nella produzione dei macchinari. Il lavoro consiste nella caratterizzazione del processo di scambio termico durante la fase di raffreddamento dello stampo dei macchinari CCM, fase fondamentale della formatura, determinando sperimentalmente i coefficienti di trasporto convettivi e confrontandoli con quelli calcolabili da correlazioni teoriche, col fine ultimo di valutare possibili margini di ottimizzazione del processo in esame. La determinazione sperimentale del coefficiente di trasporto nel canale di raffreddamento dello stampo richiede la misura della temperatura all’interfaccia parete/fluido, che risulta particolarmente problematica. Perciò, è stato progettato un banchetto di prova sensorizzato, sul quale, oltre ad effettuare misure di temperatura, dalle quali è emerso che un sensore a infrarossi è uno strumento idoneo, sono state condotte anche prove di scambio termico per ricavare i coefficienti sperimentali al variare della portata d’acqua di raffreddamento alimentata. Dal confronto coi coefficienti teorici è risultato che la correlazione adatta a rappresentare lo scambio termico è quella di Sieder-Tate, valida nella regione di ingresso. È stata quindi sensorizzata anche la macchina CCMPROT a singolo stampo per la produzione di preforme in PET per ricavare i coefficienti sperimentali nelle condizioni di processo tipiche delle macchine industriali. Dalle prove condotte è emerso che la correlazione di Sieder-Tate descrive correttamente anche il processo di raffreddamento dello stampo e, perciò, può essere utilizzata in ottica di analisi ed ottimizzazione del processo.

The aim of this work was to investigate innovative „cobalt-free‟ electrode materials for the application in Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) in the intermediate temperature (IT) range. Since the well-known La1-xSrxFe0.8Co0.2O3-δ (LSCF), Co-containing cathode material, suffers of problem of Co diffusion between electrode-electrolyte interface, the substitution with Cu can represent a solution to this problem. The study was focused on lanthanum strontium ferrite oxides (LSF) that where doped with copper or tantalum in the B site. The crystal structure of La1-xSrxFe1-yTayO3±δ (LSFT) and La1-xSrxFe0.8Cu0.2O3-δ (x= 0.4, 0.2) (LSFCu) were widely investigated by x-ray diffraction (XRD) to eventually detect the presence of secondary phases and the electrochemical properties were assessed by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in synthetic air. As concerning LSFT, the lowest area specific resistance (ASR), derived from the polarization resistance (Rp), 1 Ω cm2 at 750 °C, was measured for the compound doped with x= 0.40 and y= 0.05. LSFCu showed a good chemical compatibility with La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ (LSGM) electrolyte since a limited cation interdiffusion at the electrode-electrolyte interface was observed, whereas Co ion of the well-known La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-δ (LSFC) could diffuse more deeply into LSGM through grain boundaries, as highlighted by energy dispersive analysis (EDX) and Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) analysis. ASR values of LSFCu were comparable to the widely spread La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.2O3-δ (LSFC) and lower than LSFT. LSFCu showed the typical behaviour of mixed ionic and electronic conductors (MIECs), since the Cu-doping had beneficial effect both on the electronic conduction and on the formation of oxygen vacancies, promoting the ionic conduction. LSFCu conductivity in air was varying in the range of 150-200 S cm-1 between 600 and 800 °C, whereas LSFT showed low conductivity values, around 15 S cm-1. The LSFCu perovskites where finally tested in a symmetric SOFC (SSOFC). This configuration presents several advantages. The behavior in reducing atmosphere was assessed by time programmed reduction (TPR), and the XRD data of the reduced powders confirmed the formation of metallic Fe and Cu as well as the presence of secondary phases, which were forming because of the Fe and Cu depletion from the perovskite oxide. The LSFCu symmetrical cells were tested in presence of hydrogen as fuel at the anode side and static air at the cathode and promising power output was obtained in the presence of composite electrodes with gadolinia-doped ceria (GDC).

2016 - 2017
Nowadays, ripening of salami under natural conditions has been replaced by batch production in ventilated industrial chambers. Hence, the same product quality can be obtained regardless of local, environmental and climatic conditions. Nevertheless, carefully designed and monitored process conditions are necessary to achieve the targeted weight loss and quality of dry fermented sausages. Therefore, the availability of reliable mathematical models and manageable software codes for sausage drying, maturation and optimal production are highly welcome. This thesis deals with the development and the progressive improvement of a mathematical model (and its underlying software solving code) of sausage drying during actual industrial ripening conditions. The mathematical model considered as the start point had the following features: 1D, axi-symmetric, time-invariant cylindrical geometry; homogeneous and isotropic material; no distinction between the inner part (core) and the casing; water concentration as a distributed parameter; the internal water transfer rate as a concentration-dependent Fickian diffusion with the assumption of an effective diffusion coefficient depending on the local water content. Starting form this, different and more realistic improvements of the sausage geometrical representation have been pursued: cylindrical 2D axi-symmetric geometry, irregular 2D axi-symmetric geometry, irregular 3D geometry, cylindrical 2D axi-symmetric geometry with volume shrinking. From the comparison of the various model predictions with the experimental data that originated from external industrial-scale ripening tests, it was possible to deduce that a more realistic irregular geometry is influential on the computational load, but irrelevant to the prediction of the sausage weight loss, i.e., the most well-known process performance variable. For this reason, a simple cylindrical shape could be used to implement a more realistic variable-volume simulation model. Another assessment that was made with this study was that the ripening process can be considered isothermal because the temperature transients, e.g., occurring at startup or after a temperature set point change, have a characteristic time that is negligible when compared to that characteristic of mass transfer. A natural, but necessary development of the work has been a mathematical model of fermented sausage drying relying on an innovative description of the sausage as a heterogeneous material, i.e., separately made of lean meat and fat, and a porous medium. The fat is considered as an inert matter dispersed in the meat matrix, while the lean meat is considered as a porous medium in which the transport phenomena of water take place to the outside of the matrix during the ripening process. Porosimetry and image analysis were applied to the meat matrix to demonstrate the goodness of the porous media approach. However, the direct implementation of the above porous media approach in a calculation code has been prevented by the lack of correlations for the water diffusion in the porous meat matrix. For this reason, an experimental setup was thought that would allow an evaluation of the dependence of the diffusivity from the local water content in the meat matrix during the drying process. The experimental apparatus allows real-time monitoring of the sample weight and water concentration profiles that are established in the material under investigation. The sample is kept in a constant-humidity, controlled atmosphere during the whole experiment. By coupling the model simulation with porous media approach and the experimental data from such an apparatus, it is possible to simulate the drying process of a particular material for which the internal water diffusion characteristics are unavailable or unrealistic in the literature. In particular, two correlations for the water diffusion in the porous meat matrix (e.g., D=f(local moisture content, Temperature)) were found in literature, but their application or validation to the case of meat-based food was missing. So, it was possible to determine optimal parameters for them, just tailored for the lean meat under investigation here. Therefore, with a more reliable correlation for water diffusion and the calculation code based on the porous media approach, the prediction of the drying mechanism turned out more realistic and provided added value to the knowledge of the salami curing processes. [edited by author]
XVI n.s.

