Enhancement of bio-based industrial by-products for innovative applications in engineering

The extraction and production of material resources have a significant impact on the environment and human health, as well as on the economy. Even today, quality is synonymous with newness, for which a linear economic growth model is established, which has characterized history in the last century. Nowadays, safeguarding and saving the resources needed for the planet is becoming more and more important in the field of engineering and technologies. Materials science and engineering, thanks to the development of innovative materials through the reuse of old resources, offers various ideas for the creation of durable, multifunctional and, above all, consumption-friendly materials. In fact, the materials research sector is increasingly focusing on the enhancement of recycled raw materials, obtained from industrial by-products, for a more sustainable industry with a lower ecological impact, so as to ensure a circular economy. The present research aims to support these needs through the development and study of materials based on biological matrix industrial by-products in order to convert them back into resources for new applications. The study focused on various materials recoverable from industrial waste such as starch derivatives from food industries, cellulose fibers from toilet paper and polyhydroxyalkanoates (PHA) from the treatment of urban wastewater, wood fibers, macadamia shells and coffee grounds and their possible applications. In particular, hydraulic lime-based mortars reinforced with recovered cellulose fibers were made and tested, in terms of mechanical properties and durability, to reduce the environmental impact of materials in the field of construction engineering. The depolluting properties of some starch derivatives (cyclodextrins) were studied in terms of the ability to remove VOCs and particulate matter for the production of innovative filters for air treatment Regarding the PHAs, various extraction conditions (conventional, continuous and with Paar Reactor) were tested, including various pre-treatments (chemical and physical) to evaluate their influences on extraction yields. The extracted polymers were characterized from a mechanical, morphological, chemical and thermal point of view. Furthermore, composites based on wood fibers, macadamia and coffee grounds have been made to produce designer products by extrusion and compression moulding. The results show that the exploitation of these secondary subjects is possible, obtaining positive results in each proposed field. The addition of recovered cellulose fibers in mortars brings benefits in terms of flexural performance and hygrometric buffer capacity. The addition of cyclodextrins increases the efficiency of removing VOCs and the PM1 dimensional fraction of the filters. Biomass pre-treatments have significant influence on the properties of the extracted polymers. Lastly, composites based on PHA and wood fibers have demonstrate to be the most promising composite for compression moulding, presenting mechanical and thermal characteristics comparable to those containing commercial PHA.

L'estrazione e la produzione di risorse materiali hanno un impatto significativo sull'ambiente e sulla salute umana, oltre che sull'economia. Pertanto, ora, la salvaguardia e il risparmio delle risorse necessarie per il pianeta sta diventando sempre più importante nel campo dell'ingegneria e delle tecnologie. L’ingegneria della materia, grazie allo sviluppo di materiali innovativi tramite il riutilizzo di vecchie risorse, offre diversi spunti per la realizzazione di materiali durevoli, multifunzionali e, soprattutto, attenti al consumo. Difatti, il settore della ricerca sui materiali si sta focalizzando sempre più sulla valorizzazione di materie prime riciclate, ottenute da sottoprodotti industriali, per un'industria più sostenibile, a minore impatto ecologico, così da garantire un’economia circolare. La presente ricerca si propone di supportare queste esigenze attraverso lo sviluppo e lo studio di materiali a base di sottoprodotti industriali a matrice biologica al fine di convertirli nuovamente in risorse per nuove applicazioni. Lo studio si è focalizzato su vari materiali recuperabili da scarti industriali come derivati amidacei da industrie alimentari, fibre di cellulosa di carta igienica e poliidrossialcanoati (PHA) dal trattamento di acque reflue urbane, fibre di legno, di gusci di macadamia e da fondi di caffè e sulle loro possibili applicazioni. In particolare, sono state realizzate e testate malte a base di calce idraulica rinforzate con fibre di cellulosa di scarto, in termini di proprietà meccaniche e di durabilità, per diminuire l’impatto ambientale dei materiali nel campo dell’ingegneria edile. Sono state studiate le proprietà disinquinanti di alcuni derivati dell’amido (ciclodestrine) in termini di capacità di rimozione di COVs e del particolato per la creazione di filtri innovativi per il trattamento dell’aria. Riguardo i PHA, sono state sperimentate diverse condizioni estrattive (convenzionali, in continuo e con Paar Reactor), includendo anche vari pretrattamenti (chimici e fisici) per valutarne le influenze sulle rese di estrazione. I polimeri estratti sono stati caratterizzati dal punto di vista meccanico, morfologico, chimico e termico. Sono stati inoltre realizzati compositi a base di fibre di legno, di macadamia e di fondi di caffè, per produrre manufatti per il design tramite estrusione e stampaggio a compressione. I risultati mostrano che la valorizzazione di queste materie secondarie è possibile, ottenendo risultati positivi in ogni campo proposto. L'aggiunta di fibre di cellulosa recuperata nelle malte apporta benefici in termini di comportamento a flessione e capacità di tampone igrometrico. L'aggiunta di ciclodestrine aumenta l'efficienza di rimozione di COVs e della frazione dimensionale PM1 dei filtri. Si è dimostrato che i pretrattamenti sulla biomassa influenzano significativamente le proprietà dei polimeri estratti. Infine, i compositi a base di PHA e fibre di legno si sono mostrati i più promettenti per lo stampaggio a compressione, presentando caratteristiche meccaniche e termiche comparabili a quelle di compositi contenenti PHA commerciale.