Abstract Biomass is the most abundant renewable material present on Earth and has been widely used e.g. in energy production. Recently, new applications for biomass utilization have been developed, e.g. the use of biomass as a raw material for synthesizing new chemicals. This research aimed to produce activated carbon (AC) from waste wood-based materials and peat through carbonization followed by physical or chemical activation. Physical steam activation and chemical activation generate the porosity in AC after the carbonization. The desired properties of AC (porosity, pore size distribution, surface functionality) are dependent on the application in which AC is used. The first part of the research focused on setting up the carbonization and activation device. The most important variables affecting carbonization and activation and the AC properties were studied. The process parameters were optimized through the design of experiments (DOE). The results showed that in the physical activation, the most important variables affecting the characteristics of AC are the holding time, temperature, and the steam feed. Consequently, a model for tailoring the microporosity or mesoporosity of AC and maximizing the yield is proposed. The second part of the research focused on chemical activation using zinc chloride. The aim was to study the effect of activation variables on the yield and properties of AC. Finally, the use of AC as an adsorbent was studied. Especially, the applicability of birch sawdust based activated carbon on the removal of dyes, zinc metal, nitrate, phosphate, and sulfate ions was evaluated. Based on the results, a difference was shown between one and two step process for carbonization and activation, and a single-step process was suggested to maximize the quality of AC. / Tiivistelmä Biomassa on maapallon eniten saatavilla olevaa uusiutuvaa materiaalia, jota on hyödynnetty jo pitkään mm. energiantuotannossa. Viime aikoina uusia biomassan käyttökohteita on kehitetty laajalti, kuten esimerkiksi uusien kemikaalien valmistukseen. Tässä tutkimuksessa puupohjaista jätebiomassaa ja turvetta hyödynnetään fysikaalisesti ja kemiallisesti aktivoidun aktiivihiilen valmistuksessa. Fysikaalinen höyryaktivointi ja kemiallinen aktivointi lisäävät aktiivihiilen huokoisuutta hiilestyksen jälkeen. Aktiivihiilen halutut ominaisuudet (huokoskokojakauma, pinnan toiminnalliset ryhmät) määräytyvät käyttökohteen mukaan. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa keskityttiin hidas pyrolyysilaitteiston ja aktivointilaitteiston rakentamiseen sekä hiilestyksen ja aktivoinnin kannalta keskeisimpien muuttujien tutkimiseen. Prosessimuuttujien vaikutusten tarkastelussa ja optimoinnissa hyödynnettiin koesuunnitteluohjelmaa. Tulosten perusteella todettiin, että fysikaalisessa aktivoinnissa olennaisimmat muuttujat olivat lämpötila, pitoaika sekä höyrysyöttö. Tämän pohjalta esitettiin malli aktiivihiilen mikro- ja mesohuokoisuuden muokkaamiseksi ja saannon maksimoimiseksi. Tutkimuksen toisessa vaiheessa tutkittiin kemiallista aktivointia hyödyntämällä sinkkikloridia aktivointikemikaalina. Tavoitteena oli selvittää eri aktivointimuuttujien vaikutusta saantoon ja aktiivihiilen laatuun. Tutkimuksen viimeisessä vaiheessa tutkittiin valmistettujen aktiivihiilien käyttöä adsorbenttina. Erityisesti tutkittiin koivupurusta valmistetun aktiivihiilen soveltuvuutta väriaineiden, metallien ja anionien sidontaan. Tutkimuksen keskeisenä tuloksena voitiin osoittaa merkittävä ero yksi- ja kaksivaiheisen hiilestyksen ja aktivoinnin välillä, ja ehdotettiin yksivaiheista prosessia hiililaadun optimoimiseksi. / Sommario La biomassa è il materiale rinnovabile più abbondante presente sulla Terra ed è stata intensamente usata e.g. nella produzione di energia. Recentemente sono state sviluppate nuove applicazioni per la biomassa, ad esempio come materiale di base per sintetizzare nuovi prodotti chimici. Lo scopo di questa ricerca è produrre carbone attivo (CA) attraverso attivazione fisica e chimica da materiali legnosi di scarto come segatura, cippato e torba. L’attivazione fisica e l’attivazione chimica, creano la porosità nel CA dopo la carbonizzazione. Il prodotto finale può essere usato in differenti applicazioni