From wastewater treatment to bioplastics : material properties and process development

The final aim of this work is to assess the feasibility of producing high-quality bioplastics, biofillers and biofertilisers from wastewater while reducing the overall costs and impacts for wastewater treatment plants. A model was developed on Matlab® Simulink based on a typical municipal WWTP to predict the overall production of Polyhydroxyalkanoates, struvite, biogas and algal fillers along with the electric consumptions. A sensitivity analysis has moreover allowed to identify the most impacting parameters and suggest optimization strategies. Along with that, two batches of PHAs-rich biomass obtained from a pilot plant underwent solvent extraction with chloroform obtaining a polymer with purity >98%. A differential scanning calorimetry analysis (DSC) performed on the material highlighted a Tm of +97°C associated to a specific enthalpy of melting of -60 J/g and a Tg of -8°C. A further analysis through hydrogen nuclear magnetic resonance (H-NMR) allowed to the identify the extracted material as a statistical copolymer of valerate-butyrate with molar ratio 70:30. Gel permeation chromatography tests led to a Mw of 2.58x10^5 and 1.45x10^5 for the first and second batch respectively. Besides the characterization of the pure material, a commercial blend based on poly-3-hydroxybutirate (P3HB) and two more blends prepared with the extracted PHA and pure P3HB or polylactic acid were characterised through thermogravimetric analysis, DSC, atomic force microscope and tensile tests.

L'obiettivo finale di questo lavoro è valutare la fattibilità della produzione di bioplastiche, biofillers e biofertilizzanti di alta qualità dalle acque reflue, riducendo al contempo i costi e gli impatti complessivi per gli impianti di trattamento delle acque reflue. È stato sviluppato un modello su Matlab® Simulink basato su un tipico WWTP municipale per prevedere la produzione complessiva di polidrossialcanoati, struvite, biogas e filler di alghe insieme ai consumi elettrici. Un'analisi di sensibilità ha inoltre permesso di identificare i parametri più impattanti e suggerire strategie di ottimizzazione. Insieme a ciò, due lotti di biomassa ricca di PHA ottenuti da un impianto pilota sono stati sottoposti a estrazione con solvente con cloroformio ottenendo un polimero con purezza >98%. Un'analisi calorimetrica a scansione differenziale (DSC) eseguita sul materiale ha evidenziato una Tm di + 97 ° C associata a una entalpia specifica di fusione di -60 J / ge una Tg di -8 ° C. Un'ulteriore analisi mediante risonanza magnetica nucleare all'idrogeno (H-NMR) ha permesso di identificare il materiale estratto come un copolimero statistico di valerato-butirrato con rapporto molare 70:30. I test di cromatografia a permeazione di gel hanno portato a un Mw di 2,58x10^5 e 1,45x10^5 rispettivamente per il primo e il secondo lotto. Oltre alla caratterizzazione del materiale puro, una miscela commerciale a base di poli-3-idrossibutirato (P3HB) e altre due miscele preparate con PHA estratto e P3HB puro o acido polilattico sono state caratterizzate attraverso analisi termogravimetriche, DSC, microscopio a forza atomica e prove di trazione.