Tematiche di ricerca

La sostenibilità ambientale è diventata un tema sempre più rilevante nel panorama globale attuale. Per questo motivo, l'attenzione verso la circolarità dei processi produttivi, il riciclo e il recupero di biomasse e scarti industriali sta diventando sempre più importante. L'obiettivo è quello di ridurre l'impatto ambientale e promuovere la sostenibilità dei processi produttivi, incentivando l'uso di materiali e risorse rinnovabili. In questo contesto, la ricerca sta sviluppando tecnologie innovative per il trattamento e il riutilizzo dei rifiuti, la valorizzazione delle biomasse e lo sviluppo di processi produttivi sempre più sostenibili.

La riduzione delle emissioni di CO2 è uno degli obiettivi principali per contrastare il cambiamento climatico e raggiungere gli obiettivi di mitigazione stabiliti dagli accordi internazionali. La tecnologia svolge un ruolo fondamentale in questo processo, e la ricerca di tecnologie sostenibili per la riduzione delle emissioni di CO2 e l'economia low-carbon è di grande importanza. Questa attività di ricerca si concentra sullo sviluppo di tecnologie e processi sostenibili per la cattura e valorizzazione della CO2 in combustibili o composti chimici ad elevato valore aggiunto. Le principali linee di ricerca includono la conversione foto/elettro-catalitica della CO2, la cattura della CO2 con materiali micro e mesoporosi, la conversione catalitica di CO2 in metano ed altri idrocarburi e la conversione biologica per la produzione di bio-plastiche o metano. Inoltre, l'analisi di sostenibilità dei processi tramite Life Cycle Assessment (LCA) rappresenta un importante elemento dell'attività di ricerca. La modellazione multiscala (dalla DFT su scala molecolare a quella reattoristica, come software quali COMSOL, fino a quella processistica) consente di ottimizzare i processi basati sui catalizzatori sviluppati, elevandone i TRL da 2-3 o 5-6 (a seconda delle tecnologie) fino a 7.

La protezione dell'ambiente e lo sviluppo di tecnologie sostenibili sono diventati temi sempre più importanti a livello globale. In questo contesto, sono numerose le nuove tecnologie che permetto una ridurre le emissioni inquinanti e un minore consumo di energia durante la produzione. Tra queste, le tecnologie catalitiche rappresentano un'importante opportunità.

La ricerca si concentra sullo sviluppo di catalizzatori innovativi per il trattamento degli inquinanti in fase gassosa e liquida, con l'obiettivo di minimizzare l'impatto ambientale. Vengono inoltre studiati processi di fotocatalisi ed elettrocatalisi per l'abbattimento degli inquinanti e trattamenti ossidativi avanzati per la purificazione delle acque. Questo campo di ricerca sta contribuendo significativamente alla promozione della sostenibilità ambientale e energetica.

Nell’ambito della produzione ed accumulo dell’energia, i sistemi elettrochimici giocano un ruolo di sempre maggiore importanza nella transizione elettrica dei mezzi di mobilità e delle energie rinnovabili. In questo contesto le celle a combustibile e le batterie elettrochimiche hanno un notevole sviluppo industriale. Le ricerche si concentrano su:

  1. sviluppo di catalizzatori a basso o nullo tenore di metalli nobili e studio delle reazioni elettrochimiche alla base delle celle a combustibile sia ad idrogeno sia con altri composti gassosi o liquidi (alcoli), per applicazione nei veicoli elettrici in particolare di grandi dimensioni (truck, treni, aerei, navi), nell’accumulo dell’energia stazionaria e per il bilanciamento della rete;
  2. sviluppo dei processi per la sintesi di materiali per celle elettrochimiche innovative, riducendo l’uso di materiali critici, studiando le metodologie di produzione pre-industriale ottimizzando e riducendo i consumi nella realizzazione di celle disegnate per essere riciclate. I processi chimici alla base della produzione dei materiali per le batterie sono parte dell’attività sia sperimentale sia modellistica. Inoltre, un ruolo molti importante è ricoperto dallo studio delle interfacce tra elettrodo ed elettrolita per una maggiore comprensione dei fattori elettrochimici e termodinamici delle celle elettrochimiche.

La modellazione matematica e la simulazione al computer sono diventate uno strumento essenziale per la ricerca in ingegneria chimica. Per uno studio accurato dei processi chimici è necessario investigare i fenomeni di trasporto e reazione su scale molto diverse, dalla scala dell'atomo a quella dell'unità di processo. Questo crea la necessità di workflow di simulazione multi-scala, in grado di esplorare la realtà a tutti i livelli tramite l’uso di software per la risoluzione dettagliata di equazioni di trasporto aiutati da strumenti di intelligenza artificiale.

La progettazione di processi chimici e la loro ottimizzazione sono spesso eseguite con l'ausilio di simulazioni al computer. Gli algoritmi di apprendimento automatico stanno dimostrando grande successo nelle capacità predittive e possono essere impiegati in sinergia con la modellazione classica. 

Il sistema di monitoraggio di un processo mette spesso a disposizione un gran numero di informazioni, ed è sempre più spesso opportuno ricorrere a metodi PCA-PLS per il monitoraggio in-line ed off-line di un processo, o a controllori statistici di processo per identificare fuori-specifica (control charts).

La massa di dati messa a disposizione dal sistema di monitoraggio di processo può essere utilizzata ai fini della operatività e sicurezza dello stesso, per esempio sviluppando soft sensor o twin model del processo e dell’interfaccia impianto-operatore (HMI), o sviluppando algoritmi per identificare anomalie di processo derivanti da disturbi fisici o cyber.

L’industria farmaceutica e alimentare sta investendo molto sullo sviluppo di nuovi metodi, che combinano la modellazione matematica con un numero ristretto di esperimenti, per lo sviluppo e l’ottimazione di processo, nonché di strumenti analitici per il monitoraggio non invasivo del prodotto in fase di essiccamento. Anche il problema della formulazione farmaceutica è affrontato con metodiche non convenzionali che prevedono la combinazione di studi teorico modellistici su scala molecolare e campagne sperimentali. Nel dottorato inoltre viene affrontata la sfida del design di nanoparticelle multifunzionali e teranositche, della ricerca di nuove sostanze antimicrobiche sviluppando film contenenti nanoparticelle e/o olii essenziali per applicazioni in campo medico (wound dressing) e alimentare (packaging bioattivo), della funzionalizzazione di carrier con principi attivi al fine di ottenere dispositivi farmaceutici a rilascio controllato di farmaci (anche usando la tecnologia dei fluidi supercritici).

Identificato dalle istituzioni europee come settore strategico per la transizione verso un'industria circolare e sostenibile (Textiles strategy (europa.eu), il settore tessile offre numerosi spunti per la ricerca: sviluppo di processi di tintura e finissaggio più efficienti e sostenibili, trattamenti per la riduzione di emissione di microplastiche nell'ambiente, applicazione dei principi di scambio di calore nello sviluppo di abbigliamento sportivo ad alte prestazioni.

L'analisi multirischio di sistemi socio-tecnici complessi studia i fattori che, in diversi domini applicativi, influenzano la sicurezza e la resilienza di sistemi che coinvolgono interazioni tra componenti tecnologiche e sociali (umane e organizzative), gli impianti di processo ed energetici, le infrastrutture critiche o le catene di approvvigionamento (di materie prime e prodotti). E' previsto lo sviluppo di metodi e strumenti per valutare e gestire i rischi derivanti da eventi di origine naturale o antropica, tenendo conto delle interdipendenze e delle retroazioni tra i diversi elementi del sistema, considerati in modo dinamico.