in base a diversi fattori tra cui la distribuzione della porosità e la tipologia dei gruppi funzionali presenti sulla superficie. La prima fase della ricerca è stata dedicata alla progettazione e installazione dell’hardware necessario per l’attivazione e nell’individuazione dei parametri di processo più importanti. I parametri di processo sono stati ottimizzati attraverso il design of experiments (DOE) e sono state considerate le differenti variabili che interagiscono nella formazione del CA. I risultati hanno mostrato che i parametri di processo più importanti che influiscono sulle caratteristiche del CA sono il tempo, la temperatura di attivazione e la quantità di vapore iniettato nel reattore. È stato proposto un modello per progettare CA microporoso o mesoporoso con massa finale massimizzata. La seconda parte della ricerca è stata incentrata sull’attivazione chimica con cloruro di zinco. Lo scopo é stato studiare l’effetto delle variabili di attivazione su massa finale e proprietà del carbone attivo. Infine, è stata studiato il CA come adsorbente. In particolare è stata considerata l’applicabilità del CA da segatura di betulla per la rimozione di coloranti, zinco metallico, ioni di nitrato, fosfato e solfato. In base a questi risultati, una differenza é stata evidenziata tra il processo di carbonizzazione e attivazione a uno o due stadi, ed il processo a singolo stadio è stato proposto per massimizzare la qualità del CA.

In questo lavoro viene presentata una metodologia di analisi del sistema delle infrastrutture verdi/grigie degli ambienti urbani classificabili per la loro sostenibilità ambientale. Questa analisi, permette la costruzione di una matrice che può essere analizzata matematicamente. Il problema di knapsack a scelta multipla è la base dell'approccio dove viene proposto un algoritmo risolutivo efficiente per ottenere la soluzione ottima lineare al problema, e tale metodo algoritmico viene incorporato in un algoritmo di programmazione dinamica per il problema intero. Nel caso trattato la seconda funzione obiettivo è stata utilizzata per minimizzare la differenza complessiva tra gli stati di competenza di ciascuna infrastruttura. Un ulteriore set di vincoli è stato usato nelle due macroclassi contenenti rispettivamente le infrastrutture di tipo pubblico e di tipo privato. Il modello utilizzato in questo lavoro è stato sviluppato ad-hoc per rappresentare il problema decisionale considerato e tutte le sue caratteristiche peculiari. Il modello sviluppato presenta dunque elementi di originalità, al meglio della conoscenza dell'autore. A migliorare l'accettabilità delle scelte progettuali è stato introdotto anche il processo di progettazione partecipata attraverso l'electronic town meeting. Le risultanze di tale approccio metodologico ottimizza l’impiego di risorse economiche limitate verso una migliore qualità della vita negli ambienti urbani. / In this paper we present a methodology for analyzing the system of green/gray infrastructure urban environments classified for their environmental sustainability. This analysis, allows the construction of a matrix that can be analyzed mathematically. The knapsack problem of multiple choice is the basis of the approach is proposed where a resolutive efficient algorithm to obtain the optimal solution to the problem linear, and this algorithmic method is incorporated in a dynamic programming algorithm for the entire problem. In the case treated the second objective function has been used to minimize the overall difference between the states of competence of each infrastructure. A further set of constraints has been used in the two macroclasses containing respectively the infrastructure type of public and private type. The model used in this work was developed ad hoc to represent the decision problem under consideration and all its characteristics. The model developed thus presents elements of originality, to the best knowledge of the author. To improve the acceptability of the design choices is also introduced the process of participatory planning through the electronic town meeting. The results of this methodological approach optimizes the use of limited financial resources towards a better quality of life in urban environments.

