Tesi di Dottorato
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Item Membrane emulsification for the development of particulate systems for drug encapsulation(2014-11-11) Imbrogno, Alessandra; Giorno, Lidietta; Drioli, Enrico; Molinari, RaffaeleIl 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.Item Evaluation of thermal polarization and membrane characteristics for membrane distillation(2014-11-11) Alì, Aamer; Drioli, Enrico; Aimar, Pierre; Bouzek, Karel; Fila, Vlastimil; Molinari, RaffaeleThe current PhD work emphasizes on various aspects of membrane distillation for approaching zero liquid discharge in seawater desalination. In broader sense, two themes have been discussed in detail: (i) correlation between membrane features and their performance in MD (ii) understanding and control of thermal polarization in MD. Introduction and state-of-the-art studies of MD including progress in membrane development, understanding the transport phenomenon, recent developments in module fabrication, fouling and related phenomenon and innovative applications have been discussed in introductory part of the thesis. The effect of operating conditions and dope compositions on membrane characteristics and correlation between membrane features and their performance has been discussed in subsequent section. It has been established that membrane morphology plays a crucial role in performance of the membrane for real applications. Furthermore, it has been demonstrated that the effect of membrane morphology is different for direct contact and vacuum configurations. Theoretical and experimental aspects of thermal polarization in direct contact membrane distillation have also been investigated. Thermal polarization phenomenon in a flat sheet membrane has been studied by using a specifically designed cell. The effect of operating conditions and solution concentration on thermal polarization has been explored experimentally. It has been observed that increased solution concentration favors the thermal polarization due to resulting poor hydrodynamic at the membrane surface and increase in diffusion resistance to the water vapors migrating from bulk feed phase to the membrane surface. Some active and passive techniques to decrease thermal polarization and possible fouling in membrane distillation have also been discussed in the current study. Thermal polarization can be greatly reduced by inducing secondary flows in the fluid flowing inside the fiber. The induction of secondary flows in the current study has been realized by using the fibers twisted in helical and wavy configurations. Due to improvement of thermal polarization coefficient on up and downstream, the undulating fiber geometries provide high flux and superior performance ratio. Application of intermittent and pulsatile flow to control thermal polarization in MD has also been discussed. It has been inferred that these flows have positive impact on performance ratio and volume based enhancement factors without compromising on packing density of the system. The application of MD for treatment of produced water has also been studied. The effect of membrane features on their performance for the treatment of this complex solution has been discussed. The desirable membrane features for successful application of MD for such treatment have been distinguished. It has been inferred that MD possesses the capability to produce a distillate of excellent quality and is an interesting candidate to recover the minerals present in the produced water. The fouling tendency of the membranes with different characteristics towards different types of feed solutions has also been discussed in this study. It has been shown that the porosity enhanced through the introduction of macrovoids in non-solvent induced phase separation technique creates problems related with wetting and pore scaling during practical application of such membranes. The fouling related issues are less severe in the membranes with sponge like microstructure but the overall porosity of such membranes is relatively less. Thus it has been concluded that there should be an optimum between the high throughput and stable performance of the membranes synthesized through phase inversion techniques. Conclusions of the study and future perspectives have been discussed in the last section of the study.Item Analysis of membrane reactor integration in hydrogen production process(2014-11-11) Mirabelli, Ilaria; Drioli, Enrico; Barbieri, Giuseppe; Molinari, RaffaeleIn the H2 production field, the membrane reactor (MR) technology is considered a promising and interesting technology. In this thesis work the integration in a small scale hydrogen generator of an MR, to carry out the water gas shift reaction (WGS), has been studied. In particular, the effect of MR integration from a systems perspective, i.e. specifically assessing the impact of MR on the whole process, has been investigated. A preliminary design of a pilot scale MR to produced 5 Nm3/h of H2 by