Dipartimento di Ingegneria dell'Ambiente - Tesi di Dottorato

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Questa collezione raccoglie le Tesi di Dottorato afferenti al Dipartimento di Ingegneria per l'Ambiente e il Territorio e Ingegneria Chimica dell'Università della Calabria.

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Author: search.filters.author.Giorno, Lidietta

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    Functionalized polymeric membranes for development of biohybrid systems
    (2016-02-26) Vitola, Giuseppe; Giorno, Lidietta; Drioli, Enrico; Molinari, Raffaele
    Le proprietà di superficie di una membrana sono di grande importanza per la sua funzione. Mediante tecniche di funzionalizzazione chimica è possibile ottenere membrane con gruppi funzionali in grado di adempiere nuove e diverse funzioni che rendono la membrana funzionalizzata un dispositivo in grado di svolgere funzioni multiple trovando applicazione in vari impieghi. Le membrane funzionalizzate, infatti, trovano impiego nei processi di separazione, nei settori che richiedono l’uso di membrane biocompatibili, e nell’immobilizzazione di biomolecole che a sua volta trova applicazione nella preparazione di biosensori e bioreattori a membrana. Questi ultimi sono particolarmente interessanti poiché sfruttano l’alta superficie specifica della membrana e permettono di integrare il processo di separazione con quello catalitico. Il presente lavoro di tesi ha riguardato lo sviluppo di membrane polimeriche biofunzionalizzate per la decontaminazione di acque da sostanze tossiche quali i pesticidi organofosfati. Il lavoro è stato focalizzato sullo studio di diverse tecniche per l’ingegnerizzazione di membrane polimeriche aventi differenti caratteristiche chimico-fisiche. L’impatto dei diversi tipi di funzionalizzazione è stato valutato considerando il grado di legame e le proprietà catalitiche di biomolecole immobilizzate sulle membrane funzionalizzate. I polimeri utilizzati per l’immobilizzazione delle biomolecole sono stati il fluoruro di polivinilidene (PVDF) e il polietersulfone (PES), materiali ampiamente usati in sistemi di filtrazione. La proteina sieroalbumina bovina (BSA) e l’enzima lipasi da candida rugosa (LCR) sono state selezionate quali biomolecole modello per lo studio della capacità di legame e le proprietà catalitiche delle membrane ingegnerizzate. Le condizioni ottimali di funzionalizzazione e immobilizzazione sono state poi impiegate per lo sviluppo di sistemi bioibridi contenenti l’enzima fosfotriesterasi (PTE), un enzima in grado di operare la detossificazione di organofosfati. Al fine di migliorare le performance degli enzimi immobilizzati sul PVDF è stato sviluppato un nuovo approccio di ingegnerizzazione. Esso ha riguardato la sintesi di nanoparticelle colloidali a base di poliacrilammide e il loro utilizzo, dopo opportuna funzionalizzazione, come vettori per l’immobilizzazione covalente di enzimi sul PVDF. La nuova strategia di immobilizzazione ha permesso di mantenere il microambiente idrofilo a livello dell’enzima immobilizzato migliorandone di conseguenza le proprietà catalitiche. La strategia allo stesso tempo ha consentito di preservare l’idrofobicità della membrana. Tale proprietà è necessaria per lo sviluppo di sistemi operanti nella decontaminazione di aria. I risultati hanno mostrato che l’enzima fosfotriesterasi immobilizzato sul PES mantiene un’attività residua maggiore rispetto a quella dell’enzima immobilizzato sul PVDF. La membrana biocatalitica in PES è risultata idonea per la decontaminazione di organofosfati in fare acquosa.