La description détaillée des systèmes désordonnés et vitreux représente un défi central en physique statistique et de la matière condensée, puisqu'à ce jour il n'existe pas de théorie unique et établie permettant de comprendre ces systèmes, pourtant omniprésents.Ce travail de recherche est lié en particulier à l'étude des matériaux vitreux à basse température. Plus précisément, si l'on considère des systèmes formés par un ensemble de particules athermiques avec des interactions répulsives de portée finie, en augmentant la densité, on peut observer une transition dite d'encombrement ("jamming"). Celle-ci consiste en un blocage des degrés de liberté accompagné par une augmentation spectaculaire de la rigidité du matériau.Nous étudierons ce problème à l’aide d’une analogie formelle entre des modèles de sphères et le perceptron, un modèle théorique qui développe une transition d'encombrement et des phénomènes de frustration typiques des systèmes désordonnés.En tant que modèle en champ moyen, il permet d'obtenir des résultats analytiques précis et généralisables à des systèmes à haute dimension.L'enjeu majeur de cette étude est de reconstruire le spectre des modes de vibration et toutes les propriétés pertinentes d'une phase spécifique (correspondant au régime dit des sphères dures).Dans ce cadre, nous dériverons le potentiel effectif en fonction des paramètres d'ordre du modèle et nous montrerons qu'il est dominé à proximité du point de jamming par une interaction logarithmique non triviale, qui clarifiera le lien entre les forces de contact et les distances moyennes entre les particules, dans la région critique et au-delà.Comprendre pleinement la transition d'encombrement et les propriétés du perceptron nous permettra de faire des progrès dans plusieurs domaines reliés. En premier lieu, cela peut conduire à une théorie complète des systèmes amorphes, à la fois en dimension infinie et en dimension finie.De plus, le modèle du perceptron semble avoir un lien étroit avec des problèmes dits de Von Neumann. En effet, les systèmes biologiques et écologiques développent souvent des propriétés liées à une condition pseudo-critique en mettant en oeuvre des mécanismes d'optimisation de ressource-consommation.Est-il possible d'identifier un régime caractérisé par une brisure de symétrie? Quel serait le spectre de fluctuations d'énergie dans ces systèmes?Ce ne sont que quelques-unes des questions auxquelles nous essayerons de répondre dans cette thèse.Cependant, l'approximation de champ moyen peut parfois fournir des informationsincorrectes ou trompeuses, en particulier dans l'étude de certaines transitions de phase et la détermination des dimensions critiques inférieure et supérieure.Afin d'avoir une vue d'ensemble et pouvoir manipuler correctement des systèmes en dimension finie, dans la suite de la thèse nous discuterons comment obtenir un développement perturbatif systématique, applicable à tout modèle, à condition que ce dernier soit défini sur un réseau ou un graphe biparti.Notre motivation est en particulier liée à la possibilité d'étudier certaines transitions de phase du second ordre qui existent sur le réseau de Bethe - c'est-à-dire un réseau en arbre sans boucles dont chaque noeud a une connectivité fixe - mais qui sont qualitativement différentes ou absentes dans le modèle entièrement connecté correspondant. / The detailed description of disordered and glassy systems represents an open problem in statistical physics and condensed matter. As yet, there is no single, well-established theory allowing to understand such systems. The research presented in this thesis is related in particular to the study of glassy materials in the low-temperature regime. More precisely, considering systems formed by athermal particles subject to repulsive short-range interactions, upon progressively increasing the density, a so-called jamming transition can be detected. It entails a freezing of the degrees of freedom and hence a huge increase of the material rigidity.We shall study this problem in view of a formal analogy between sphere models and the perceptron, a theoretical model undergoing a jamming transition and frustration phenomena typical of disordered systems. Being a mean-field model, it allows to obtain exact analytical results, which are generalizable to more complex high-dimensional