La contaminazione da metalli nei sedimenti di origine acquatica e` un problema ambientale di scala globale. Il sedimento marino agisce come trappola dei contaminanti presenti nella colonna d’acqua, così che i sedimenti delle zone ad elevato livello di antropizzazione possono raggiungere levate concentrazioni di contaminanti metallici. Le strategie biologiche per il recupero di matrici ambientali contaminate accrescono la loro importanza e sono considerate molto promettenti nel caso di un futuro trattamento dei sedimenti contaminati. A differenza degli inquinanti organici , i metalli (e i semimetalli) non possono essere degradati, né i processi naturali di decomposizione possono rimuoverli. Di conseguenza, qualsiasi azione di biorimedio può essere solo finalizzata alla loro trasformazione in composti più solubili/insolubili e/o in specie meno tossiche. Questa tesi riguarda il potenziale di procarioti nella mobilizzazione/immobilizzazione di (semi-)metalli in sedimenti marini contaminati, con un focus particolare sulle interazioni biogeochimiche tra sedimento, batteri e (semi-)metalli. Le attività di ricerca hanno affrontato le seguenti questioni specifiche: 1. Può la bioaugmentazione con batteri acidofili Fe/S ossidanti (biolisciviazione) essere applicata sui sedimenti marini per mobilitare i contaminanti metallici? Quali fattori influenzano l'efficienza di mobilitazione e la reale applicabilità su sedimenti marini contaminati? 2. Le proprietà geochimiche del sedimento influenzano la bio-mobilitazione di metalli? Come le interazioni fra processi abiotici e biotici influenzano la bio-mobilitazione di metalli dai sedimenti marini contaminati? 3. Può la bio-stimolazione delle associazioni microbiche autoctone influenzare il destino dei metalli nei sedimenti marini contaminati? Quali sono i vincoli biotici e abiotici che influenzano la mobilità dei metalli durante bio-stimolazione azioni? 4. Che tipo di interazioni tra fattori abiotici e biotici effetto mobilitazione metallo/immobilizzazione in sedimenti marini? Possono i principali risultati di questa ricerca di essere generalizzati al fine di descrivere la mobilitazione / immobilizzazione di metalli nel sedimento marino? Per rispondere a queste domande, le attività di ricerca sono stati organizzati in quattro pacchetti di lavoro. La prima fase sperimentale e` stata mirata a testare il potenziale dei batteri acidofili nel trattamento di sedimenti marini contaminati con metalli e semimetalli. Esperimenti di bioaugmentazione sono stati effettuati con una concentrazione maggiore di sedimenti generalmente indagato in letteratura scientifica. La capacità di batteri Fe-riducenti nel favorire i batteri acidofili Fe/S ossidanti è stato investigato. Ulteriori fattori indagati sono stati la presenza/assenza di diversi substrati di crescita (ferro ferroso, zolfo elementare, glucosio). I risultati hanno rivelato che l'alta concentrazione di sedimenti ha avuto un effetto negativo sull'efficienza di solubilizzazione metallo. Al contrario, il fattore principale che ha favorito la mobilitazione dei metalli era la presenza di ferro come substrato di crescita. Il ruolo dei batteri Fe/S ossidanti sembrava limitato alla produzione e rigenerazione di specie chimiche chiave, responsabili lisciviazione dei metalli (come H+ e Fe3+). Sulla base dei risultati ottenuti durante la prima sperimentazione, una seconda fase sperimentale è stato progettata per valutare l'effetto delle proprietà geochimiche del sedimento. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo effettuato nuovi esperimenti bioaugmentazione su tre diversi campioni di sedimento, provenienti da diversi porti. Le condizioni sperimentali erano simili a quelli della prima serie di esperimenti. I risultati di questa fase hanno confermato il ruolo indiretto dei batteri ossidanti Fe/S e il ruolo chiave del ferro. Tuttavia, i risultati hanno evidenziato che le efficienze di mobilitazione erano metallo-specifiche e sito-specifiche. Infatti, proprieta` geochimica del sedimento (ad esempio, la capacità tampone) influenzavano l'attività biologica di batteri Fe/S ossidanti, e la capacità di mantenere stabili i metalli in fase solubile. Abbiamo anche trovato, che il tipo di contaminanti metallici coinvolti e la ripartizione tra le frazioni geochimica dei sedimenti svolgono un ruolo aggiuntivo nel determinare le efficienza finali di biomobilizzazione. Di conseguenza, il mantenimento di condizioni acide e ossidative, il comportamento chimico in ambiente acquoso di ciascuna specie metallica e le caratteristiche geochimiche del sedimento interagiscono intimamente per determinare l'efficienza di soliubilizzazione. Considerando la necessità di strategie efficaci ed economicamente fattibile bioaugmentazione , tutte queste prove devono essere prese in considerazione per la definizione dei trattamenti ex-situ sostenibili. L' ultima serie di esperimenti ha riguardato il potenziale della comunità microbica autoctona nell'influenzare il destino dei metalli nei sedimenti marini contaminati, in Dissertation outline connessione con eventuali strategie di biorisanamento in situ. Esperimenti di biostimolazione sono stati eseguiti in condizioni anossiche, con differenti ammendanti. Contrariamente a quanto normalmente previsto, i nostri risultati hanno evidenziato che la biostimolazione in condizioni anossiche può portare ad un aumento della mobilità dei (semi-)metalli e che questa non è necessariamente associata ad eventi di solubilizzazione. Infatti, la comunità microbica puo` influenzare il destino dei metalli e semimetalli, ma fattori biotici, come la composizione delle associazioni microbiche e il tipo di biostimolazione, producono effetti che interagisce con i processi geochimici guidati dalle proprietà del sedimento, il tipo di contaminazione e dalle condizioni ambientali. Di conseguenza, le interazioni tra tutti questi fattori rappresentano il reale vettore che determina il destino dei metalli e dei semimetalli in sedimenti marini contaminati. I principali risultati ottenuti da tutta la ricerca sono stati utilizzati per delineare due modelli concettuali che riassumono e descrivono le principali interazioni biogeochimiche che riguardano il destino dei (semi-)metalli durante i trattamenti di bioaugmentazione con batteri Fe/S ossidanti e durante azioni di biostimolazione. Anche se essi sono rappresentazioni semplicistiche di un insieme molto complesso di processi che si verificano nella realtà, la definizione di modelli concettuali può migliorare la nostra comprensione dei fattori coinvolti in questo campo. Infatti, un modello concettuale che descrive le interazioni biogeochimici che avvengono durante la biolisciviazione era completamente assente, mentre il modello concettuale ottenuto dagli esperimenti di biostimolazione riempie le lacune conoscitive di modelli esistenti e rappresenta un miglioramento nella comprensione dei processi che si verificano.
The contamination of aquatic sediments with metals is a widespread environmental problem. The marine sediment is a sink for contaminants in the water column, so that in areas with high level of anthropization the sediment can reach very high concentrations of metal contaminants. The biological strategies for remediation of contaminates environmental matrices is gaining increasing prominence and they are often considered as a very promising approach for the potential treatment of contaminated sediments. Unlike organic pollutants, metal contaminants cannot be degraded, neither the natural processes of decomposition can remove them. As a consequence, any bioremediation strategy can be just aimed at transforming metals and semi-metals in more soluble/insoluble compounds and/or in less toxic species. This dissertation deals with the potential of prokaryotes in the mobilization/ immobilization of (semi-)metals in marine contaminated sediments, with a particular focus on the biogeochemical interactions between sediment, bacteria and (semi-) metals. The research activities have addressed the following specific questions: 1. Can the bioaugmentation with acidophilic Fe/S oxidizing bacteria (Bioleaching) be applied on marine sediments to mobilize the metal contaminants? Which factors do influence the mobilization efficiency and the real applicability on contaminated marine sediments? 2. Do the geochemical properties of the sediment affect the bio-mobilization of metals? How do the interactions among abiotic and biotic processes affect the bio-mobilization of metals from contaminated marine sediments? 3. Can the biostimulation of autochthonous microbial assemblages affect the fate of metals in marine contaminated sediments? Which are the abiotic and abiotic constrains influencing the mobility of metals during biostimulation actions? 4. Which kind of interactions among abiotic and biotic factors affect metal mobilization/immobilization in marine sediments? Can the key findings from this research be generalized in order to describe the mobilization/immobilization of metals in the marine sediment? To answer these questions, the research activities were organized in four work-packages. The first experimental campaign was aimed at testing the potential of acidophilic bacteria as bioremediation strategy for the treatment of marine sediments contaminated with metals and semi-metals. Bioaugmentation experiments were carried out with a sediment concentration higher than usually investigated in the scientific literature. The potential of Fe-reducing bacteria in favoring the acidophilic Fe/S oxidizing bacteria was investigated. Additional factors investigated were the presence/absence of different growth substrates (ferrous iron, elemental sulfur, glucose). Our results revealed that the high concentration of sediment had a negative effect on the efficiency of metal solubilization. On the contrary, the main factor that favored the mobilization of metals was the presence of iron as growth substrate. The role of Fe/S oxidizing bacteria appeared to be limited at the production and regeneration of key chemical species, responsible for metal leaching (like H+ and Fe3+). On the basis of the results obtained during the first experimentation, a second experimental campaign was designed to investigate the effect of the geochemical properties of the sediment. In order to goal this objective, we performed new bioaugmentation experiments with the same acidophilic strains on three different sediment samples, coming from different seaports. The experimental conditions were similar to those in the first set of experiments. The results of this set of experiment confirmed the indirect role of the Fe/S oxidizing bacteria and the key role of iron. Nevertheless, the results pointed out also that the mobilization efficiencies were metal specific and site-specific. Indeed, geochemical properties of the sediment (e.g., the buffering capacity) influence the biological activity of Fe/S oxidizing bacteria and the ability of metals to be stable in the solution phase. However, the kind of metal contaminants involved and the partitioning among the geochemical fractions of the sediment, were found to play an additional role in determining the final bio-mobilization efficiencies. Thus, the maintenance of acid and oxidative conditions, the chemical behavior of each metal species in aqueous environment and the geochemical characteristics of sediment interact intimately to determine the metal mobilization efficiencies. Considering the need for effective and cost-feasible bioremediation strategies, all these evidences need to be taken into account for the definition of sustainable ex-situ treatments. Dissertation outline The last set of experiments addressed the potential of the autochthonous microbial community in influencing the fate of metals in marine contaminated sediments, in connection with eventual in-situ bioremediation strategies. Biostimulation experiments were performed in anoxic conditions, with different amendants. Contrary to what is usually expected, our results pointed out that the biostimulation in anoxic conditions can lead to an increase in metal mobility and that the latter is not necessary associated to solubilization events. Indeed, the microbial community does drive the fate of metals and semi-metals, but biotic factors, like the composition of the microbial assemblages and the kind of biostimulation, produce effects that interacts with geochemical processes driven by the properties of the sediment, the kind of metal contamination and the environmental conditions. As a consequence, the interactions among all these factors are the true vector to determine the fate of metals and semi-metals in contaminated marine sediments. The main results obtained from the whole research were used to outline two conceptual models that summarize and describe the main biogeochemical interactions affecting the fate of (semi-)metals during treatments of bioaugmentation with Fe/S oxidizing bacteria and during biostimulation actions. Although they are simplistic representations of a highly complex set of processes that occur in the reality, the definition of conceptual models can improve our understanding of factors involved in this field. Indeed, a conceptual model that describes the biogeochemical interactions occurring during bioleaching was completely lacking, while the conceptual model obtained by the biostimulation experiments fills the gaps of the existing models and represents an improvement in the understanding of the processes occurring.

2014 - 2015
The purpose of this Ph.D. project was to investigate the potential of the torrefaction treatment for upgrading low-value agro-industrial residues into useable solid fuels to be employed as high-quality energy carriers. The first phase of the project involved a screening of the agro-industrial residues available in Campania region (Italy) with good potentiality for energy applications. As a result of this analysis, tomato processing residues and olive mill residues, which have stood out as those in need of a more sustainable and environmental friendly disposal solution, were at first selected as biomass feedstocks for this Ph.D. project. However, practical difficulties encountered in the pre-treatment of the virgin olive husk (i.e., specifically in reducing the size of olives stone fragments which compose olive mill residues together with the olive pulp) led afterwards to discard such residue as a potential feedstock for the subsequent lab-scale torrefaction tests... [edited by author]
XIV n.s.

Il tirocinio è stato svolto presso l’azienda IMA SpA presso la divisione Active. In particolare, la divisione Active è specializzata nella produzione di macchine per la lavorazione di solidi orali. Il parco macchine della divisione Active si suddivide in due gruppi principali: macchine automatiche e macchine di processo. Le macchine di processo, a cui si rivolge l'elaborato, sono principalmente progettate per la produzione di granulato e il rivestimento di forme solidi orali (compresse). Lo scopo della tesi è confrontare due modalità di conduzione del processo di rivestimento: continuo e batch. Rispettivamente, per il confronto, viene usata la macchina Croma per il caso continuo, e la macchina Perfima 200 per il caso batch. Per capire i parametri che ottimizzano i due processi, dunque le migliori condizioni di lavoro per ottenere le massime prestazioni della macchina, bisogna affidarsi a prove di laboratorio, all’utilizzo di parametri indicatori della bontà del processo (EEF) e all’ausilio del metodo chemiometrico del Design of Experiments (DOE). L’obiettivo principale è la valutazione, a parità di parametri, dell’Environmental Efficiency Factor (EEF) delle due apparecchiature: questo coefficiente ci permette di comprendere se il processo di rivestimento effettuato sia accettabile dando informazioni sulla qualità del prodotto finale. Attraverso lo svolgimento di bilanci di materia e di energia per le due macchine si è ottenuta un’espressione teorica di tale fattore di efficienza che ha consentito di confrontare le performance del processo a batch e di quello in continuo. La tecnica del DOE consente di facilitare l’approccio alla progettazione, ridurre i costi di laboratorio ed ottenere risultati basati su tecniche di analisi statistica; in questo elaborato è stata introdotta nella parte di sviluppi futuri, in quanto, per questioni di tempo, non è stato possibile effettuare un numero di prove tali da ottimizzare i parametri.

Il seguente progetto di dottorato si occupa dello sviluppo di sistemi innovativi per l'abbattimento delle emissioni odorose degli impianti industriali, concentrandosi su due settori industriali sviluppati nella Regione Marche: l'industria del legno e il riciclaggio dei rifiuti vegetali. L'impatto odorigeno delle attività industriali è un grave problema per le attività produttive stesse; anzi, spesso le autorità competenti per il controllo sono costrette ad agire. La causa principale di tali impatti non è sempre dovuta al superamento delle concentrazioni imposte dai limiti di legge; anzi, una pianificazione urbanistica inefficace in passato ha portato all'insediamento di stabilimenti industriali in prossimità di zone residenziali: le molestie olfattive diventano motivo di denuncia dei cittadini, che ostacolano lo svolgimento del lavoro delle aziende. In questo contesto è fondamentale lo sviluppo di sistemi innovativi efficaci, finalizzati al contenimento degli odori provenienti dai processi produttivi. Il presente progetto di ricerca di dottorato è stato cofinanziato da una società (Pan Eco srl), la cui missione è quella di supportare le diverse industrie presenti sul campo nel rispetto delle normative ambientali; in questo settore ottiene autorizzazioni e sviluppa progetti volti al rispetto di tutti i vincoli ambientali. Considerando lo scenario appena descritto e la mission aziendale, l'obiettivo generale del programma di ricerca è stato lo sviluppo di sistemi innovativi per il contenimento delle emissioni odorose in atmosfera da parte di diversi impianti industriali. L'obiettivo generale del progetto è stato raggiunto attraverso obiettivi e attività specifici: - definizione dello stato dell'arte dei sistemi attualmente applicati per l'abbattimento delle emissioni in atmosfera di composti organici, compreso il contesto legislativo. Attraverso la ricerca bibliografica è stata realizzata una sintesi delle principali tecniche di campionamento, analisi e abbattimento delle emissioni odorigene, anche facendo riferimento alle principali normative a livello nazionale ed europeo; - individuazione delle aziende marchigiane (almeno due) con problematiche legate all'impatto olfattivo della produzione industriale. Sono state individuate due società, una operante nel settore del legno e l'altra operante nel riciclaggio dei rifiuti organici; - progettazione e realizzazione di un sistema innovativo di abbattimento delle emissioni. In entrambi i settori presi in considerazione è stato individuato e implementato un innovativo sistema di abbattimento odori: verniciatura UV per il settore legno e vermicomposting per il riciclo dei rifiuti organici; - campionamento, caratterizzazione delle emissioni e valutazione degli eventuali miglioramenti. In entrambe le società è stato effettuato il campionamento delle emissioni utilizzando tecniche consolidate ed è stato valutato l'effettivo abbattimento delle emissioni odorigene con l'introduzione dei sistemi innovativi.
This PhD project deals with the development of innovative systems for the abatement of odorous emissions from industrial plants, focusing on two industrial sectors developed in Marche Region: the wood industry and vegetable waste recycling. The odor impact of industrial activities is a serious problem for the production activities themselves; indeed, the competent authorities for control are often forced to take action. The main cause of such impacts is not always due to an overcoming of the concentrations imposed by the legal limits; indeed, an ineffective urban planning in the past has led to industrial plants located near residential areas: olfactory harassment becomes reason for citizens reports, that hinder the correct operation of companies. The problem of odorous emissions mainly concerns the following companies (Bertoni, 1993): - Companies in the industrial sector (wood industry, chemical industry, oil and gas refineries, foundries, plastic and paint production); - Agri-food companies (meat processing); - Companies that deal with waste and wastewater treatment (landfills and composting companies). In particular, the main odorous compounds are (Bertoni, 1993): - VOCs (Volatile Organic Compounds): aliphatic and aromatic hydrocarbons, phenols, aldehydes and ketons; - VSCs (Volatile Sulfur Compounds): hydrogen sulfide (H2S) and mercaptans (SH); - Nitrogen compounds: ammonia (NH3) and amines. The odorous emission from industrial facilities can be the cause of annoyance to the people living in the surrounding area. A long-term exposure may bring up serious damage to human health such as nausea, headaches and other related respiratory problems (Lebrero et al., 2011; Zarra et al., 2009b). In this context, the development of effective innovative systems is fundamental, aimed at containing odors from the production processes. The present PhD research project has been cofunded by a company (Pan Eco srl), whose mission is to support the various industries in the field compliance with environmental regulations; in this sector, it obtains authorizations and develops projects aimed at respecting all environmental constraints. Considering the scenario just described and the company mission, the general goal of the research program was the development of innovative systems for the containment of odorous emissions into the atmosphere by various industrial plants. The general goal of the project has been achieved through specific objectives and activities: - definition of the state of the art of the systems currently applied for the abatement of atmospheric emissions of organics compounds, including the legislative context. Through bibliographic research, a summary was made regarding the main techniques for sampling, analysis and abatement of odor emissions, also referring to the main laws at national and European level; - identification of companies in the Marche region (at least two) with problems associated with the odor impact of industrial production. Two companies have been identified, one operating in the wood industry and the other operating in the recycling of organic waste; - design and implementation of innovative emissions abatement system. In both sectors taken into consideration, an innovative odor abatement system was identified and implemented: UV painting for wood sector and vermicomposting for the recycling of organic waste; - sampling, characterization of emissions and assessment of the performance. In both companies, the sampling of emissions using consolidated techniques was carried out and the effective abatement of odor emissions was assessed.