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    Membrane emulsification for the development of particulate systems for drug encapsulation
    (2014-11-11) Imbrogno, Alessandra; Giorno, Lidietta; Drioli, Enrico; Molinari, Raffaele
    Il micro-incapsulamento è una tecnica ampiamente utilizzata per incapsulare sostanze nutraceutiche, farmaci, proteine, cellule ecc. Oggigiorno, la ricerca nel campo farmaceutico viene sempre più indirizzata allo sviluppo di forme farmaceutiche a rilascio modificato (ad esempio emulsioni multiple, sfere e capsule mono/ polinucleate) in grado di migliorare la biodisponibilità di principi attivi scarsamente solubili. La maggior parte delle metodologie utilizzate per la preparazione di particelle micro e nano-strutturate prevedono un processo iniziale di emulsificazione. In questo caso, il controllo della dimensione e dell’uniformità delle gocce è di fondamentale importanza per produrre particelle solide di dimensione controllata, da cui dipende la via di somministrazione, la distribuzione nei tessuti e l’interazione con le cellule. Negli ultimi 25 anni, enormi progressi sono stati realizzati nella preparazione di emulsioni con una dimensione controllata delle gocce grazie a un sempre più vasto utilizzo dell’emulsificazione a membrana, un processo vantaggioso rispetto alle tecniche convenzionali in termini di semplicità operativa, basso consumo energetico, alta riproducibilità e facile scale-up. L’aspetto innovativo di questo processo è la produzione delle gocce di emulsione singolarmente, ottenuta mediante permeazione della fase dispersa attraverso i pori della membrana, mentre il distacco della goccia avviene all’uscita del poro per effetto di uno sforzo di taglio esercitato dal fluire della fase continua. Un grande potenziale dell’emulsificazione a membrana per la preparazione di formulazioni farmaceutiche è la possibilità di combinare le proprietà chimiche della formulazione con le proprietà strutturali della particella (quali dimensione e dispersione) in modo da realizzare prodotti con caratteristiche funzionali idonee a specifiche applicazioni. Nella realizzazione di sistemi micro e nano-strutturati per l’incapsulamento di molecole bioattive, le proprietà chimico-fisiche del materiale sono anche di fondamentale importanza. Tra i materiali organici, i polimeri biodegradabili (in particolare il poli-caprolattone e il copolimero dell’acido lattico e glicolico) sono quelli di maggiore impiego in quanto offrono la possibilità di realizzare particelle che, una volta introdotte nell’organismo, vengono degradate in sottoprodotti metabolizzati dalle cellule. Questa proprietà conferisce a questi materiali un’eccellente biocompatibilità e il rilascio del farmaco incapsulato nelle particelle può essere modulato dalla velocità di degradazione del polimero. Inoltre questi polimeri sono idrofobi e quindi ideali per l’incapsulamento di farmaci insolubili in acqua, una procedura necessaria per poter essere somministrati nella circolazione sanguigna. Nonostante questi polimeri siano ampiamente utilizzati per la preparazione di sistemi micro e nano-strutturati, numerose problematiche sono state riscontrate nel controllo della dimensione e dispersione delle particelle e la loro morfologia. Lo scopo del presente lavoro di tesi è quello di utilizzare l’emulsificazione a membrana per la preparazione di sistemi micro e nano-strutturati utilizzabili per l’incapsulamento di farmaci idrofili e lipofili e realizzati con i polimeri biodegradabili precedentemente menzionati. Dall’analisi dello stato dell’arte sono stati individuati una serie di requisiti importanti per la preparazione di sistemi particellari: i) produrre particelle con dimensione e dispersione controllata utilizzando un processo ad alta produttività; ii) mantenere un basso stress meccanico per preservare l’attività delle sostanze incapsulate; iii) utilizzare un processo che può essere applicato su larga scala a livello industriale. La produzione di particelle altamente uniformi e con dimensione controllata mediante l’utilizzo dell’emulsificazione a membrana è già stato pienamente riportato in letteratura. Tuttavia, la possibilità di poter ottenere una produzione controllata dell’emulsione mantenendo allo stesso tempo un’alta produttività e un basso stress meccanico nell’impianto è tutt’ora oggetto di studio. Sulla base di queste osservazioni, gli avanzamenti proposti dal presente lavoro di tesi sono: • migliorare la produttività e l’efficienza del processo di emulsificazione a membrana