reformate stream upgrading has been performed. A CO conversion of 95% and an hydrogen recovery yield of 90% have been fixed as minimum performance target of the WGS-MR. Depending on the system considered to promote the driving force for the permeation, three scenarios have been proposed: base, vacuum and sweep scenario. On the basis of results from a preliminary scenario screening, the required membrane area (ca. 0.179 m2), for vacuum and sweep scenarios, has been estimated by means of an MR modelling and simulation. The results obtained from the pilot scale have been used for the scale-up of the WGS-MR integrated in the 100 Nm3/h hydrogen production unit. The plant for the integrated process (reformer and WGS-MR) has been simulated by using the commercial simulation tool Aspen Plus®. The MR integration, actually, implies a re-design of the process downstream the WGS reactor. Since more than 90% of the produced H2 is directly recovered in the permeate stream, the PSA unit can be removed, leading to a more compact system. For the retentate stream post processing, the possibility to recover the CO2, by means of membrane gas separation technology has been proposed. The results for a two stages membrane separation unit confirmed the technological feasibility of the CO2 capture, achieving the CO2 purity target. Pursuing the logic of process intensification, the comparison with the reference technology (reformer, high temperature shift, PSA) showed as the WGS-MR integrated system results in a more “intensified” process since a higher H2 productivity, a smaller plant and an enhanced exploitation of raw materials are obtained. In addition, since the MR delivers a high-pressure CO2-rich stream, it provides an opportunity for small-scale CO2 capture and thus possible emission reduction. The possibility to extend the spectrum of MR application in reactions of industrial interest, where hydrogen is produced as by-product, has been also studied. In particular, as case study, the direct conversion of n-butane to isobutene has been analysed showing as, from a thermodynamic point of view, better performance (equilibrium conversion up to seven times higher than the one of a traditional reactor) can be obtained.Item An insight on pharmaceutical crystallization process by using membrane technology: PVDF-based mixed matrix membranes and PP grafted membranes as new tools for controlling the supersaturation rate and the heterogeneous nucleation mechanism.(2014-11-11) Caridi, Antonella; Drioli, Enrico; Di Profio, Gianluca; Molinari, RaffaeleQuesto elaborato finale del progetto di dottorato tratta lo studio del processo di cristallizzazione a membrana finalizzato alla produzione di composti farmaceutici in forma cristallina. Lo studio ha come obiettivo quello di dare una visione globale del processo di cristallizzazione a membrana andando oltre lo stato dellate, bensì popoedo lipleetazione della tecnica di cristallizzazione a membrana di base. A tal proposito il progetto è stato sviluppato seguendo in due diverse direzioni: da una parte la tecnica di istallizzazioe a eaa di ase ha isto lappliazioe ad uo speifio settore dellidustia faaeutia, dallalta pate lo studio è poseguito investigando i meccanismi di cristallizzazione indotti dalla stessa membrana e successivamente ha visto una vera e propria progettazione di membrane opportunamente pensate per la cristallizzazione. Duue, il aloe aggiuto di tale studio osiste ellaee diostato la possibilità di ampliare il campo di applicazione del processo a membrana, di aver esteso la conoscenza di base dei meccanismi di nucleazione eterogenea sottesi dalla membrana e di aver progettato, prodotto e caratterizzato delle membrane con differenti materiali e strutture appositamente per essere testati nella tecnica di cristallizzazione. In dettaglio, il lavoro presenta uno studio iniziale sul processo di nucleazione eterogenea che parte da particelle libere in soluzione per poi continuare studiando il processo di nucleazione eterogenea sullle membrane stesse. Ua seoda sezioe tatta lappliazioe del processo a membrana alla cocristallizzazione farmaceutica. Successivamente inizia la parte di disegno e realizzazione di membrane eterogenee sia dal punto di vista chimico che strutturale: membrane fabbricate con tecniche e materiali differenti e membrane commerciali che sono state opportunamente funzionalizzate. Infine il lavoro si conclude con i tests di cristallizzazione condotti su tali membrane.Item Preparation of Organic Solvent Resistant Polymeric Membranes for Applications in Non-aqueous Systems(2011-11-08) Drioli, Enrico; Molinari, Raffaele; Woo Lee, EunOperazioni a membrana sono oggi usate in numerosi processi di separazione e il numero di applicazioni è in rapida crescita anche grazie alla necessità di sviluppare nuovi processi sempre più eco-sostenibili. Le operazioni a membrana sono infatti caratterizzate da una più elevata efficienza energetica e minore impatto ambientale rispetto ai processi tradizionali di separazione. In