La gestione di un’enorme quantità di rifiuti da apparecchiature elettriche ed elettroniche (RAEE), rappresenta un problema rilevante per la nostra società, poichè rischi per l’ambiente e la salute umana, legati ad una scorretta gestione, sono combinati con la perdita di materiali valorizzabili. Questo lavoro ha per oggetto lo sviluppo di processi sostenibili per il recupero di metalli di valore dai RAEE: in particolare, è stata effettuata un’indagine in laboratorio mirata all’estrazione, da schermi a cristalli liquidi, di indio, un metallo recentemente classificato dalla Commissione Europea tra i “critical raw materials”. La sperimentazione ha permesso l’ottimizzazione di un processo con rese di recupero di indio superiori al 90%, basato su operazioni idrometallurgiche. E’ stato studiato inoltre il processo dal punto di vista della sua sostenibilità ambientale, confrontandone l’impatto con quello degli attuali sistemi di gestione degli schermi a cristalli liquidi . La valutazione ha evidenziato che il ciclo di gestione delle acque di processo e pre-trattamenti fisici del pannello finalizzati alla concentrazione del metallo, rappresentano dei fattori chiave per la sostenibilità ambientale del processo. Il lavoro è stato svolto nel contesto di un progetto finanziato dalla Commissione Europea nell’ambito del 7FP, denominato HydroWEEE. Tale progetto aveva per obiettivo la realizzazione di un impianto mobile, con caratteristiche flessibili per il recupero di metalli da diversi RAEE: indio da TV/monitor a cristalli liquidi, ittrio da lampade e tubi catodici, rame oro e argento da circuiti stampati, cobalto da batterie litio-ione. L’attività di ricerca è stata anche finalizzata a valutare la sostenibilità ambientale dei vari processi realizzati nell’impianto mobile, evidenziandone un generale vantaggio (tra il 20 e l’80%) rispetto alla produzione primaria dei metalli. La valutazione dei rischi per i lavoratori nell’impianto mobile conclude lo studio.
The management of a huge quantity of waste from electric and electronic equipment (WEEE) represents a critical issue for the modern society. The negative environmental and health effects due to the improperly management are combined with the loss of valuable materials. The present work focused on the recovery of metals from WEEE with particular attention to indium from end-of-life liquid crystal displays (LCD). The experimental section allowed the optimization of a process that includes an acid leaching characterized by an innovative cross-current design, followed by a cementation with zinc powder. Considering the satisfying efficiencies obtained on the lab scale, higher than 90%, the whole process was studied from an environmental point of view comparing its emissions with those produced by the current management strategies (disposal in landfilling sites, incineration and traditional recycling). A life cycle assessment (LCA) of the different scenarios proved the significant advantage of recycling ways. Moreover, the traditional recycling resulted to be the most favorable, due for both the relevant water consumption of the innovative treatment and to the low indium content in the LCD. Nevertheless, a simple water recirculation system, combined with a physical indium upgrading in the waste, make the innovative option the best choice. The simple design of the optimized process allows its implementation in a mobile plant, built within the European project, HydroWEEE. The plant mobility prevents the impacts due to the waste transport, that contributes to the 30-40% of the currently treatments. Furthermore, this advantage is combined with the possibility to treat several WEEE for the recovery of different metals. The sustainability of this approach was proved by a LCA that highlighted the positive effect also in the comparison with the primary production, with a benefit between 20 and 80%. Last, but not least, the risk for workers in the real mobile plant was assessed.

L'analisi approfondita della normativa sia europea che italiana ha rappresentato il punto di partenza per valutare l'attuale attuazione della normativa in Italia, con un focus particolare sulla Provincia di Ancona. Questo approccio ha consentito di valutare l'attuale performance del sistema di raccolta e riciclo MW, evidenziando le principali criticità legate al residuo biodegradabile nei rifiuti indifferenziati, destinati allo smaltimento. È emerso un dubbio sull'obbligo di un trattamento dei rifiuti indifferenziati, prima dello smaltimento in discarica. Pertanto, è stata effettuata un'analisi a scala reale selezionando come caso studio il sito della discarica di Corinaldo (che raccoglie il MW della provincia di Ancona). La possibilità dello studio in scala reale rappresenta un punto di forza della presente ricerca, rispetto alla letteratura scientifica disponibile, spesso riferita a scala di laboratorio. L'analisi ha valutato l'effetto del trattamento biologico meccanico (MBT) su MW, inviato allo stabilimento di Corinaldo. A tal fine sono state studiate le caratteristiche di smaltimento in due periodi di riferimento (prima e dopo l'avvio dell'impianto MBT). I risultati non hanno individuato miglioramenti significativi dopo l'implementazione dell'MBT, considerata l'elevata efficienza del sistema di raccolta e riciclo ad Ancona. Le ulteriori valutazioni ambientali ed economiche suggeriscono che la migliore strategia di gestione dei MW dovrebbe investire sul sistema di riciclaggio, piuttosto che sulla stabilizzazione del WM, in accordo con i principi dell'economia circolare. A partire da queste osservazioni, il manoscritto presenta uno studio critico dei criteri tecnici della normativa italiana suggerendo una valutazione più approfondita dei parametri per valutare i casi in cui l'MBT (prima dello smaltimento) produce reali benefici sulla gestione del MW. Queste valutazioni dovrebbero essere in grado di bilanciare il beneficio con l'impatto dell'impianto MBT, sia in termini ambientali che economici, negli scenari caratterizzati da un sistema di riciclaggio virtuoso
The deepened analysis of both European and Italian norms represented the starting point to evaluate the current implementation of legislation in Italy, with a particular focus on Ancona Province. This approach allowed the assessment of the current performance of MW collection and recycling system, highlighting the main criticalities connected to the biodegradable residue in the undifferentiated waste, intended for the disposal. A doubt emerged about the obligation of a treatment of undifferentiated waste, before the disposal in landfilling sites. Therefore, a real scale analysis was carried out selecting the Corinaldo landfilling site (which collects the MW of Ancona Province) as case study. The possibility of the real scale study represents a strength of the present research, compared to the available scientific literature, often referred to lab scale. The analysis evaluated the effect of the mechanical biological treatment (MBT) on MW, sent to Corinaldo facility. With this aim, the characteristics of disposal in two reference periods (before and after the MBT facility starting) were studied. The results did not identify significant improvements after the implementation of the MBT, considering the high efficiency of collection and recycling system in Ancona. The further environmental and economic assessments suggest that the best strategy of MW management should invest on recycling system, rather than the WM stabilization, in agreement with the circular economy principles. Starting from these observations, the manuscript presents a critical study of the technical criteria of the Italian norms suggesting a more deepened evaluation of parameters to assess the cases in which the MBT (before the disposal) produces real benefits on MW management. These evaluations should be able to balance the benefit with the MBT facility impact, both in environmental and economic terms, in the scenarios characterized by a virtuous recycling system.

In this Thesis a stochastic approach to model antisolvent crystallization processes is addressed. The motivations to choice a stochastic approach instead of a population balance modeling has been developed to find a simple and an alternative way to describe the evolution of the Crystal Size Distribution (CSD), without consider complex thermodynamic and kinetic aspects of the process. An important parameter to consider in crystallization process is the shape of the CSD (in terms of variance) and the mean size of crystals in order to optimize the filtering of the final product and then increase the production. The crystallization processes considered in this Thesis are the antisolvent crystallization processes used in particular when the solute is weakly temperature-sensitive and then a second solvent, properly called antisolvent, is added in the solution favoring the crystallization of the solute. In antisolvent crystallization processes it is important the consumption of the second solvent added, in particular, optimizing the feed-rate and coupling the process in synergy with cooling crystallization in order to improve the production and the quality of the desired product. The stochastic approach used in this Thesis is based on the Fokker Plank Equation (FPE), which has allowed finding an analytical solution of the model, with some assumptions, and obtaining an analytical model able to describe the evolution of the mean size of crystals and the variance of the CSD. This analytical solution has leaded to develop an analytical relationship between the evolution in time of the first two stochastic moments of the FPE, such as mean and variance, and the manipulated variables, such as antisolvent feed-rate and temperature, obtaining as a result a map showing the asymptotic moments obtainable within a certain range of operating conditions. This Thesis also analyzes the physical-chemical aspects of the antisolvent crystallization processes, including the temperature effects, finding a strong influence onto the nucleation and growth rate of crystals due by the hydrogen bond strength between solventantisolvent molecules despite of the molecular interaction in a solvated system.The physical-chemical consideration concerning the antisolvent crystallization processes allowed to better understand the influence of the second solvent added, consequently optimizing the choice for the proper antisolvent to use with a proper feed-rate and temperature profile, minimizing the energy consumptions, in order to obtain the desired product. The stochastic model and the physical-chemical considerations have been validated with experimental data performed in a laboratory scale crystallizer. The experimental samples have been analyzed using an optical microscope and then the images taken have been manually processed in order to obtain the experimental CSDs.