mediante: i) l’utilizzo di una membrana con bagnabilità asimmetrica lungo la sezione al fine di mantenere allo stesso tempo una produzione controllata dell’emulsione ad un alto flusso di fase dispersa; ii) l’utilizzo di membrane di tipo “setaccio” in acciaio inox in modo da combinare i vantaggi delle caratteristiche strutturali della membrana setaccio (bassa porosità, basso spessore, pori rettilinei e uniformemente distribuiti) con l'elevata resistenza chimica dell’acciaio inossidabile, che è meno soggetto allo “sporcamento” per interazione con i componenti dell’emulsione; • indagare, inizialmente su piccola scala e poi con processi adatti per la produzione su larga scala, la preparazione di sistemi micro e nano particellari combinando la emulsificazione a membrana con il processo di diffusione del solvente per ottenere un controllo della dimensione e morfologia delle particelle in modo preciso e riproducibile rispetto all’ evaporazione del solvente comunemente utilizzata; • investigare l’utilizzo di processi di emulsificazione a membrana recentemente introdotti per applicazioni su larga scala, quali emulsificazione a membrana con flusso pulsato e invertito della fase continua ed emulsificazione a membrana con movimento torsionale della membrana, per la produzione di particelle micro e nano-strutturate in condizioni di basso stress meccanico e alta produttività del processo.
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    Bio-Hybrid Membrane Process for Food-based Wastewater Valorisation: a pathway to an efficient integrated membrane process design
    (2014-11-11) Gebreyohannes, Abaynesh Yihdego; Giorno, Lidietta; Curcio, Efrem; Aimar, Pierre; Vankelecom, Ivo F.J.; Molinari, Raffaele
    The food industry is by far the largest potable water consuming industry that releases about 500 million m3 of wastewater per annum with very high organic loading. Simple treatment of this stream using conventional technologies often fails due to cost factors overriding their pollution abating capacity. Hence, recently the focus has been largely centered on valorization through combinatorial recovery of valuable components and reclaiming good quality water using integrated membrane process. Membrane processes practically cover all existing and needed unit operations that are used in wastewater treatment facilities. They often come with advantages like simplicity, modularity, process or product novelty, improved competitiveness, and environmental friendliness. Thus, the main focus of this PhD thesis is development of integrated membrane process comprising microfiltration (MF), forward osmosis (FO), ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) for valorization of food based wastewater within the logic of zero liquid discharge. As a case study, vegetation wastewater coming from olive oil production was taken. Challenges associated with the treatment of vegetation wastewater are: absence of unique hydraulic or organic loadings, presence of biophenolic compounds, sever membrane fouling and periodic release of large volume of wastewater. Especially presence of biophenolic compounds makes the wastewater detrimental to the environment. However, recovering these phytotoxic compounds can also add economic benefit to the simple treatment since they have interesting bioactivities that can be exploited in the food, pharmaceutical and cosmetic industries. The first part of the experimental work gives special emphasis on the development of biohybrid membranes used to control membrane fouling during MF. Regardless of 99% TSS removal with rough filtration, continuous MF of vegetation wastewater using 0.4 μm polyethelene membrane over 24 h resulted in continuous flux decline. This is due to sever membrane fouling mainly caused by macromolecules like pectins. To overcome the problem of membrane fouling, biocatalytic membrane reactors with covalently immobilized pectinase were used to develop self-cleaning MF membrane. The biocatalytic membrane with pectinase on its surface gave a 50% higher flux compared to its counterpart inert membrane. This better performance was attributed to simultaneous in-situ degradation of foulants and removal of hydrolysis products from reaction site that overcome enzyme product inhibition. Although the biocatalytic membrane gave a better performance, its fate is disposal once the covalently immobilized enzyme gets deactivated or oversaturated with foulants. To surmount this problem a new class of superparamagnetic biochemical membrane reactor was developed, verified