particolare, è evidente un crescente interesse sia accademico che industriale verso processi di separazione a membrana in fase liquida non acquosa. Tuttavia i meccanismi di trasporto del soluto attraverso membrane polimeriche in ambiente organico, sono molto più complicati che in fase acquosa a causa delle forti interazioni fisiche e chimiche tra membrana, soluto e solvente. Nonostante i meccanismi di trasporto non siano stati completamente chiariti, sono attualmente disponibili membrane commerciali per nanofiltrazione in solventi organici (OSN). Questo lavoro ha avuto come obiettivo la preparazione e caratterizzazione di membrane polimeriche da impiegare in separazioni in solventi organici. Sono state preparate membrane polimeriche a base di polidimetilsilossano (PDMS) e un co-polimero della polimmide (P84, PI). Al fine di controllare la dimensione e distribuzione dei pori, è stato investigato l’effetto dei diversi parametri di preparazione e i dettagli sperimentali sono forniti nei capitoli seguenti Nel Capitolo 1 è presentata una introduzione generale sulle membrane e i processi a membrana. Nel Capitolo 2 è presentata una overview sullo stato dell’arte delle membrane polimeriche per separazioni in solventi organici, con particolare attenzione alle membrane da nanofiltrazione (SRNF). Nel Capitolo 3 è descritta la preparazione di membrane piane porose a base di PDMS. Due differenti metodi sono stati seguiti: nel primo, per formare i pori delle membrane, sono state usate specie chimiche quali acqua, iso-propanolo, metanolo, etanolo e glicole etilenico, che producono idrogeno gassoso in situ mediante reazione con i gruppi Si-H del crosslinker usato per preparare il PDMS (polimero formato da reazione di idrosililazione fra un pre-polimero e un crosslinker). Nel secondo metodo è stato usato l’1,4-diossano come additivo in grado di formare i pori successivamente alla sua rimozione dalla membrana. Nel Capitolo 4, è stata descritta la preparazione e caratterizzazione di membrane asimmetriche piane della co-polimmide P84®. E’ stato studiato l’effetto della concentrazione del polimero e del tipo del solvente sulla morfologia e proprietà di trasporto delle membrane. E’ stato inoltre investigato l’effetto della presenza di diverse concentrazioni di un co-solvente (1,4-diossano) o un non-solvente (acqua ed etanolo) nella soluzione polimerica. Le proprietà di trasporto delle membrane sono state valutate in test di permeazione con solventi organici e di reiezione nei medesimi solventi con molecole modello quali coloranti a diversa massa molare e carica Le membrane di P84® sono state reticolate, al fine di aumentarne la stabilità, mediante reazione con 1,5-diamino-2-metilpentano (DAMP). Le condizioni di reticolazione sono state ottimizzate variando la concentrazione del reagente e il tempo di reazione. Le membrane reticolate sono risultate completamente stabili in numerosi solventi organici inclusi solventi come DMAc, DMF e NMP, in cui il polimero di partenza era solubile. Nel Capitolo 5 è stata descritta la preparazione di fibre cave SRNF mediante inversione di fase indotta da non solvente, preceduta o meno, da una parziale evaporazione del solvente. Inoltre è stata realizzata una innovativa procedura di reticolazione in cui durante la filatura il DAMP è stato introdotto nel fluido interno. Le proprietà chimiche e meccaniche delle fibre sono state analizzate rispettivamente mediante FT-IR/ATR e test di elongazione. Inoltre sono stati condotti test di permeazione e reiezione usando la Rodamina B in acetonitrile ed etanolo.Item <> problema dell’Arsenico nelle acque e le tecniche di rimozione(2011-11-08) Bafaro, Patrizia; Molinari, Raffaele; Drioli, Enrico; Criscuoli, AlessandraItem Development of membrane bioreactor (MBR) process applying novel low fouling membranes(2013-11-12) Deowan, Shamim Ahmed; Drioli, Enrico; Molinari, Raffaele; Figoli, Alberto; Hoinkis, JanWater is a part and parcel of human life. Water contaminated from industry and agriculture with heavy metal ions, pesticides, organic compounds, endocrine disruptive compounds, nutrients (phosphates, nitrates, nitrites) has to be effi-ciently treated to protect humans from being intoxicated with these compounds or with bacteria. Clean water as basis for health and good living conditions is too far out of reach for the majority of the population in the world (Bionexgen, 2013). Water recycling is now widely accepted as a sustainable option to re-spond to the general increase of the fresh water demand, water shortages and for environmental protection. Water recycling is commonly seen as one of the main options to provide remedy for water shortage caused by the increase of the water demand and draughts as well as a response to some economical and environmental drivers. The main options for wastewater recycling are industri-al, irrigation, aquifer recharge and urban reuse (Pidou, M., 2006). Among the industrial wastewaters, the textile industry is long regarded as a water intensive sector, due to its