Aerobic biodegradation of chlorinated solvents and plastics in batch and continuous-flow bioreactors: process development, and identification of suitable chemical pre-Treatments

The purpose of the first part of the research activity was to develop an aerobic cometabolic process in packed bed reactors (PBR) to treat real groundwater contaminated by trichloroethylene (TCE) and 1,1,2,2-tetrachloroethane (TeCA). In an initial screening conducted in batch bioreactors, different groundwater samples from 5 wells of the contaminated site were fed with 5 growth substrates. The work led to the selection of butane as the best growth substrate, and to the development and characterization from the site’s indigenous biomass of a suspended-cell consortium capable to degrade TCE with a 90 % mineralization of the organic chlorine. A kinetic study conducted in batch and continuous flow PBRs and led to the identification of the best carrier. A kinetic study of butane and TCE biodegradation indicated that the attached-cell consortium is characterized by a lower TCE specific degredation rates and by a lower level of mutual butane-TCE inhibition. A 31 L bioreactor was designed and set up for upscaling the experiment. The second part of the research focused on the biodegradation of 4 polymers, with and with-out chemical pre-treatments: linear low density polyethylene (LLDPE), polyethylene (PP), polystyrene (PS) and polyvinyl chloride (PVC). Initially, the 4 polymers were subjected to different chemical pre-treatments: ozonation and UV/ozonation, in gaseous and aqueous phase. It was found that, for LLDPE and PP, the coupling UV and ozone in gas phase is the most effective way to oxidize the polymers and to generate carbonyl groups on the polymer surface. In further tests, the effect of chemical pretreatment on polyner biodegrability was studied. Gas-phase ozonated and virgin polymers were incubated aerobically with: (a) a pure strain, (b) a mixed culture of bacteria; and (c) a fungal culture, together with saccharose as a co-substrate.

Relação entre resistência ao cisalhamento no plano e parâmetros processuais de co-cura de juntas em compósitos auto-reforçados de polietileno de matriz reprocessada

Este estudo investiga a otimização da resistência ao cisalhamento no plano de juntas de sobreposição co-curadas do compósito termoplástico unidirecional auto-reforçado de polietileno de baixa densidade reciclado reforçado por fibras de polietileno de ultra alto peso molecular através da relação desta resistência com os parâmetros processuais de prensagem a quente para a conformação da junta (pressão, temperatura, tempo e comprimento). A matriz teve sua estrutura química analisada para verificar potenciais degradações devidas à sua origem de reciclagem. Matriz e reforço foram caracterizados termicamente para definir a janela de temperatura de processamento de junta a ser estudada. A elaboração das condições de cura dos corpos de prova foi feita de acordo com a metodologia de Projeto de Experimento de Superfície de Resposta e a relação entre a resistência ao cisalhamento das juntas e os respectivos parâmetros de cura foi obtida através de equação de regressão gerada pelo método dos Mínimos Quadrados Ordinários. A caracterização mecânica em tração do material foi analisada micro e macromecanicamente. A análise química da matriz não demonstrou a presença de grupos carboxílicos que evidenciassem degradação por ramificações de cadeia e reticulação advindos da reciclagem do material. As metodologias de ensaio propostas demonstraram ser eficazes, podendo servir como base para a constituição de normas técnicas. Demonstrou-se que é possível obter juntas com resistência ótima ao cisalhamento de 6,88 MPa quando processadas a 1 bar, 115°C, 5 min e com 12 mm. A análise da fratura revelou que a ruptura por cisalhamento das juntas foi precedida por múltiplas fissuras longitudinais induzidas por sucessivos debondings, tanto dentro quanto fora da junta, devido à tensão transversal acumulada na mesma, proporcional a seu comprimento. A temperatura demonstrou ser o parâmetro de processamento mais relevante para a performance da junta, a qual é pouco afetada por variações na pressão e tempo de cura.

Integration of by-products and waste from agri-food supply chains into the «water-energy-food» nexus (RECOW-ER): the role of fungi

The agricultural sector is undoubtedly one of the sectors that has the greatest impact on the use of water and energy to produce food. The circular economy allows to reduce waste, obtaining maximum value from products and materials, through the extraction of all possible by-products from resources. Circular economy principles for agriculture include recycling, processing, and reusing agricultural waste in order to produce bioenergy, nutrients, and biofertilizers. Since agro-industrial wastes are principally composed of lignin, cellulose, and hemicellulose they can represent a suitable substrate for mushroom growth and cultivation. Mushrooms are also considered healthy foods with several medicinal properties. The thesis is structured in seven chapters. In the first chapter an introduction on the water, energy, food nexus, on agro-industrial wastes and on how they can be used for mushroom cultivation is given. Chapter 2 details the aims of this dissertation thesis. In chapters three and four, corn digestate and hazelnut shells were successfully used for mushroom cultivation and their lignocellulosic degradation capacity were assessed by using ATR-FTIR spectroscopy. In chapter five, through the use of the Surface-enhanced Raman Scattering (SERS) spectroscopy was possible to set-up a new method for studying mushroom composition and for identifying different mushroom species based on their spectrum. In chapter six, the isolation of different strains of fungi from plastic residues collected in the fields and the ability of these strains to growth and colonizing the Low-density Polyethylene (LDPE) were explored. The structural modifications of the LDPE, by the most efficient fungal strain, Cladosporium cladosporioides Clc/1 strain were monitored by using the Scanning Electron Microscope (SEM) and ATR-FTIR spectroscopy. Finally, chapter seven outlines the conclusions and some hints for future works and applications are provided.

Effetti della viscoelasticità sulla misura dell’energia di adesione tra film di polietilene

Lo stretch film è una diffusa applicazione per imballaggio dei film in polietilene (PE), utilizzato per proteggere diversi prodotti di vari dimensioni e pesi. Una caratteristica fondamentale del film è la sua proprietà adesiva in virtù della quale il film può essere facilmente chiuso su se stesso. Tipicamente vengono scelti gradi lineari a bassa densità (LLDPE) con valori relativamente bassi di densità a causa delle loro buone prestazioni. Il mercato basa la scelta del materiale adesivo per tentativi piuttosto che in base alla conoscenza delle caratteristiche strutturali ottimali per l’applicazione. Come per i pressure sensitive adhesives, le proprietà adesive di film stretch in PE possono essere misurati mediante "peel testing". Esistono molti metodi standard internazionali ma i risultati di tali prove sono fortemente dipendenti dalla geometria di prova, sulla possibile deformazione plastica che si verificano nel peel arm(s), e la velocità e temperatura. Lo scopo del presente lavoro è quello di misurare l'energia di adesione Gc di film stretch di PE, su se stessi e su substrati diversi, sfruttando l'interpretazione della meccanica della frattura per tener conto dell'elevata flessibilità e deformabilità di tali film. Quindi, la dipendenza velocità/temperatura di Gc sarà studiata con riferimento diretto al comportamento viscoelastico lineare dei materiali utilizzati negli strati adesivi, per esplorare le relazioni struttura-proprietà che possono mettere in luce i meccanismi molecolari coinvolti nei processi di adesione e distacco. Nella presente caso, l’adesivo non è direttamente disponibile come materiale separato che può essere messo tra due superfici di prova e misurato per la determinazione delle sue proprietà. Il presupposto principale è che una parte, o fase, della complessa struttura semi-cristallina del PE possa funzionare come adesivo, e un importante risultato di questo studio può essere una migliore identificazione e caratterizzazione di questo "fase adesiva".