settings.The main aim is to reconstruct the vibrational spectrum and all the relevant properties of a specific phase of the perceptron, corresponding to the hard-sphere regime.In this framework, we will derive the effective potential as a function of the gaps between and forces among the particles, and we will show that it is dominated by a non-trivial logarithmic interaction near the jamming point. This interaction in turn will clarify the relations existing between the relevant variables of the system, in the critical jamming region and beyond.Understanding the jamming transition and the perceptron properties will allow us to make progress in several related fields. First, this study could lay part of the groundwork towards a complete theory of amorphous systems, in both infinite and finite dimensions. Furthermore, the perceptron model seems to a have a close connection with the so-called Von Neumann problems. Indeed, biological and ecological systems often develop pseudo-critical properties and give rise to general mechanisms of resource-consumption optimisation.Is the identification of a broken symmetry regime possible? What would it yield in terms of the spectrum of the energy fluctuations?These are just a few questions we shall attempt to answer in this context.However, the mean-field approximation can sometimes provide wrong or misleading information, especially in studying certain phase transitions and determining the exact lower and upper critical dimensions. To have a broad perspective and correctly deal with finite-dimensional systems, in the second part of the thesis we will discuss obtaining a systematic perturbative expansion which can be applied to any model, as long as defined on a lattice or a bipartite graph.Our motivation is in particular due to the possibility of studying relevant second-order phase transitions which exist on the Bethe lattice — a lattice with a locally tree-like structure and fixed connectivity for each node — but which are qualitatively different or absent in the corresponding fully-connected version.

Penicillium nordicum è un importante contaminante di salumi, rappresentanando il 10 % e il 26 % della popolazione di Penicillium spp . isolati , rispettivamente dall'aria e dai prodotti carnei stagionati in un'indagine gestita in Italia ( Battilani et al. , 2007). Diverse colonie di P. nordicum isolate dai salumi hanno dimostrato di essere importanti produttori di ocratossina A , OTA ( Sansom e Frisvad , 2004 . Pietri et al, 2006 ; . Battilani et al , 2010). Attualmente, l'impostazione appropriata delle condizioni ambientali (temperatura, umidità relativa e circolazione dell'aria ), è l'unico strumento accettato per impedire la crescita incontrollata di P. nordicum all'interno degli impianti di stagionatura attraverso una accurata analisi dei punti critici di controllo e l’ideazione di un relativo piano HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Points) ben struttutato ( Asefa et al , 2011; Virgili et al , 2012). Anche se il sistema HACCP è stato applicato con successo nel settore alimentare ci sono rischi per la sicurezza alimentare non attentamente considerati. Questo è particolarmente vero per quanto riguarda i rischi micotossigeni associati ai prodotti alimentari di origine animale. Il termine "rischi micotossigeni" è utilizzato da Asefa et al. ( 2011) per descrivere lieviti patogeni e metaboliti secondari tossici prodotti da specie fungine tossigene che contaminano i prodotti alimentari e incidono sulla sicurezza alimentare. La maggior parte dei piani HACCP nelle attività di trasformazione alimentare, come ad esempio la produzione di formaggi e di prodotti carnei stagionati, tiene in considerazione principalmente il rischio derivante da agenti batterici (Arvanitoyannis e Mavropoulos, 2000; Barbuti e Parolari, 2002) anche se tali prodotti alimentari vengono spesso contaminati da funghi micotossigeni e dai loro metaboliti (Spotti et al 1989; Spotti et al , 2001a; Battilani et al 2007). Pertanto, dovrebbe essere cruciale definire un piano HACCP specificamente incentrato sui rischi micotossigeni. L'identificazione, il controllo e la standardizzazione della micoflora superficie dei salumi è fondamentale per preservare la sicurezza delle produzioni e la salute dei consumatori . Questo è il contesto in cui deve essere valutata l’efficacia