and optimized. This development is novel for its use of superparamagnetic nanoparticles both as support for the immobilized enzyme and as agent to render the membrane magnetized. This reversible immobilization method was designed to facilitate the removal of enzyme during membrane cleaning using an external magnet. Hence PVDF based organic-inorganic (O/I) hybrid membrane was prepared using superparamagnetic nanoparticles (NPSP) as inorganic filler. In parallel, superparamagnetic biocatalytic nanocomposites were prepared by covalently immobilizing pectinase on to the surface of NPSP dispersed in aqueous media. The synergetic magnetic responsiveness of both the O/I hybrid membrane and the biocatalytic particle to an external magnetic field was later on used to physically immobilize the biocatalytic particles on the membrane. This magnetically controlled dynamic layer of biocatalytic particles prevented direct membrane-foulant interaction, allowed in-situ degradation, easy magnetic recovery of the enzyme from the surface of the membrane, use of both membrane and immobilized enzyme over multiple cycles and possibility of fresh enzyme make up. The system gave stable performance over broad range of experimental condition: 0.01-3 mg/mL foulant concentration, 1-9 g per m2 of membrane area bionanocomposites, 5- 45 L/m2.h flux and different filtration temperatures. Under condition of mass transfer rate prevailing reaction rate, the system gave upto 75% reduction in filtration resistance. After optimization of the different operational parameters, it also revealed no visible loss in enzyme activity or overall system performance, when 0.3 mg/mL pectin solution was continuously filtered for over two weeks. In addition, the chemical cleaning stability of the O/I hybrid membrane was studied under accelerated ageing and accelerated fouling conditions. The ageing caused change in the physicochemical characteristics and enhanced fouling propensity of the membrane due to step-by-step degradation of the polymeric coating layer of used NPSP. But 400 ppm NaOCl solution at pH 12 was found compatible; henceforth it was used to clean the membrane. Second major limitation identified during the treatment of vegetation wastewater is presence of large volume of wastewater that comes in short period following the harvest of olive fruit. To alleviate this problem, FO was investigated to concentrate the wastewater. This process is believed to be less energy demanding, suppose that draw solution does need to be regenerated, and with low foul propensity. By operating at 3.7 molal MgCl2 draw solution and 6 cm/s crossflow velocity, single-step FO resulted in an average flux of 5.2 kg/m2.h. and 71% volume concentration factor with almost complete retention of all the pollutants. Moreover, the system gave a stable performance over ten days when operated continuously. After FO, both NF and UF were used to fractionate the recovered biophenols from the concentrate streams of FO. Compared to polymeric UF membrane, ceramic NF gave better flux of 27 kg/m2.h at 200 L/h feed flow rate and 7 bar TMP. Finally, when FO was used as a final polishing step to recover highly concentrated biophenols from permeate of the UF; it gave an average flux of 5 kg/m2.h and VCF of 64%. In conclusion, a great success has been made in tackling the two most important challenges of vegetation wastewater valorisation using the concept of biohybridization and FO. The bioinspired NPSP provides strong evidence that magnetically controlled enzyme immobilization have an immense potential in membrane fouling prevention and paves a potential breakthrough for continuous wastewater filtration. By setting bio-inspired NPSP biocatalytic membrane reactor at the heart, it is possible to successfully use integrated membrane process for continuous valorisation of food based wastewater. In addition to fouling prevention, they open a new horizon for applications in localized biocatalysis to intensify performance in industrial production, processing, environmental remediation or bio-energy generation.
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    Development of submerged biocatalytic membrane reactors for innovative production systems
    (2010-11-11) Chakraborty, Sudip; Drioli, Enrico; Giorno, Lidietta
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    Membrane Emulsification to develop biohybrid microstructured and multifunctional systems
    (2009-11-13) Piacentini, Emma; Drioli, Enrico; Molinari, Raffaele; Giorno, Lidietta