La crescita dei rifiuti da apparecchiature elettriche ed elettroniche ha spinto la ricerca verso lo sviluppo di processi sostenibili per la loro valorizzazione. I circuiti stampati (CS) a fine vita rappresentano uno dei principali rifiuti di questa categoria. L’interesse per questi scarti è dovuto alla concentrazione di Cu e Zn, corrispondente a circa il 25% e 2% rispettivamente. L’interesse per le biotecnologie continua a crescere come possibile strategia per la loro valorizzazione. Tuttavia, il limite principale di questi approcci è la bassa concentrazione dei CS trattati, il che li rende poco applicabili a livello industriale. Per superare tale criticità, questa ricerca introduce un approccio biotecnologico innovativo condotto con At. ferrooxidans. Il processo sviluppato permette di aumentarne la concentrazione grazie ad un approccio in più fasi, in grado di ridurre la tossicità dei metalli sul metabolismo dei batteri. Il processo usa il Fe3+ prodotto dall’ossidazione batterica per lisciviare il Cu e lo Zn dai CS. Le condizioni migliori individuate sono: 30°C, concentrazione dei CS del 5% (m/v), 10 g/L di Fe2+, tempo di trattamento di 11 giorni. La cinetica della reazione chimica tra il Cu e il Fe3+ è stata studiata tramite un modello matematico ed è stata stimata un’energia di attivazione pari a 18-25 kJ/mol. Il meccanismo del processo biologico è stato studiato nel dettaglio integrando i risultati del precedente modello con due equazioni differenziali per descrivere il tasso di crescita e il metabolismo del batterio. Il modello sviluppato è consistente con un R2 superiore a 0.97. Inoltre, questo modello potrebbe essere utile per lo sviluppo di tale tecnologia a livello industriale. Nella fase successiva, la ricerca si è focalizzata sul recupero selettivo dei metalli dalla soluzione di lisciviazione. Le migliori condizioni operative individuate sono: precipitazione del Fe con NaOH, seguita dal processo di cementazione del Cu con lo Zn e il recupero finale dello Zn con acido ossalico. Le efficienze e purezze dei metalli recuperati sono superiori al 95%. I risultati sperimentali sono ulteriormente valorizzati dallo studio della carbon footprint, che ha dimostrato il vantaggio ambientale del nuovo approccio, confrontandolo con il trattamento chimico con Fe3+ e con processi riportati in letteratura (idrometallurgici e biotrattamenti). La valutazione dell’impatto ambientale ha guidato l’ottimizzazione del processo sviluppato in scala laboratorio. Grazie a questo metodo, sono state identificate le condizioni migliori affinché il processo biotecnologico sia realmente l’approccio più sostenibile. In generale, la valutazione ambientale ha individuato come principali problemi: la richiesta di energia nel processo di biolisciviazione e la quantità di materie prime nel recupero selettivo dei metalli. Questi risultati preliminari hanno determinato la scelta degli esperimenti successivi. Nel dettaglio, il processo biotecnologico è stato migliorato aumentando la concentrazione dei CS da 5% al 10% (m/v) mantenendo efficienze superiori al 95% per entrambi i metalli. Questo miglioramento ha permesso di dimezzare la richiesta di energia. Inoltre, il carico ambientale del processo di recupero può essere ridotto o escludendo il recupero dello Zn o sostituendo le tecniche idrometallurgiche con approcci elettrochimici. Nell’ultimo capitolo, si è preso in considerazione un processo biotecnologico alternativo, utilizzando il fungo A. niger per estrarre i metalli dai CS. Le condizioni migliori identificate includono l’aggiunta dei CS dopo 14 giorni, l’uso del Fe3+ e una concentrazione del substrato pari a 2.5% (m/v). Efficienze d’estrazione pari al 60% per il Cu e al 40% per lo Zn sono state ottenute dopo 21 giorni di fermentazione. Il design del processo è stato ulteriormente migliorato utilizzando il siero del latte come substrato per la crescita fungina e la produzione di acido citrico.
The increase of waste from electric and electronic equipment has pushed the research towards the development of high sustainability treatments for their exploitation. The end-of-life printed circuit boards (PCBs) represent one of the most significant waste in this class. The interest for these scraps is due to the high Cu and Zn concentrations, around 25% and 2% respectively. Biohydrometallurgical strategies are gaining increasing prominence, for the possibility to decrease the environmental costs. Nevertheless, these techniques show the main limit due to the low treated PCB amount, which makes unsustainable the further scale-up. To overcome this criticality, the present research introduces an innovative bioleaching process carried out by At. ferrooxidans. The developed technology allows to reach high PCB concentration thanks to a high efficiency two-step design, able to reduce the metal toxicity on the bacteria metabolism. The treatment uses the Fe3+ generated by bacterial oxidation, as oxidant, to leach Cu and Zn from PCBs. The possibility to overcome the solid concentration criticality is combined with high yield of 95% for Cu and Zn. The best selected conditions are: 30°C, pulp density of 5% (w/v), 10 g/L of Fe2+, time of treatment 11 days. A mathematical model to study the kinetic of the chemical reaction for the Cu leaching from PCBs, by Fe3+, is reported and an activation energy of 18-25 kJ/mol is estimated. The mechanism of the bioleaching process is studied in detail, integrating the previous model results with two differential equation to describe the bacteria growth and metabolism rate. The developed model is consistent with a R2 higher than 0.97. The results confirm the positive effect of the new innovative process. The determined mathematical model, suitable for the implementation at industrial scale, could be an important tool to predict the bioleaching mechanism. In the next step, the research is focused on the selective metal recovery from the leaching solution. The best identified conditions include: the Fe precipitation with NaOH, followed by the Cu cementation with Zn and a final Zn precipitation with oxalic acid. The metals show recovery efficiencies and purities higher than 95%. The experimental results are further enhanced by the carbon footprint assessment which proved the environmental advantage, compared to both the reference chemical treatment through Fe3+ and literature processes (hydrometallurgical and bioleaching approaches). The environmental impact assessment drives the optimization and improvement of the developed process in laboratory scale. It is used to identify the best conditions for the bioleaching process able to make the treatment actually sustainable. Overall, the environmental assessment identifies, as main criticalities to solve: the high energy demand of bioleaching process and the raw materials demand of the following recovery steps. These preliminary results have determined the choices in the further experiments. More in detail, the bioleaching process is improved by the increase of treated PCB concentration from 5% to 10% (w/v) maintaining a leaching efficiency higher than 95% for Cu and Zn. This technical improvement is translated into the halved of energy demand. Furthermore, the environmental load of recovery can be reduced by a double strategy: avoiding Zn recovery or substituting the hydrometallurgical techniques by electrochemical approaches. In the last chapter, a sustainable process, which uses the fungal strain Aspergillus niger for metal extraction from PCBs, is described. The best identified conditions are PCB addition after 14 days, Fe3+ as oxidant agent, and a pulp density of 2.5% (w/v). Extraction efficiencies of 60% and 40% for Cu and Zn, respectively, are achieved after 21 days of fermentation. The ecodesign of the process is further enhanced by using milk whey as substrate for the fungal growth and the consequent citric acid production.

Aim of my research was that of determining the logical meaning of the Objectivity section within Hegel's work Science of Logic. The starting point of my dissertation has been a careful analysis of all those objections moved against Hegel's inclusion - within the Science of Logic - of the section and all its chapters (Mechanism, Chimism, and Teleology): such an inclusion, it has been claimed, seems to indicate a departure of logic from pure thought. Through a careful analysis of the gymnasial courses held by Hegel in Nuernberg, I was able to isolate some elements and logical structures particularly relevant to delineate the genesis of the section. With such elements at hand, in the second part of the dissertation, I have analysed the Science of Logic, trying to explain how the Objectivity section should be taken rather as a prosecution and a completion of the logical elements and of the speculative meaning of the Subjectivity section.

Although batch processes are “simple” in terms of equipment and operation design, it is often difficult to ensure consistently high product quality. The aim of this PhD project is the development of multivariate statistical methodologies for the realtime monitoring of quality in batch processes for the production of high value added products. Two classes of products are considered: those whose quality is determined by chemical/physical characteristics, and those where surface properties define quality. In particular, the challenges related to the instantaneous estimation of the product quality and the realtime prediction of the time required to manufacture a product in batch processes are addressed using multivariate statistical techniques. Furthermore, novel techniques are proposed to characterize the surface quality of a product using multiresolution and multivariate image analysis. For the first class of products, multivariate statistical soft sensors are proposed for the real-time estimation of the product quality and for the online prediction of the length of batch processes. It is shown that, to the purpose of realtime quality estimation, the complex series of operating steps of a batch can be simplified to a sequence of estimation phases in which linear PLS models can be applied to regress the quality from the process data available online. The resulting estimation accuracy is satisfactory, but can be substantially improved if dynamic information is included into the models. Dynamic information is provided either by augmenting the process data matrix with lagged measurements, or by averaging the process measurements values on a moving window of fixed length. The process data progressively collected from the plant can be exploited also by designing time-evolving PLS models to predict the batch length. These monitoring strategies are tested in a real-world industrial batch polymerization process for the production of resins, and prototypes of the soft sensor are implemented online. For products where surface properties define the overall quality, novel multiresolution and multivariate techniques are proposed to characterize the surface of a product from image analysis. After analyzing an image of the product surface on different levels of resolutions via wavelet decomposition, the application of multivariate statistical monitoring tools allow the in-depth examination of the product features. A two-level “nested” principal component analysis (PCA) model is used for surface roughness monitoring, while a new strategy based on “spatial moving window” PCA is proposed to analyze the shape of the surface pattern. The proposed approach identifies the abnormalities on the surface and localizes defects in a sensitive fashion. Its effectiveness is tested in the case of scanning electron microscope images of semiconductor surfaces after the photolithography process in the production of integrated circuits.
Nonostante i processi batch siano relativamente semplici da configurare e da gestire anche con un livello limitato di automazione e una conoscenza ridotta dei meccanismi che ne stanno alla base, spesso è difficile assicurare una qualità del prodotto finito riproducibile ed elevata. La strumentazione comunemente utilizzata nella pratica industriale riesce solo raramente a fornire misure in tempo reale della qualità di un prodotto. Inoltre, molte complicazioni nascono dalla natura multivariata della qualità, la quale dipende da una serie di parametri fisici, operativi o addirittura soggettivi. Sebbene le informazioni sulla qualità del prodotto non siano facilmente accessibili, esse sono racchiuse nelle variabili di processo abitualmente registrate dai calcolatori di processo e memorizzate in banche di dati storici. I metodi statistici multivariati permettono di ridurre la dimensione del problema proiettando le variabili di processo in uno spazio di dimensioni ridotte costituito di variabili fittizie che sono in grado di mantenere tutto il contenuto informativo sulla qualità, superando i problemi del rumore di misura delle variabili, della ridondanza e dell’elevato grado di correlazione. Inoltre, questi metodi sono in grado di trattare dati anomali o dati mancanti. Lo scopo di questa Tesi di Dottorato è di sviluppare dei sistemi innovativi per il monitoraggio della qualità di prodotti dall’alto valore aggiunto mediante tecniche statistiche multivariate. In particolare, i contributi scientifici di questo progetto di Dottorato sono: • l’elaborazione di tecniche per lo sviluppo di sensori virtuali per la stima in tempo reale della qualità del prodotto in sistemi produttivi di tipo batch; • l’applicazione non convenzionale di tecniche di proiezione su sottospazi latenti al fine di prevedere la durata di un batch o delle relative fasi operative; • lo sviluppo di metodiche innovative per il monitoraggio multirisoluzione e multivariato della qualità mediante l’analisi di immagini di un prodotto dall’alto valore aggiunto. Innanzi tutto, in questa Tesi vengono proposti sensori virtuali per la stima in linea della qualità del prodotto. Essi sono stati sviluppati e implementati prendendo in considerazione il caso di studio un processo industriale reale per la produzione di resine mediante polimerizzazione batch. I sensori virtuali proposti sono basati sulla tecnica statistica multivariate della proiezione su strutture latenti (PLS), che opera una regressione delle misure di processo usualmente disponibili in linea in tempo reale. Questo sistema riesce a garantire una accuratezza delle stime della qualità che è dello stesso ordine di grandezza delle misure di qualità fatte in laboratorio, col vantaggio che le stime in linea sono disponibili con altissima frequenza (sull’ordine di grandezza di s-1), cioè una frequenza centinaia di volte superiore delle misure che possono essere fatte in laboratorio (sull’ordine di grandezza di h-1). Inoltre, le stime sono accessibili in tempo reale e senza il ritardo che è tipico delle misure di laboratorio. Al fine di compensare le non linearità dei dati e i cambiamenti nella struttura di correlazione fra le variabili, la procedura adottata divide il batch in una sequenza di un numero limitato di fasi di stima, all’interno delle quali lo stimatore virtuale è in grado di dare stime molto accurate per mezzo di modelli PLS lineari. Il passaggio da una fase a quella successiva avviene in corrispondenza di alcuni “eventi” facilmente riconoscibili nelle stesse variabili di processo. La caratteristica principale del sensore virtuale proposto è che esso tiene conto di informazioni sulla dinamica del processo per mezzo di modelli a “variabili ritardate” (i quali aggiungono informazioni sulla dinamica del processo da valori passati delle variabili di processo) o modelli a media mobile. Il filtro a media mobile aggiunge una “memoria temporale” al sensore virtuale che migliora l’accuratezza di stima e, mediando le variabili di processo all’interno di una finestra temporale di dimensione fissata, riesce ad eliminare il rumore di misura, attenuare il rumore di processo, appiattire valori anomali e compensare l’effetto di temporanee mancanze di dati. L’ampiezza della finestra deve comunque essere scelta con cautela, dato che una finestra temporale troppo larga potrebbe ritardare gli allarmi sull’attendibilità della stima. Da un punto di vista operativo, il sistema proposto aiuta il personale che opera nell’impianto a rilevare delle derive sulla qualità del prodotto, suggerisce tempestivamente le correzioni da apportare alla ricetta del processo, e aiuta a minimizzare i fuori specifica del prodotto finale. Inoltre, il numero di campioni per la misura della qualità in laboratorio può essere ridotto drasticamente, la qual cosa determina un guadagno sia sul tempo totale del batch, sia sui costi relativi al laboratorio che alla manodopera e alla sua organizzazione. Anche una seconda tipologia di sensori virtuali è stata sviluppata per assistere il monitoraggio in linea della qualità del prodotto e per fornire informazioni utili per una programmazione efficace della produzione: un sensore virtuale per la previsione in tempo reale della durata del batch. Questa strategia di monitoraggio si basa su modelli PLS evolutivi che sfruttano le informazioni progressivamente raccolte nel tempo durante il batch per prevedere la durata del batch o di ciascuno dei relativi stadi operativi. Anche l’accuratezza ottenuta dalle previsioni ottenute con questo sensore virtuale è del tutto soddisfacente, dato che l’errore di previsione è molto inferiore sia alla variabilità delle durata del batch che alla durata dei turni di lavoro degli operatori. Inoltre, la parte iniziale del batch conferma di essere di importanza fondamentale per la durata, in quanto le condizioni iniziali delle attrezzature, lo stato delle materie prime, e la fase di riscaldamento iniziale del reattore esercitano una grandissima influenza sulle prestazioni del batch stesso. Le informazioni che si ricavano sulla durata con grande anticipo rispetto alla fine del batch permettono una migliore organizzazione degli interventi sull’impianto, degli operatori d’impianto e dell’utilizzazione delle apparecchiature. L’efficacia dei sensori per la stima della qualità e per la previsione della durata del batch è stata verificata applicandoli ed implementandoli in linea nel caso della produzione di resine mediante polimerizzazione batch. Infine, i metodi statistici multivariati sono stati utilizzati anche nel campo dell’analisi dell’immagine. Abitualmente, nella pratica industriale, le ispezioni di un prodotto mediante analisi dell’immagine vengono svolte con semplici misurazioni dei più importanti parametri fisici opportunamente messi in evidenza per mezzo di tecniche di filtrazione. Inoltre, queste misure vengono ottenute in modo non sistematico. Molte informazioni utili restano però “nascoste” nelle immagini. Queste permettono di identificare la natura complessa della qualità del prodotto finale. Per questo è stato sviluppato un sistema totalmente automatizzato per il monitoraggio in tempo reale da immagini di un manufatto dall’alto valore aggiunto. Questo sistema di monitoraggio basato su tecniche multirisoluzione e multivariate è stato applicato al caso della caratterizzazione della superficie di un semiconduttore dopo fotolitografia, un’operazione fra le più importanti nella fabbricazione di circuiti integrati. Tecniche avanzate di analisi multivariata dell’immagine estraggono le tracce che il processo lascia sul prodotto, aiutando sia il rilevamento di situazioni critiche nel processo che l’intervento con azioni correttive a neutralizzare eventuali problemi. L’approccio proposto in questa Tesi si basa su un filtraggio preliminare multirisoluzione dell’immagine mediante wavelet, seguito da uno schema di monitoraggio che conduce in parallelo un’analisi della rugosità superficiale e della forma della superficie di un prodotto. Ad esempio, la rugosità della superficie può essere esaminata con una analisi delle componenti principali “nidificata”. Questa è una strategia che si articola su due differenti livelli: il livello esterno che permette di discriminare parti differenti della superficie per mezzo di una analisi dei gruppi con PCA; il livello interno esegue il monitoraggio della rugosità superficiale con PCA. La forma della superficie viene analizzata per mezzo di un approccio PCA a “finestra mobile nello spazio”, il quale coglie l’informazione dell’immagine secondo il relativo ordine nello spazio e riesce anche a tener conto sia delle non linearità che delle differenze strutturali della superficie. Questo sistema è in grado di rilevare alcune delle caratteristiche qualitative del prodotto che abitualmente non sono accessibili senza richiedere l’intervento dell’uomo. Inoltre, il monitoraggio risulta essere veloce, attendibile e non ambiguo, ed esegue una scansione di un’immagine del prodotto localizzando in modo preciso difetti e anomalie e rilevando eventuali derive del processo. In conclusione, nonostante le metodologie proposte siano state testate su specifici casi di studio, esse hanno dimostrato di essere generali e vantano un grande potenziale. Per questo si ritiene sia possibile estenderle a differenti campi di ricerca e a diverse applicazioni industriali (ad esempio: ingegneria alimentare; industria farmaceutica; biotecnologie; etc…), nonché a differenti scale di indagine, dalla scala macroscopica alla microscopica o nanoscopica.