high demand of water for all parts of its pro-cedures. Accordingly, textile wastewater includes quite a large variety of con-tents, chemicals, additives and different kinds of dyestuffs. The main environ-mental concern with this waste water is about the quantity and quality of the water discharged and the chemical load it carries. To illustrate, for each ton of fabric products, 20 – 350 m3 of water are consumed, which differs from the color and procedure used. The quality of the textile wastewater depends much on the employed coloring matters, dyestuffs, accompanying chemicals, as well as the process itself (Brik et al., 2006). MBR technology is recognised as a promising technology to provide water with reliable quality for reuse. It provides safely reuse water for non-potable use. But the treated textile wastewater by MBR technology alone can’t comply with the reuse or discharge standard in many countries due to its colouring matters and dyestuffs remained in the effluent, if otherwise, MBR is associated with other technology like NF, RO, other processes or the applied membrane is modified or a novel MBR is applied. Fouling is another limiting factor for worldwide application of MBR technology especially in high-strength industri-al wastewater like textile wastewater. Moreover, membrane fouling is regarded as the most important bottleneck for further development of MBR technology. It is the main limitation for faster development of this process, particularly when it leads to flux losses that cleaning cannot restore (Howell et al. 2004). In this thesis work, a novel membrane bioreactor (MBR) process was devel-oped by modifying a applied commercial PES UF membrane in MBR module by nano-structured novel coating through polymerisable bicontinuous micro-emulsion (PBM) process with the purpose of having higher hydrophilicity and low fouling propensity. Before starting the MBR experiments, some characteri-sation tests such as SEM, AFM images analysis, roughness measurements, pore geometry, contact angel, standard salt rejections, model textile dye rejec-tions were performed. In addition, fouling tests using two laboratory cross flow testing units were conducted as well. To reach the ultimate goal of research, 6 sheets of novel coated membranes with size of 30 cm × 30 cm were prepared and these were used to prepare a three-envelope MBR module of 25 cm × 25 cm in size (total membrane area 0.33 m2) similar to that of a commercially available three-envelope PES UF MBR module. This novel MBR module was tested in a submerged lab-scale MBR pilot plant (tank volume ca. 60 L) for about 6 months using model textile dye wastewater (MTDW) as test media for all experiments with the aim of having uniform compositions with respect to time. The tests were done based on carefully selected operation conditions. Prior to testing of the novel membrane module MBR, experiments were carried out with a commercial PES UF MBR module using the same pilot plant set up and the same selected operating conditions for about 10 months. After comple-tion of trials with the novel coated MBR module, similar experiments were carried out again with a commercial PES UF MBR module to check the simi-larity of the biological sludge conditions and other operation conditions as well. In short, the sequences of the experiments were as follows: Commercial PES UF MBR (10 months) →novel membrane coated MBR (6 months)→PES UF MBR (1.5 months) The ultimate goal of the experiments was to compare the results between the commercial MBR and novel coated MBR module in order to demonstrate im-provement regarding fouling propensity and permeate water quality. The performance analysis shows that the novel coated MBR module compared to the commercial MBR module has 7% points higher COD removal efficien-cy, 20% points higher blue dye removal efficiency, high antifoul-ing/antimicrobial properties, resulting in a very low-fluctuating and highly ro-bust MBR process which looks promising with regard to economic viability. Since the newly developed MBR module worked excellent on laboratory scale it consequently should be deployed at an industrial site to be tested with real ii wastewater. Therefore, this novel three-envelope MBR module is on the way to be tested with real wastewater in a textile factory in Tunisia. The findings of these on-site pilot trials will serve as a basis for further improvement and even-tually pilot trails with larger membrane area will be addressedItem Applicazione della distillazione a membrana a processi di interese industriale(2009-11-13) Carnevale, Maria Concetta; Drioli, Enrico; Criscuoli, Alessandra; Molinari, RaffaeleItem Membrane contactors for water purification and recovery factor increase in desalination plants(2008-11-17) Francesca Macedonio, Francesca Macedonio; Drioli, Enrico; Molinari, RaffaeleItem Membrane Emulsification to develop biohybrid microstructured and multifunctional systems(2009-11-13) Piacentini, Emma; Drioli, Enrico; Molinari, Raffaele; Giorno, Lidietta