By-products of the dairy farming as raw material for the biotechnology production of polyhydroxyalkanoates

I Poliidrossialcanoati (PHA) sono poliesteri completamente biodegradabili, prodotti da microrganismi come fonte di energia e di carbonio per la sintesi di nuovo materiale cellulare, utilizzando come substrato materie prime rinnovabili. Questi poliesteri sono considerati potenziali candidati per la sostituzione delle materie plastiche convenzionali. Tuttavia, i più alti costi di produzione dei PHA in confronto a quelli delle materie plastiche derivanti dal petrolio, rappresentano il principale ostacolo per la parziale sostituzione di questi ultimi con i biopolimeri. Gli alti costi sono principalmente dovuti all'utilizzo di colture microbiche pure (in cui sia presente un solo ceppo batterico) e substrati puri e costosi. Nell'ultimo decennio è stato sviluppato un processo di produzione a tre stadi alternativo e potenzialmente a minor costo, basato sull'utilizzo di colture microbiche miste (Mixed Microbials Culture, MMC) e una varietà di substrati organici a costo contenuto o nullo, quali alcuni rifiuti dell’industria agro-alimentare. Il presente studio si è concentrato sulla prima fase del processo di produzione dei PHA da colture miste, la fermentazione acidogenica, utilizzando siero di latte come fonte di carbonio per produrre acidi organici. In particolare questo lavoro ha avuto come obiettivo quello di studiare come diverse condizioni operative utilizzate nella fase di fermentazione acidogenica possono influenzare la concentrazione e il profilo degli acidi organici prodotti. Sono stati valutati anche gli effetti dei diversi profili degli acidi organici sulla fase di selezione della coltura microbica, in termini di capacità di stoccaggio di PHA e composizione polimerica.

Development of an innovative pyrolysis plant for the production of secondary raw materials

This project was born with the aim of developing an environmentally and financially sustainable process to dispose of end-life tires. In this perspective was devised an innovative static bed batch pilot reactor where pyrolysis can be carried out on the whole tires in order to recover energy and materials and simultaneously save the energy costs of their shredding. The innovative plant is also able to guarantee a high safety of the process thanks to the presence of a hydraulic guard. The pilot plant was used to pyrolyze new and end-life tires at temperatures from 400 to 600°C with step of 50°C in presence of steam. The main objective of this research was to evaluate the influence of the maximum process temperature on yields and chemical-physics properties of pyrolysis products. In addition, in view of a scale-up of the plant in continuous mode, the influence of the nature of several different tires as well as the effects of the aging on the final products were studied. The same pilot plant was also used to carry out pyrolysis on polymeric matrix composites in order to obtain chemical feedstocks from the resin degradation together with the recovery of the reinforcement in the form of fibers. Carbon fibers reinforced composites ad fiberglass was treated in the 450-600°C range and the products was fully characterized. A second oxidative step was performed on the pyrolysis solid residue in order to obtain the fibers in a suitable condition for a subsequent re-impregnation in order to close the composite Life Cycle in a cradle-to-cradle approach. These investigations have demonstrated that steel wires, char, carbon and glass fibers recovered in the prototypal plant as solid residues can be a viable alternative to pristine materials, making use of them to obtain new products with a commercial added value.

Strength development of single beech wood veneers considering different climate conditions

La tesi di laurea è stata svolta presso l’Università di Scienze Applicate di Rosenheim, in Germania; il progetto di ricerca si basa sulla tecnica di rinforzo conosciuta come “Soil Nailing”, che consiste nella costruzione di un’opera di sostegno nella realizzazione di pareti di scavo o nel consolidamento di versanti instabili. L’obiettivo principale dell’elaborato sarà quello di valutare la fattibilità dell’impiego di tubi fabbricati con legno di faggio, in sostituzione dei chiodi d’acciaio comunemente utilizzati; la scelta di questo tipo di legno è dettata dalla larga disponibilità presente in Germania. La sollecitazione principale su tali tubi sarà di trazione parallela alla fibratura, tramite test sperimentali è stato possibile valutare tale resistenza nelle diverse condizioni in cui si verrà a trovare il tubo dopo l’installazione nel terreno. A tal proposito è necessario specificare che, l’indagine per risalire all’influenza che le condizioni ambientali esercitano sull’elemento, verrà condotta su provini costituiti da un singolo strato di legno; in tal modo si può apprezzare l’influenza direttamente sull’elemento base e poi risalire al comportamento globale. I dati ottenuti dall’indagine sperimentale sono stati elaborati tramite la teoria di Weibull, largamente utilizzata in tecnologia dei materiali per quanto riguarda materiali fragili come il legno; tali distribuzioni hanno permesso la determinazione della resistenza caratteristica dei provini per ogni condizione ambientale d’interesse. Per quanto riguarda la valutazione della fattibilità dell’uso di tubi in legno in questa tecnica di consolidamento, è stato eseguito il dimensionamento del tubo, utilizzando i dati a disposizione ottenuti dall’indagine sperimentale eseguita; ed infine sono state eseguite le verifiche di stabilità dell’intervento.

Effects of elevated atmospheric CO2 and O3 on wood density, antomical proerties and decomposition of Northern Hardwoods

Anthropogenic activities continue to drive atmospheric CO2 and O3 concentrations to levels higher than during the pre-industrial era. Accumulating evidence indicates that both elevated CO2 and elevated O3 could modify the quantity and biochemistry of woody plant biomass. Anatomical properties of woody plants are largely influenced by the activity of the cambium and the growth characteristics of wood cells, which are in turn influenced by a range of environmental factors. Hence, alterations in the concentrations of atmospheric CO2 and / or O3 could also impact wood anatomical properties. Many fungi derive their metabolic resources for growth from plant litter, including woody tissue, and therefore modifications in the quantity, biochemistry and anatomical properties of woody plants in response to elevated CO2 and / or O3 could impact the community of wood-decaying fungi and rates of wood decomposition. Consequently carbon and nutrient cycling and productivity of terrestrial ecosystem could also be impacted. Alterations in wood structure and biochemistry of woody plants could also impact wood density and subsequently impact wood quality. This dissertation examined the long term effects of elevated CO2 and / or O3 on wood anatomical properties, wood density, wood-decaying fungi and wood decomposition of northern hardwood tree species at the Aspen Free-Air CO2 and O3 Enrichment (Aspen FACE) project, near Rhinelander, WI, USA. Anatomical properties of wood varied significantly with species and aspen genotypes and radial position within the stem. Elevated CO2 did not have significant effects on wood anatomical properties in trembling aspen, paper birch or sugar maple, except for marginally increasing (P < 0.1) the number of vessels per square millimeter. Elevated O3 marginally or significantly altered vessel lumen diameter, cell wall area and vessel lumen area proportions depending on species and radial position. In line with the modifications in the anatomical properties, elevated CO2 and O3, alone, significantly modified wood density but effects were species and / or genotype specific. However, the effects of elevated CO2 and O3, alone, on wood anatomical properties and density were ameliorated when in combination. Wood species had a much greater impact on the wood-decaying fungal community and initial wood decomposition rate than did growth or decomposition of wood in elevated CO2 and / or O3. Polyporales, Agaricales, and Russulales were the dominant orders of fungi isolated. Based on the current results, future higher levels of CO2 and O3 may have moderate effects on wood quality of northern hardwoods, but for utilization purposes these may not be considered significant. However, wood-decaying fungal community composition and decomposition of northern hardwoods may be altered via shifts in species and / or genotype composition under future higher levels of CO2 and O3.