Quando eventi naturali come terremoti, alluvioni e frane colpiscono aree urbane ad alta densità abitativa, si possono generare grandi quantità di rifiuti e detriti. Ad esempio, in Italia, la forte urbanizzazione degli anni ‘50 e l'aumento demografico hanno portato ad un uso improprio del territorio, a volte illegale, con la costruzione di strutture vulnerabili in territori ad alto rischio sismico e idrogeologico. La peculiarità di eventi come terremoti e alluvioni è la grande produzione di rifiuti (macerie e detriti), in un tempo molto breve. Questo genera un forte impatto e numerosi problemi durante la gestione dell’emergenza. Una errata gestione di questi rifiuti in caso di calamità può causare danni ambientali rilevanti, perdite economiche significative ed anche impatti psicologici sulle popolazioni colpite, già soggette ad alti livelli di stress. I rifiuti prodotti possono avere caratteristiche diverse; tali differenze sono principalmente dovute al tipo di disastro, macerie per i terremoti e detriti per le alluvioni, all’area geografica, zone rurali contro aree costiere, alla densità abitativa, aree fortemente antropizzate produrranno una risposta molto differente rispetto a zone industriali a bassa densità abitativa. Lo studio della letteratura scientifica dimostra che le informazioni relative alla gestione dei rifiuti di emergenza sono ancora molto scarse, mancano protocolli e piani di emergenza specifici per gestire questa particolare tipologia di rifiuti. Queste mancanze obbligano le autorità locali e la protezione civile ad utilizzare metodi empirici, maturati dall’esperienza sul campo. Lo stato dell’arte attuale impone la ricerca e la definizione di protocolli per la gestione dei rifiuti in emergenza, al fine di colmare queste lacune e fornire uno strumento di supporto da utilizzare durante le emergenze. Questa ricerca scientifica si concentra sulla definizione di migliori pratiche di gestione dei rifiuti in emergenza. Il lavoro parte dall’analisi di determinati casi studio italiani e prosegue con la definizione di diversi scenari possibili per la gestione di rifiuti dopo terremoti o alluvioni. per ricercare le. Attualmente in Italia manca una legislazione specifica ed anche un protocollo standardizzato, che potrebbe favorire una strategia di recupero più efficiente. In questo contesto, è importante considerare l’impatto ambientale generato dalle differenti strategie di gestione dei rifiuti (ad esempio, la creazione di un deposito temporaneo dove pretrattare il materiale). Con questi presupposti, una valutazione del ciclo di vita (LCA) del materiale trattato ed una analisi economica si sono rivelati gli strumenti vincenti per identificare l’impatto ambientale ed economico generato delle diverse strategie di gestione ipotizzate, identificandone anche i principali punti critici.
The intensification of extreme natural events, caused by climate change, together with strong urbanization, makes it essential for society to be prepared to cope with these emergency situations. The main priority after a natural event, that hit an anthropized area, is to save all human lives involved in the disaster. Subsequently, it will be necessary to restore a normal situation. Events such as floods, landslides and earthquakes generate a huge amount of debris and rubbles, creating numerous problems during emergency activities. To remedy this, it will be necessary to clean up the affected area as soon as possible, from this material. To ensure that the disaster waste management is efficient, it is necessary to have a protocol or at least a guideline to follow. In the world, a lot of protocols exist to manage the emergency situation after the natural event, but there is not enough information for the disaster waste management. This lack drives local authorities to use empirical management methods. The empirical method is based on experience in the field and does not take into account a scientific methodological approach, that analyses the environmental and economic impact generated by the disaster waste management. The guiding principles should be the reduction of the environmental footprint and of management costs; however, the emergency does not allow to carry out such analyses before choosing a strategy for the management of waste, due to the lack of time.

The doctoral thesis focuses on a novel integrated process for the recovery and valorisation of acid and metal salts present in the waste solutions of the pickling process. The proposed process is based on the integration of two innovative membrane technologies, the Diffusion Dialysis and the Membrane Distillation, coupled with a reactive precipitation section. This hybrid process allows the recovery and the enhancement of waste solutions, as well as optimal operating conditions for the continuous pickling process, thus improving its efficiency. Hydrochloric acid recovery was assessed through a detailed study on the Diffusion Dialysis process by implementing a wide experimental campaign using artificial solutions produced in laboratory, in order to understand and characterize the system. A mathematical model was developed with time and space distributed-parameters structure for the effective simulation of steady state and transient batch operations, thus providing an operative tool for the design and optimization of DD units. Selective separation of metal salts was reached by precipitating ferric hydroxide and maintaining ammonium and zinc chlorides in solution, which can be used as fluxing solution in the galvanizing process itself, thus implementing the typical Circular Economy concept. The feasibility of the proposed process is demonstrated through the use of a purposely developed process simulator able to predict steady state operation of the integrated process and to perform sensitivity analysis for the identification of the best operating conditions of the system. An experimental campaign was carried out with a demonstrator unit, jointly designed and constructed by Fraunhofer ISE (Freiburg, Germany), eventually installed in the real industrial environment of Tecnozinco s.r.l hot-dip galvanizing plant in Carini, Sicily. The campaign assessed the integration performance of the different units and the process reliability, resulting in a minimization of spent pickling solution disposal and in high quality recovered compounds. An engineering economic analysis was carried out in order to assess the economic feasibility of the proposed process. The economic model was implemented in the gPROMS simulation platform and was used to conduct an optimization analysis, defining the optimal operational and design conditions for which the process is more profitable and performing. The process simulator was also used to provide a scale-up of the demonstrator plant. The results have shown that the process has a good potential for industrial implementation, thanks to the economic and environmental benefits.