e l’affidabilità per l’identificazione delle popolazioni di Penicillium spp di interessante per la produzione alimentare. In questo contesto , il progetto di ricerca di questa tesi di dottorato ha cercato di approfondire le conoscenze su tali tematiche con l'intento di limitare il rischio micotossigeno nella catena di produzione dei prodotti carnei stagionati. Sono stati affrontati i seguenti argomenti: 1 . studio della composizione e dinamica della microflora fungina presente sulla superficie dei salumi (prodotto testato, salame) e l'aria di ambienti di stagionatura tenendo conto dell'influenza di alcuni parametri di processo (inoculo starter, temperatura, fase produttiva). 2 . sviluppo di un metodo MALDI TOF MS per l'identificazione di Penicilium a livello di specie per le prospettive future di screening diretti della microflora presente sui salumi. 3 . confronto e integrazione di diverse tecniche, come l'analisi morfologica, l’analisi molecolare e l’analisi tramite spettrometria di massa, per l'identificazione delle specie di Penicillium presenti nei salumi. 4 . valutazione dei lieviti selezionati, isolati dalla superficie di prosciutto crudo, per competere con P. nordicum ed inibire l'accumulo di OTA nella prospettiva del loro uso come starter superficiali con funzione di agenti di biocontrollo. / Penicillium nordicum is an important contaminant of cured meat products, representing 10% and 26% of the Penicillium spp. isolated, respectively, from the air or the products in a survey managed in Italy (Battilani et al., 2007). Several P. nordicum cured meat isolates proved to be important producers of ochratoxin A, OTA (Sansom and Frisvad, 2004; Pietri et al., 2006; Battilani et al., 2010). Currently, the appropriate setting of environmental conditions (temperature, relative humidity and air circulation), is the only accepted tool to prevent the uncontrolled growth of P. nordicum inside dry-curing plants through a carefully structured Hazard Analysis Critical Control Point (HACCP) plan (Asefa et al., 2011; Virgili et al., 2012). Even if the HACCP system has been successfully applied in the food industry, there are food safety hazards not carefully considered. This is especially true with regard to mycotoxigenic hazards associated with animal food products. The term “mycotoxigenic hazards” is used by Asefa et al. (2011) to describe pathogenic yeasts and toxic secondary metabolites of toxigenic moulds that contaminate food products and affect food safety. Most HACCP plans in food processing activities, such as the production of cheese and dry-cured meat products, considered mainly bacterial agents (Arvanitoyannis and Mavropoulos, 2000; Barbuti and Parolari, 2002), even if such food products get often contaminated with mycotoxigenic fungi and their metabolites (Spotti et al 1989; Spotti et al., 2001a; Battilani et al 2007). Therefore, it should be crucial to define a HACCP plan specifically focused on the mycotoxigenic hazards. The identification, control and standardization of the surface mycoflora of cured meat products is mandatory to preserve the productions safety and the consumers health. This is the context of the effectiveness and reliability evaluation for the Penicillium spp. identification methods of interesting species for food production. In this context, the research project of this PHD thesis tried to fill some gaps of knowledge with the attempt to limit the mycotoxigenic risk in the cured meat products chain. The following topics were faced: 1. study of the composition and dynamic of fungal microflora present on the surface of cured meat products (salami) and the air of seasoning environments taking into account the influence of some process parameters (starter inoculum, curing temperature, stage of seasoning). 2. development of a MALDI TOF MS method for the identification of Penicilium at species level for future direct screening perspectives of the microflora present on cured meat products. 3. comparison and integration of different techniques, as morphological, molecular and mass spectral analysis, for the identification of Penicillium species in cured meat products. 4. evaluation of selected yeasts, isolated from dry-cured ham surface, to compete with P. nordicum and to inhibit OTA accumulation in the perspective of their use as surface starter biocontrol agents.