Microalgae from wastewater as innovative biofiller for biopolymer compounds

Nowadays, it is universally recognized that environmental pollution will be the one of the greater challenges that mankind will have to deal with in the next years. The pollution issues are caused by the unstoppable increase of the world population and of industrialization. The request for non-biodegradable petrochemical-based products is continuously growing, despite the petroleum resources are non-renewable. This has stimulated research interest in biodegradable polymers, namely biopolymer, as alternatives to conventional polymers. As another important issue the large-scale production of wastewater is an inevitable consequence of all contemporary societies. Saline wastewater is extremely difficult and expensive to treat. Its discharge represents a major threat to the environment, due to the presence of organic content suspended solids, nutrients (mainly nitrogen and phosphorus), heavy metal and salt. In the light of the above written considerations, this thesis work is framed within the SaltGae project, which has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme. The aim of the project is to implement and demonstrate at large scale the long-term technological and economic feasibility of an innovative, sustainable and efficient solution for the treatment of high salinity wastewater with the use of microalgae. Furthermore, this project aims to provide an innovative way to valorise the algal biomass into different by-products, reducing the economic and environmental impact of the treatment. More specifically, the aims of this thesis work were to analyse and characterize biopolymers prepared with a plant protein and to evaluate the effect of the algal biomass behave as a biofiller. Wheat gluten was chosen for its peculiar properties like viscoelasticity, oxygen barrier and water insolubility, along with its full biodegradability. To obtain a gluten film, a plasticizer must be used; several substances belonging to the family of fatty acids (hexanoic and octanoic acids) and polyols (glycerol and 1,4-butanediol) were evaluated. The biopolymer was loaded with microalgal biomass: Spirulina Platensis and Tetraselmis Seucica. The films obtained were analysed with DSC, TGA, uniaxial tensile tests, DMA, contact angle tests, permeability tests, water sorption tests, accelerated test for air humidity sorption and SEM analyses. The addition of Spirulina improved the mechanical properties and thermal stability of the compounds. Finally, the compounds composition and processing was optimised for future tests at industrial level.

Oggigiorno è universalmente riconosciuto che l’inquinamento sarà il più grande problema che il genere umano dovrà affrontare nei prossimi anni. Questi problemi sono causati da un incontrollabile aumento della popolazione mondiale e del processo di industrializzazione. La richiesta di prodotti petrolchimici non biodegradabili è in continuo aumento, anche se le risorse petrolifere non sono rinnovabili e stanno diventando limitate. Questo ha stimolato l’interesse della comunità scientifica verso dei polimeri biodegradabili, chiamati biopolimeri, come alternativa ai convenzionali polimeri. Inoltre, la produzione su larga scala di acque reflue è una conseguenza inevitabile di tutte le società moderne. Le acque di scarico hanno composizioni estremamente complesse e sono difficili e costose da trattare. Il loro scarico presenta una grave minaccia per l’ambiente, a causa dell’elevata presenza di sostanze organiche e inorganiche, specialmente azoto e fosforo, sali e metalli pesanti. Per affrontare questo problema, il progetto SaltGae ha ricevuto i finanziamenti dal programma di ricerca e innovazione di Horizon 2020 dell'Unione Europea. L’obbiettivo del progetto è quello di implementare e dimostrare su larga scala la fattibilità tecnologica ed economica a lungo termine di una soluzione innovativa, sostenibile ed efficiente per il trattamento delle acque reflue ad alta salinità con l'uso di alghe. Inoltre, questo progetto mira a fornire un modo innovativo per valorizzare la biomassa proveniente dalle alghe in diversi sottoprodotti, riducendo l'impatto economico e ambientale del trattamento. Questo elaborato si sviluppa nell’ambito del progetto SaltGae; nello specifico ha avuto come scopo l’analisi e la caratterizzazione di biopolimeri provenienti da proteine vegetali e la valutazione del comportamento della biomassa come rinforzo meccanico. Il glutine proveniente dal grano è stato scelto come matrice per le sue peculiari proprietà che lo distinguevano dagli altri biopolimeri. Questa proteina vegetale presenta un comportamento viscoelastico, è insolubile in acqua e presenta ottime proprietà barriera per la diffusione dell’ossigeno. Per ottenere un biopolimero dal glutine è indispensabile l’utilizzo di un plastificante. In questo studio due classi diverse di plastificanti sono stati presi in considerazione: i polioli e gli acidi grassi. Tra i polioli sono stai scelti il glicerolo, che è un noto plastificante del glutine e il 1,4-butandiolo. Invece, l’acido esanoico e l’acido ottanoico sono stati selezionati tra gli acidi grassi. Gli acidi grassi sono meno utilizzati in letteratura come plastificanti, ma grazie alla loro struttura anfifilica, è noto che passano conferire al biopolimero comportamenti più idrofobici. Come biofiller sono stati studiate due specie di microalghe: Spirulina Platensis e Tetraselmis Seucica. I film ottenuti sono stati analizzati con DSC, TGA, test di trazione uniassiale, DMA, test di angolo di contatto, test di permeabilità, test di assorbimento dell'acqua, test accelerato di assorbimento dell'umidità dell'aria e analisi SEM. Dopo una prima parte di analisi e caratterizzazione, si è passati alla selezione e all’ottimizzazione dei compounds per un processo di scale-up.