With the introduction of the Quality-by-Design (QbD) initiative, the American Food and Drug Administration and the other pharmaceutical regulatory Agencies aimed to change the traditional approaches to pharmaceutical development and manufacturing. Pharmaceutical companies have been encouraged to use systematic and science-based tools for the design and control of their processes, in order to demonstrate a full understanding of the driving forces acting on them. From an engineering perspective, this initiative can be seen as the need to apply modeling tools in pharmaceutical development and manufacturing activities. The aim of this Dissertation is to show how statistical modeling, and in particular latent variable models (LVMs), can be used to assist the practical implementation of QbD paradigms to streamline and accelerate product and process design activities in pharmaceutical industries, and to provide a better understanding and control of pharmaceutical manufacturing processes. Three main research areas are explored, wherein LVMs can be applied to support the practical implementation of the QbD paradigms: process understanding, product and process design, and process monitoring and control. General methodologies are proposed to guide the use of LVMs in different applications, and their effectiveness is demonstrated by applying them to industrial, laboratory and simulated case studies. With respect to process understanding, a general methodology for the use of LVMs is proposed to aid the development of continuous manufacturing systems. The methodology is tested on an industrial process for the continuous manufacturing of tablets. It is shown how LVMs can model jointly data referred to different raw materials and different units in the production line, allowing to understand which are the most important driving forces in each unit and which are the most critical units in the line. Results demonstrate how raw materials and process parameters impact on the intermediate and final product quality, enabling to identify paths along which the process moves depending on its settings. This provides a tool to assist quality risk assessment activities and to develop the control strategy for the process. In the area of product and process design, a general framework is proposed for the use of LVM inversion to support the development of new products and processes. The objective of model inversion is to estimate the best set of inputs (e.g., raw material properties, process parameters) that ensure a desired set of outputs (e.g., product quality attributes). Since the inversion of an LVM may have infinite solutions, generating the so-called null space, an optimization framework allowing to assign the most suitable objectives and constraints is used to select the optimal solution. The effectiveness of the framework is demonstrated in an industrial particle engineering problem to design the raw material properties that are needed to produce granules with desired characteristics from a high-shear wet granulation process. Results show how the framework can be used to design experiments for new products design. The analogy between the null space and the Agencies’ definition of design space is also demonstrated and a strategy to estimate the uncertainties in the design and in the null space determination is provided. The proposed framework for LVM inversion is also applied to assist the design of the formulation for a new product, namely the selection of the best excipient type and amount to mix with a given active pharmaceutical ingredient (API) to obtain a blend of desired properties. The optimization framework is extended to include constraints on the material selection, the API dose or the final tablet weight. A user-friendly interface is developed to aid formulators in providing the constraints and objectives of the problem. Experiments performed industrially on the formulation designed in-silico confirm that model predictions are in good agreement with the experimental values. LVM inversion is shown to be useful also to address product transfer problems, namely the problem of transferring the manufacturing of a product from a source plant, wherein most of the experimentation has been carried out, to a target plant which may differ for size, lay-out or involved units. An experimental process for pharmaceutical nanoparticles production is used as a test bed. An LVM built on different plant data is inverted to estimate the most suitable process conditions in a target plant to produce nanoparticles of desired mean size. Experiments designed on the basis of the proposed LVM inversion procedure demonstrate that the desired nanoparticles sizes are obtained, within experimental uncertainty. Furthermore, the null space concept is validated experimentally. Finally, with respect to the process monitoring and control area, the problem of transferring monitoring models between different plants is studied. The objective is to monitor a process in a target plant where the production is being started (e.g., a production plant) by exploiting the data available from a source plant (e.g., a pilot plant). A general framework is proposed to use LVMs to solve this problem. Several scenarios are identified on the basis of the available information, of the source of data and on the type of variables to include in the model. Data from the different plants are related through subsets of variables (common variables) measured in both plants, or through plant-independent variables obtained from conservation balances (e.g., dimensionless numbers). The framework is applied to define the process monitoring model for an industrial large-scale spray-drying process, using data available from a pilot-scale process. The effectiveness of the transfer is evaluated in terms of monitoring performances in the detection of a real fault occurring in the target process. The proposed methodologies are then extended to batch systems, considering a simulated penicillin fermentation process. In both cases, results demonstrate that the transfer of knowledge from the source plant enables better monitoring performances than considering only the data available from the target plant.
La recente introduzione del concetto di Quality-by-Design (QbD) da parte della Food and Drug Administration e delle altre agenzie di regolamentazione farmaceutica ha l’obiettivo di migliorare e modernizzare gli approcci tradizionalmente utilizzati dalle industrie farmaceutiche per lo sviluppo di nuovi prodotti e dei relativi processi produttivi. Scopo dell’iniziativa è di incoraggiare le industrie stesse all’utilizzo di procedure sistematiche e basate su presupposti scientifici sia nella fase di sviluppo di prodotto e processo, che nella fase di conduzione del processo produttivo stesso. A tal proposito, le Agenzie hanno definito paradigmi e linee guida per agevolare l’implementazione di queste procedure in ambito industriale, favorendo una migliore comprensione dei fenomeni alla base dei processi produttivi, in maniera da assicurare un controllo stringente sulla qualità dei prodotti finali, in termini di proprietà fisiche, ma soprattutto di efficacia e sicurezza per i pazienti. Da un punto di vista ingegneristico, il Quality-by-Design può essere visto come il tentativo di introdurre principi di modellazione in ambiti di sviluppo e di produzione farmaceutica. Questo offre enormi opportunità all’industria farmaceutica, che può beneficiare di metodologie e strumenti ormai maturi, già sperimentati in altri settori industriali maggiormente inclini all’innovazione tecnologica. Allo stesso tempo, non va tralasciato il fatto che l’industria farmaceutica presenta caratteristiche uniche, come la complessità dei prodotti, le produzioni tipicamente discontinue, diversificate e in bassi volumi e, soprattutto, lo stretto controllo regolatorio, che richiedono strumenti dedicati per affrontare i problemi specifici che possono sorgere in tale ambiente. Per questi motivi, vi è l’esigenza di concepire metodologie che siano adeguate alle peculiarità dell’industria farmaceutica, ma al tempo stesso abbastanza generali da poter essere applicate in un’ampia gamma di situazioni. L’obiettivo di questa Dissertazione è dimostrare come la modellazione statistica, e in particolar modo i modelli a variabili latenti (LVM, latent variable models), possano essere utilizzati per guidare l’implementazione pratica dei principi fondamentali del Quality-by-Design in fase di sviluppo di prodotto e di processo e in fase di produzione in ambito farmaceutico. In particolare, vengono proposte metodologie generali per l’impiego di modelli a variabili latenti nelle tre aree principali sulle quali l’iniziativa del Quality-by-Design si fonda: il miglioramento della comprensione sui processi, la progettazione di nuovi prodotti e processi produttivi, e il monitoraggio e controllo di processo. Per ciascuna di queste aree, l’efficacia della modellazione a variabili latenti viene dimostrata applicando i modelli in diversi casi studio di tipo industriale, di laboratorio, o simulati. Per quanto riguarda il miglioramento della comprensione sui processi, nel Capitolo 3 è proposta una strategia generale per applicare LVM nello sviluppo di sistemi di produzione in continuo. L’analisi è applicata a supporto dello sviluppo di un processo industriale continuo di produzione di compresse su scala pilota. La procedura si basa su tre fasi fondamentali: i) una fase di gestione dei dati; ii) una fase di analisi esplorativa; iii) una fase di analisi globale. Viene mostrato come i parametri dei modelli costruiti a partire dai dati del processo possano essere interpretati sulla base di principi fisici, permettendo di identificare le principali forze motrici che agiscono sul sistema e di ordinarle a seconda della loro importanza. Questo può essere utile per supportare una valutazione dei rischi necessaria a definire una strategia di controllo per il processo e per guidare la sperimentazione fin dalle prime fasi dello sviluppo. In particolare, nel caso studio considerato, la metodologia proposta individua nel processo utilizzato per macinare le particelle di principio attivo e nella sezione nella quale il principio attivo è formulato le principali fonti di variabilità entranti nel sistema con effetto sulle proprietà fisiche del prodotto finale. Dall’analisi globale, è mostrato come l’utilizzo di modelli a variabili latenti a blocchi multipli permetta di individuare le unità del processo più critiche e, all’interno di ciascuna di esse, le variabili più critiche per la qualità del prodotto. Inoltre questi modelli si dimostrano particolarmente utili nell’identificare le traiettorie lungo le quali il processo si muove, a seconda delle proprietà delle materie prime e dei parametri di processo utilizzati, fornendo così uno strumento per garantire che l’operazione segua la traiettoria designata. Nell’ambito della progettazione di nuovi prodotti e processi, l’efficacia dei modelli a variabili latenti è dimostrata nel Capitolo 4, dove è proposta una procedura generale basata sull’inversione di LVM per supportare lo sviluppo di nuovi prodotti e la determinazione delle condizioni operative dei rispettivi processi di produzione. L’obiettivo della procedura proposta è quello di fornire uno strumento atto a dare un’adeguata formalizzazione matematica, in termini di inversione di LVM, al problema di progettazione, secondo gli obiettivi e i vincoli che il problema stesso può presentare. Dal momento che l’inversione di LVM può avere soluzioni multiple, vengono individuati quattro possibili problemi di ottimizzazione, tramite i quali effettuare l’inversione. L’obiettivo dell’inversione del modello è di stimare le condizioni ottimali in ingresso al sistema (in termini, per esempio, di caratteristiche delle materie prime o di parametri di processo) che assicurino di raggiungere la qualità desiderata per il prodotto in uscita. La procedura è applicata con successo in un caso studio industriale, per la determinazione delle proprietà delle materie prime in ingresso a un processo di granulazione a umido, con l’obiettivo di ottenere in uscita granuli con determinate caratteristiche di qualità. È inoltre esaminato il concetto di spazio nullo, lo spazio cioè cui appartengono tutte le soluzioni di un problema di inversione di LVM, che corrispondono ad uno stesso insieme di variabili desiderate (proprietà del prodotto) in uscita. In particolare, si dimostra come la definizione di spazio nullo presenti diverse caratteristiche comuni alla definizione di spazio di progetto (design space) di un processo, stabilita dalle linee guida delle Agenzie di regolamentazione, e come lo spazio nullo possa essere utilizzato al fine di una identificazione preliminare dello spazio di progetto. Al fine di avere una misura sull’affidabilità delle soluzioni del problema di inversione, viene proposta una strategia per stimarne le incertezze. Sono inoltre presentate alcune soluzioni per affrontare questioni specifiche relative all’inversione di LVM. In particolare, si propone una nuova statistica da utilizzare per la selezione del numero di variabili latenti da includere in un modello utilizzato per l’inversione, in modo tale da descrivere adeguatamente l’insieme dei regressori, oltre a quello delle variabili in uscita. In aggiunta, dato che a causa delle possibili incertezze del modello non è assicurato che la sua inversione fornisca una soluzione che consenta di ottenere le proprietà desiderate per il prodotto, è proposta una strategia per sfruttare la struttura di covarianza dei dati storici per selezionare nuovi profili di qualità per il prodotto, in modo da facilitare l’inversione del modello. Gli approcci proposti sfruttano i parametri del modello e i vincoli imposti per la qualità del prodotto per stimare nuovi insiemi di proprietà, per i quali l’errore di predizione del modello è minimo. Questo agevola l’inversione del modello nel fornire le proprietà del prodotto desiderate, dal momento che queste possono essere assegnate come vincoli rigidi al problema di ottimizzazione. Nel Capitolo 5 la procedura presentata al Capitolo 4 per l’inversione di LVM è applicata per progettare la formulazione di nuovi prodotti farmaceutici, in cui l’obiettivo è di stimare i migliori eccipienti da miscelare con un dato principio attivo e la loro quantità in modo da ottenere una miscela di proprietà adeguate per la fase di compressione. La procedura proposta al Capitolo 4 è ampliata al fine di includere i vincoli per la selezione dei materiali e di considerare gli specifici obiettivi che un problema di formulazione può presentare (per esempio, massimizzare la dose di principio attivo, o minimizzare il peso della compressa finale). L’inversione del modello è risolta come problema di programmazione non lineare misto-intera, per il quale è sviluppata un’interfaccia utente che consenta ai formulatori di specificare gli obiettivi e i vincoli che il problema di formulazione da risolvere può presentare. La metodologia proposta è testata in un caso studio industriale per progettare nuove formulazioni per un dato principio attivo. Le formulazioni progettate in-silico sono preparate e verificate sperimentalmente, fornendo risultati in linea con le predizioni del modello. Nel Capitolo 6 è presentata una diversa applicazione della procedura generale per l’inversione di LVM presentata al Capitolo 4. Il caso studio riguarda un problema di trasferimento di prodotto, in cui l’obiettivo è di ottenere nanoparticelle di diametro medio predefinito, tramite un processo di precipitazione con anti-solvente in un dispositivo obiettivo. La metodologia sfrutta i dati storici disponibili da esperimenti effettuati su un dispositivo di riferimento di diversa dimensione da quello obiettivo, e sullo stesso dispositivo obiettivo ma con una diversa configurazione sperimentale. Un modello di tipo joint-Y PLS (JY-PLS) è inizialmente utilizzato per correlare dati di diversa origine (per dispositivo e configurazione sperimentale). Quindi, la procedura presentata al Capitolo 4 viene impiegata per invertire il modello JY-PLS al fine di determinare le condizioni operative nel dispositivo obiettivo, che assicurino l’ottenimento di nanoparticelle di diametro medio desiderato. La convalida sperimentale conferma i risultati ottenuti dall’inversione del modello. Inoltre gli esperimenti consentono di convalidare sperimentalmente il concetto di spazio nullo, dimostrando come diverse condizioni di processo stimate lungo lo spazio nullo consentano effettivamente di ottenere nanoparticelle con le medesime dimensioni medie. La sezione finale di questa Dissertazione propone l’applicazione di LVM a supporto del monitoraggio e controllo di processo in operazioni farmaceutiche. In particolare, nel Capitolo 7, è affrontato il problema del trasferimento di modelli per il monitoraggio di processo tra impianti diversi. In questo caso il problema è di assicurare che l’operazione in un impianto obiettivo sia sotto controllo statistico fin dai primi istanti di funzionamento dell’impianto, sfruttando la conoscenza disponibile (in termini di dati) da altri impianti. È proposta una procedura generale basata su LVM per far fronte a questo tipo di problemi. La procedura identifica cinque diversi scenari, a seconda del tipo di informazioni disponibili (solo dati di processo o sia dati di processo sia conoscenza di base sul processo), della provenienza dei dati disponibili (solo dall’impianto di riferimento o sia dall’impianto di riferimento sia dall’impianto obiettivo) e dal tipo di variabili di processo considerate per la costruzione del modello (solo variabili comuni tra gli impianti o sia variabili comuni sia altre variabili). Per modellare in maniera congiunta i dati disponibili da impianti diversi, sono utilizzate analisi delle componenti principali (PCA) o modelli di tipo JY-PLS, a seconda che, per la costruzione del modello di monitoraggio, si considerino solo variabili comuni tra gli impianti (nel caso PCA), o sia variabili comuni sia altre variabili (nel caso JY-PLS). Le metodologie proposte sono verificate nel trasferimento di modello per il monitoraggio di un processo industriale di atomizzazione, dove il riferimento è un impianto su scala pilota, mentre l’impianto obiettivo è un’unità produttiva su scala industriale. Le prestazioni in fase di monitoraggio del processo su scala industriale sono soddisfacenti per tutti gli scenari proposti. In particolare, è dimostrato come il trasferimento di informazioni dall’impianto di riferimento migliori le prestazioni del modello per il monitoraggio dell’impianto obiettivo. Le procedure proposte sono inoltre applicate in uno studio preliminare per il trasferimento di sistemi di monitoraggio in processi discontinui, considerando come caso studio un processo simulato di fermentazione per la produzione di penicillina, in cui sono simulati due impianti differenti per scala e configurazione. Le prestazioni del sistema di monitoraggio indicano che, anche in questo caso, considerare nella costruzione del modello i dati disponibili dalle operazioni nell’impianto di riferimento rende il sistema più efficiente nella rilevazione delle anomalie simulate nell’impianto obiettivo, rispetto a considerare nel modello di monitoraggio i soli (pochi) dati disponibili dall’impianto obiettivo stesso.

The pressure of the global competition, continuously asking for lower costs and improved productivity, is forcing companies to seek global supply chains to cut production costs down. As a result, it is becoming more and more difficult to accurately monitor each step of a production process and to protect products from economically motivated fraud, adulterations and counterfeiting. In such context, traditional methods for product quality characterization, such as lab assays, are expensive, destructive, time-consuming, and for these reasons they have become inadequate in several applications. On the other hand, other approaches, such as absorption spectroscopy and computer vision, have been gaining much attention in the last decade, successfully contributing to speed up and automate the quality assessment exercise. Statistical modeling tools, particularly latent variable models (LVMs), are usually employed to exploit the information embedded in the large amount of highly correlated data (spectra and images) that absorption spectroscopy and computer vision generate. In the food and pharmaceutical sectors, product quality assessment still relies mainly on the judgment (of product color, odor, form, taste, etc.) of a panel of trained experts. Although the number of applications of LVMs as predictive tools for product quality monitoring is growing in these sectors, the use of LVMs for product quality assessment is usually tailored to each application, and general approaches to product quality assessment based on LVMs are lacking. The main objective of the research presented in this Dissertation is to overcome some of the limitations that hinder the diffusion of LVM tools in the food and pharmaceutical industrial practice. Three main strategies for product quality assessment are explored, namely the use of computer vision, the use of absorption spectroscopy, and the possibility of combining the information derived from different analytical instruments. With respect to the use of computer vision systems, the problem of maintaining such systems is discussed. Computer vision systems are deemed to be quick, accurate, objective and able to return reproducible results. However, likewise all other measurement systems, they need to be maintained. Alterations or failures (e.g. of the illuminating system or of the camera sensors) can dramatically affect measurement reproducibility, leading to a wrong product quality characterization. The problem of how to detect and manage these alterations or failures is discussed through a pharmaceutical engineering case study. General strategies are proposed to adapt a quality assessment model, which has been calibrated under certain environmental conditions, to new conditions. Results show that long downtime periods, which may be necessary to recalibrate the quality assessment model after a failure of the camera or of the lighting system, can be significantly reduced. Additionally, it is shown how image analysis can be effectively used not only to characterize the quality of a product, but also to improve the understanding on the production process (e.g., for troubleshooting or optimization purposes). In a specific pharmaceutical application, image analysis is used to investigate the causes leading to the erosion of tablets, allowing one to evaluate the effect of different physical phenomena occurring in the film-coating process. Additionally, the model relating the process conditions to the tablets quality is shown to be useful for process monitoring purposes. With respect to the use of absorption spectroscopy, a novel methodology to preprocess and classify spectral data is proposed. Traditionally, LVMs are built after some preprocessing of the raw spectra, and the optimal preprocessing strategy is chosen trough a time consuming trial-and-error procedure. Results from three different food engineering case studies show that the proposed methodology performs similarly to other existing approaches, but it uses a sequence of totally automated preprocessing steps, with no need for trial-and-error searches. Especially in the food industry, LVMs are usually tailored on the specific product being analyzed. For instance, for the detection of the fresh/frozen-thawed substitution fraud in fish fillets, a model is calibrated for each fish species possibly subject to substitution. This Dissertation considers a different approach: some strategies are proposed to design a multi-species, and possibly species-independent, classification model to detect this substitution fraud. The most promising strategy decomposes the information embedded in the spectral data using a single model, and it is shown to return the same overall accuracy of traditional approaches that employ one classification model for each species under investigation. Finally, with respect to the use of data fusion, it is shown how to effectively combine the information derived from different analytical instruments (such as spectrometers, digital cameras, texture analyzers, etc.) to enhance product quality characterization. Results on two food engineering case studies show that fusing the available information, rather than using them separately, improves the ability of assessing product quality.
In un sistema economico globalizzato come quello in cui viviamo, garantire elevati standard in termini di qualità di prodotto costituisce per ogni azienda produttiva un fattore di successo. Monitorare in modo accurato la qualità del prodotto lungo tutti gli stadi della filiera produttiva, tuttavia, è divenuto progressivamente più complesso a causa della dimensione globale che quest’ultima ha assunto. É questo un effetto dei fenomeni di delocalizzazione della produzione, legati alla necessità delle aziende di non perdere quote di mercato a discapito di paesi emergenti caratterizzati da costi di produzione inferiori. In un tal sistema, aumenta anche il rischio di frodi, adulterazioni e contraffazioni del prodotto. Per certe categorie di prodotti, come quelli alimentari e farmaceutici, tali attività non solo danneggiano i consumatori dal punto di vista economico, ma possono anche causare seri problemi di salute. Nonostante la grande importanza del monitorare la qualità di prodotto, a livello industriale si è ancora lontani da un sistema che permetta di caratterizzarla in modo rapido, economico, non invasivo (e quindi utilizzabile in tempo reale), riproducibile e multivariato (cioè in grado di quantificare contemporaneamente più parametri di qualità). Le tecniche che si sono dimostrate più promettenti in tal senso sono la spettroscopia d’assorbimento nella regione del visibile e del vicino infrarosso e l’analisi d’immagine. Per analizzare la moltitudine di dati (spettri e immagini) caratterizzati da forti correlazioni che queste generano, è necessario ricorrere a tecniche statistiche apposite, in particolare i modelli a variabili latenti (LVM, latent variable models). Tali tecniche, che sono pensate per trattare tali tipologie di dati, nascono dall’assunto che un sistema possa essere descritto mediante pochi fattori (detti anche variabili latenti) esprimibili come combinazione lineare delle variabili originali e interpretabili sulla base dei fenomeni chimico/fisici che interessano il sistema. Il numero di applicazioni di LVM nel campo della caratterizzazione di prodotti alimentari e farmaceutici è cresciuto rapidamente negli ultimi anni. La maggior parte dei contributi pubblicati, tuttavia, offre soluzioni a specifici problemi anziché fornire approcci generali. L’obiettivo di questa Dissertazione è quello di superare alcune delle limitazioni esistenti al fine di favorire la diffusione di questi strumenti nella comune pratica industriale. La ricerca presentata si suddivide in tre macro aree di applicazione, che si differenziano a seconda della tecnica utilizzata per caratterizzare la qualità di prodotto, e cioè l’analisi d’immagine, la spettroscopia, e la fusione di dati (data fusion), cioè la combinazione delle informazioni provenienti da più strumenti analitici. Per ciascuna di queste aree, l’efficacia della modellazione a variabili latenti viene dimostrata applicando i modelli in diversi casi studio di tipo industriale o di laboratorio. Con riferimento all’analisi d’immagine, vengono proposte applicazioni nel campo farmaceutico. Nel Capitolo 3, l’analisi d’immagine viene utilizzata per il miglioramento della comprensione di un processo industriale di rivestimento di compresse. In tale processo la qualità finale del prodotto, che è legata all’omogeneità del rivestimento e al grado di erosione superficiale, viene tradizionalmente valutata da un panel di esperti, che necessariamente fornisce un giudizio soggettivo e poco riproducibile. Inizialmente, il Capitolo discute come, a partire da immagini del prodotto finito, sia possibile valutare in modo quantitativo e riproducibile i parametri di qualità. Le metriche sviluppate vengono quindi utilizzate per il troubleshooting del processo stesso, con il fine di indagare il meccanismo che porta all’erosione superficiale. A tal scopo, le metriche vengono correlate ai parametri di processo tramite un modello a variabili latenti, e i parametri del modello vengono utilizzati per definire le condizioni operative ottimali da utilizzare per garantire un prodotto in specifica. Il Capitolo 4, usando ancora come pretesto un processo di rivestimento di compresse, discute in modo critico il problema della riproducibilità dei risultati ottenuti tramite analisi d’immagine. Tale riproducibilità, infatti, è garantita solamente se le condizioni sperimentali utilizzate per raccogliere le immagini destinate alla calibrazione del modello di stima della qualità vengono mantenute inalterate. Tali condizioni includono il sistema di illuminazione e la fotocamera stessa. Viene proposto innanzitutto un modello per il monitoraggio dello stato dell’apparato sperimentale, da utilizzare ogniqualvolta viene avviata una campagna di controllo qualità e basato semplicemente sull’acquisizione di un’immagine di standard colorati. In caso venga rilevato un cambiamento, viene proposta una strategia per adattare il modello di stima della qualità alle nuove condizioni. I risultati dimostrano l’efficacia della strategia proposta, che si basa su una tecnica già nota nel contesto della sincronizzazione vocale e dell’allineamento di traiettorie temporali in processi produttivi di tipo batch. Con riferimento alla spettroscopia d’assorbimento, le applicazioni presentate riguardano prodotti alimentari, con particolare attenzione alle tecnologie per la rilevazione rapida di frodi di sostituzione (di un prodotto avente un certo valore di mercato con uno a valore di mercato inferiore). Nel Capitolo 5, viene presentata una nuova tecnica per la classificazione di dati spettrali, che ha l’obiettivo di razionalizzare il pretrattamento cui i dati stessi sono generalmente sottoposti. I risultati dimostrano come la tecnica proposta garantisca di ottenere la stessa accuratezza di altri metodi, senza tuttavia ricorrere a procedure di tipo trial-and-error, onerose in termini computazionali, per la scelta del miglior pretrattamento. Nel Capitolo 6, accanto a due applicazioni di autenticazione di prodotti alimentari (filetti pescati di branzino e formaggio Asiago d’allevo) tramite spettroscopia, viene presentata una tecnica multi specie per la rilevazione di una tipica frode del settore ittico, cioè la sostituzione di filetti freschi con filetti decongelati. Rispetto al tradizionale approccio di costruire un modello di rilevazione della frode per ciascuna specie, lavorare con un modello multi specie (e, magari, indipendentemente dalla specie) riduce notevolmente i tempi e i costi necessari nella fase di calibrazione. Delle tre strategie proposte, quella che fornisce risultati migliori lavora decomponendo l’informazione contenuta nei dati spettrali in due componenti, una legata alla specie e una legata allo stato fresco o decongelato. La tecnica, convalidata su un numero di spettri molto maggiore rispetto alla applicazioni riportate in letteratura, si è dimostrata efficace anche nell’autenticazione di campioni di specie non utilizzate nella fase di calibrazione. Infine, con riferimento alla fusione di dati, il Capitolo 7 dimostra, attraverso due applicazioni in campo alimentare, come unire le informazioni ottenute da più strumenti analitici permetta di migliorare la caratterizzazione della qualità di un prodotto. La combinazione dei segnali a disposizione (detta low level, per distinguerla da altre tecniche di fusione di dati), opportunamente pesati, permette di ottenere risultati migliori rispetto all’utilizzo dei singoli segnali.

This Thesis deals with the problem of the quality control and monitoring and the related energy consuming aspects in industrial multicomponent distillation columns. These have important relevance especially in case of units subjected to important changes in operating conditions which manifests in fluctuation of the product concentration. Due to the low reliability of the seldom available and delayed analytic composition measurements, they cannot be employed for an efficient online monitoring of the separation. Instead, this Thesis proposes the use of composition observers with passive innovation mechanism and driven by temperature measurements. The passive structure allows to limit the number of ODEs to be online integrated, which is a central issue to obtain a product suitable for the industrial implementation. The design of this passive structure involves the choice of number and location of the temperature sensors, the choice of the innovated component and the set of modeled components in the (possibly simplified) estimation model. This issue is addressed with a simple and systematic methodology that employs steady state information about the per-component temperature gradient of the column and detectability measures and conditions. Differently from the majority of the works in literature, the proposed methodology allows also to assess the feasibility of obtaining good estimation performance using the available temperature sensors in real columns. Even the analytic composition measurements cannot be employed for quality control in feedback control loops mainly due to delay problems. Instead, temperature feedback controllers are usually used. But even if the temperature sensor is well located (and in this Thesis a criterion for sensor location is suggested based on an extension of the slope criterion to the multicomponent case), when the operating conditions undergo changes, the indirect regulation of the product quality cannot be achieved, with alternating periods of under and over-purification that also adversely affect the energy requirement for the column functioning. Thus, in this Thesis an application oriented solution is proposed consisting in adding a feedforward temperature setpoint compensation that guarantee a close quality regulation, including a more efficient management of the energy, under the changing operating modes of the column. The methodologies and techniques proposed and described in this Thesis are tested with an industrial multicomponent IC4-NC4 splitter located at the Sarlux Refinery (Sarroch, Italy), which, motivated by the good results, has already implemented the composition estimator and is going to implement the feedforward setpoint compensator.

Lo scopo della tesi è duplice, uno applicativo e l'altro teorico. L'aspetto applicativo riguarda studi effettuati su liquidi molecolari semplici (glicerolo, metanolo e benzene) mediante simulazioni di dinamica molecolare. L'aspetto teorico è relativo allo sviluppo di nuove metodologie applicabili a simulazioni computazionali. Tali metodologie sono indirizzate sia al miglioramento degli attuali modelli di potenziale, in particolare quello di tipo elettrostatico, sia alla ricerca di nuovi metodi per l'analisi delle traiettorie di simulazione.

Vengono analizzate le relazioni struttura-funzione che coinvolgono la struttura secondaria di una catena polinucleotidica di RNA. La ricerca si è sviluppata in 3 fasi:a) sviluppo di un algoritmo di previsione teorica del folding secondario di RNA; b) previsione di un modello secondario per l'introne IVS rRNA della Tetrahymena thermophila e costruzione di una ipotesi di folding terziario a bassa risoluzione; c) analisi e sviluppo di un algoritmo di ricerca di motivi strutturali topologicamente equivalenti tra sequenze diverse di RNA, relazionate funzionalmente e quindi strutturalmente. I risultati ottenuti mostrano come l'approccio teorico qui utilizzato può essere un valido strumento nello studio delle relazioni struttura-funzione di acidi ribonucleici e nella previsione di modelli strutturali in grado di interpretare più razionalmente il funzionamento di queste sofisticate macromolecole biologiche.

Dottorato di ricerca in Metodologie Chimiche Inorganiche,XXII Ciclo, a.a.2008-2009
The catalytic chemistry of gold has had a relatively belated development with respect to other late transition metals, and this has been attributed to the preconception that gold is expensive and unreactive. The interest in gold has grown over the last thirty years, because both of these conceptions have been proven false, and successful applications of gold catalysis have emerged in chemical processing, pollution control, fuel cells design, and many others fields. These evidences have sparked a veritable “gold rush” in the field of catalysis, both homogeneous and heterogeneous. We investigated the role of gold in both homogeneous and heterogeneous catalytic processes. In fact, the theoretical study of mechanistic details for reactions, that involves and underline the characteristics of gold, have been the subjects of this thesis. Density functional theory (DFT) is the method of choice in this kind of studies. Regarding heterogeneous catalysis the synthesis of vinylacetate is the reaction on which we have focused our attention. In particular, a bimetallic catalyst containing low Pd coverage on Au surface (100 and 111) has been selected to outline the reaction mechanism of VAM formation. We have studied in detail both mechanisms proposed in literature, in order to selected the more active surface and the more likely mechanism. The homogeneous catalytic process that has been selected to point out the catalytic activity of gold is the hydration of 1,2-diphenylacetylene to yield benzyl phenyl ketone, catalyzed by a complex of Au(I) with triphenylposphine. This cationic complex coordinates to the alkyne in the first step of the catalytic cycle, thus rendering it more susceptible for a nucleophilic attack. That reaction is a relatively new synthetic strategy that have recently studied experimentally. Our aim is to elucidate the mechanism of the whole reaction.
Università della Calabria

Dottorato di Ricerca in Ingegneria Chimica e dei Materiali, Ciclo XXII SSD CHIM/072008-2009
To design advanced dosage forms, suitable carrier materials are used to overcome the undesirable properties of drug molecules. Hence various kinds of high-performance biomaterials are being constantly developed. From the viewpoint of the optimization of pharmacotherapy, drug release should be controlled in accordance with the therapeutic purpose and pharmacological properties of active substances. The main objective of the present thesis was to characterize the interactions between drugs and drug carriers by using combined molecular dynamics, molecular mechanics, and docking computational techniques. These simulations are likely to benefit the study of materials by increasing our understanding of their chemical and physical properties at a molecular level and by assisting us in the design of new materials and predicting their properties. Simulations are usually considerably cheaper and faster than experiments. Molecular simulations also offer a unique perspective on the molecular level processes controlling structural, physical, optical, chemical, mechanical, and transport properties. In particular the attention was put on cyclodextrinic carriers supported on membrane and molecularly imprinted polymers. Thus, structural information, such as the geometries of the cyclodextrinic complexes, and thermodynamic data, i.e. the variation of the enthalpy, were considered to draw a complete picture of the βCD-drug interactions. The results were in good agreement with the experimental data found in the measurement of stability constants. Finally the molecular dynamics on the polymeric system formed by adding on the surface of PEEK-WC the βCD-drug complex showed the release of the included drug in a water solution. The docking and molecular mechanics techniques provided also informations on the geometry and the energy of complexation of a β-cyclodextrin derivative with naringin showing that the driving force for the host-guest complexation is due to the van der Waals interaction. Moreover the molecular dynamics calculations provided details on the complexation of naringin on the PEEK-WC surface containing the β-cyclodextrin derivative. The binding affinity and selectivity of MIP towards drug template were calculated from the interaction energy between the ligand and the monomers and from docking simulations, respectively, as also the number of hydrogen bonds was determined. Our computational results shown a higher interaction energy between the drug template and monomers and justified the experimental data of selective recognition and rebinding of the template in terms of MIP performance confirming the reliability of our computational method. Moreover the diffusion coefficient of 5-FU into a PMAA matrix on the release step was determined.Thus, atomistic modelling of material structure was a tool for understanding the mechanisms of physical processes on atomic and molecular levels, gaining insights into the molecular origins of behaviour of bulk polymers.
Università degli Studi della Calabria

Dottorato di Ricerca in Metodologie Chimiche Inorganiche,XXIII Ciclo,a.a. 2009-2010
Density functional theory calculations were performed to study the ability of thorium (Th+, Th2+) and uranium (U+, U2+ The potential energy surfaces were explored taking into consideration different spin states. A close description of the reaction pathways leading to different reaction products is presented, and the obtained results are compared with experimental data. ) cations to activate the C-H and C-C bonds of methane, ethane and propane in the gas-phase. Th+ activates the C-H bonds of methane and ethane, in contrast, U+ is inert in both reactions. Th2+ reacts with all three alkanes, whereas U2+ reacts with C2H6 and C3H8, with product distributions different than those of Th2+ The computed potential energy profiles, which all proceed by insertion, were used to evaluate the relationship between the energetics of the bare Th . + (2+) and U+ (2+) ions and the energies for C-H and C-C bond activation. It was found that the computed energetics for insertion are entirely consistent with the empirical model which relates insertion efficiency to the energy needed to promote the An+ (2+) ion from its ground state to a prepared divalent state with two non 5f valence electrons suitable for bond formation in {C-An+ (2+)-H} and {C-An+ (2+)-C} activated intermediates.
Università della Calabria

La chimica dinamica combinatoria è una disciplina della chimica moderna che ha per oggetti del suo studio i sistemi complessi costituiti da miscele di composti che sono in grado di scambiare componenti l’uno con l’altro mediante reazioni reversibili. I principi della chimica dinamica combinatoria sono stati applicati efficacemente in numerosi campi, quali ad esempio la ricerca di recettori o di sostanze bioattive, la preparazione di polimeri dinamici, lo studio di molecole topologicamente non banali, lo sviluppo di sensori e l'investigazione di sistemi auto-replicanti. Questa tesi di dottorato presenta una serie di lavori condotti nella cornice di questa interessante disciplina.
Dynamic combinatorial chemistry is a discipline of modern chemistry whose objects of the study are the complex systems constituted by mixtures of compounds that are able to exchange subcomponents through reversible reactions. The principles of dynamic combinatorial chemistry have been effectively applied in many fields of research, such as the search for receptors or bioactive compounds, the preparation of dynamic polymers, the study of topologically nontrivial molecules, the development of sensors and the investigation of self-replicating systems. This doctoral thesis presents a number of works carried out within the frame of this interesting discipline.

The aim of this work is to investigate new and classical techniques, methods and formulations for topical and buccal release. All the formulations proposed are based on natural and biocompatible polymer matrices such as gellan gum, scleroglucan and hydroxypropylmethylcellulose. The proposed formulations are tested by in vitro release tests. In fact they represents a valid support and a useful starting point for the realization of a potentially usable in-vivo pharmaceutical formulation that may have commercial utility. The research work is both experimental and theoretical. Each topic presents a more chemical-pharmaceutical part, based on the formulation preparation and release experiments, and a more theoretical-numerical approach that allows a correct interpretation and description of the experimental data obtained. Release from hydrogels and thin films require different modelling approaches. Also the physico-mathematical description of different release experiments (different release devices such as Franz cell, millifluidic device and USP II) requires different theoretical and numerical techniques. The outcome of an accurate model development is of fundamental importance for future design of pharmaceutical formulations with prescribed release properties. In addition the formulations are investigated through rheological, mechanical, thermoanalytic and mucoadhesive tests in order to have a more comprehensive picture of their practical utilization.

Recovery of wastewater is one of the most important challenges for our future due to the endemic scarcity of this resource in many parts of the world. Wastewaters derived from petrochemical activities represent a large share of water linked to human activities. This is due to the centrality of oil for the global economy and the great water consumption for all the linked activities, that goes from extraction to refinery. The adsorption technologies providing zeolite materials, both microporous and mesoporous, present a good choice for water remediation due to their simplicity, effectiveness, long term stability and adaptability. The development of new materials for adsorption technology is the main goal of this thesis. In particular, some microporous materials for heavy metals uptake and several mesoporous materials for hydrocarbons confinement have been characterized by structural and process point of view. Kinetic and thermodynamic (adsorption isotherms) behaviour of all material with different organic and inorganic pollutants is deeply investigated. Mathematical models to describe adsorption kinetics and isotherms have also been developed in order to obtain important parameter useful for the transaction from bench-scale to the next pilot scale. Structural characterization has been carried out to understand which changes occurred in material structure after adsorption of contaminants, the host-guest interactions and thermal stability of materials. This double characterization work was planned to screen a set of known materials and compare their performances to those of a new mesoporous amorphous material: the mesoporous silica-alumina or MSA. Indeed, the ultimate aim is to use MSA as multitalented material for simultaneous removal of heavy metals and hydrocarbons from wastewater derived from oil extraction, oil refining or oil contamination.

Microalgae are a very versatile microorganism that have the ability to modify their biomass composition under controlled condition in order to accumulate products having applications in several sectors. The aim of this thesis work is the analysis and modelling of both microalgal growth and production of high added-value metabolites, focusing also on their extraction and purification. An outdoor 10 bubble column photobioreactors (PBRs) pilot plant for the cultivation of two microalgae named Tetradesmus obliquus and Graesiella emersonii, covering a 9 months cultivation period (March 2017-December 2017), has been installed and operated. All collected data (as microalgal growth rate, outdoor parameters and initial cultivation’s conditions) have been used to develop an empirical model for prediction of microalgal growth in photobioreactors at specific outdoor conditions, using Principal Component Analysis and Partial Least Squares regression method, obtaining acceptable outcomes for both responses: microalgal specific growth rate (μ) and maximum productivity (Pmax). Concerning microalgal metabolism, also a new mathematical model able to represent in a simple way the accumulation of metabolites inside microalgae, focusing on the carbon partitioning process between triacylglycerides (TAG) and starch during nitrogen starvation in phototrophy, has been developed, obtaining high R-Squared values as index of model’s goodness of fitting. A future application of these models can be found in the MEWLIFE European project, in which Bio-P has a role as partner, since this project has as aim the production of microalgal biomass in an integrated phototrophic and heterotrophic cultivation system using preconcentrated olive oil wastewaters (OMWW) as carbon source. As a completion of the microalgal process treatment, a study of the downstream processes for the extraction (using supercritical CO2) and purification of the high added value metabolites (with molecular distillation) has been carried out, developing a feasibility study also from the economical point of view. As regard the supercritical CO2 the best extraction conditions in terms of operative variables have been: T = 60°C, P = 250 bar and SSR = 5 h−1 with a daily amount of the desired products equal to 147 kg and OPEX = 561.7 k€/year and CAPEX = 2717.9 k€/year. Regarding the molecultar distillation process, the best operating conditions have been found at T = 128 °C and P = 0.33 Pa, obtaining OPEX = 498.23 k€/year and CAPEX = 2387.4 k€/year.