Recycling and Valorization of Waste Cooking Oils: Process Optimization, Sustainability Assessment, and Industrial Applications

The rising global demand for edible vegetable oils has led to the generation of substantial quantities of used vegetable oils (UVOs), which pose significant environmental challenges if not properly managed. This thesis investigates the recycling and valorisation of the main constituents of UVOs (the Waste Cooking Oils arising from the food chain, WCOs) through the development of innovative, sustainable processes aimed at converting these wastes into valuable industrial products. The initial part of the research includes the development of a WCOs recycling process with a combination of water washing and bentonite filtration techniques. Statistical tools and green metrics evaluation allowed us to define the optimal process operative conditions from a technical and a sustainable point of view, the research demonstrated that the optimized process significantly reduces environmental impact, lowering equivalent CO2 emissions and minimizing waste generation, resulting in WCO-derived low-performance bio-lubricants suitable for everyday applications such as door hinges, chains, and low-speed machinery. Additionally, chemical and enzymatic hydrolysis were evaluated for converting recycled oil into free fatty acids, with chemical hydrolysis achieving higher yields but generating difficult byproducts. The enzymatic process, although yielding lower conversion rates, offers significant sustainability advantages due to its milder conditions and lower energy requirements. Optimization of the enzymatic process is essential to enhance its yield and become an eco-friendly alternative to chemical hydrolysis. Finally, this study explored the development of sustainable Low-Melting Mixture Solvents (LoMMSs) using FFAs derived from the hydrolysis and natural hydrogen bond donors: menthol and thymol. The results highlight the successful formation of stable LoMMSs with menthol, confirmed through 1H NMR spectroscopy and band gap energy Tauc plot analysis, demonstrating their potential as eco-friendly solvents for green chemistry applications.

La crescente domanda globale di oli vegetali edibili ha portato alla generazione di quantità significative di oli vegetali usati (UVOs), che pongono sfide ambientali rilevanti se non gestiti correttamente. Questa tesi indaga il riciclo e la valorizzazione dei principali costituenti degli UVOs (gli oli da cucina esausti derivanti dalla catena alimentare, WCOs) attraverso lo sviluppo di un processo di riciclo innovativo e sostenibile volto a convertire questo rifiuto in prodotti industriali di valore. La parte iniziale della ricerca comprende lo sviluppo di un processo di riciclo dei WCO combinando tecniche di lavaggio con acqua e filtrazione con bentonite. Strumenti statistici e la valutazione di metriche di sostenibilità ci hanno permesso di definire le condizioni operative ottimali del processo dal punto di vista tecnico ed ambientale. La ricerca ha dimostrato che il processo ottimizzato ha un impatto ambientale significativamente ridotto, con minime emissioni di CO2 equivalenti ed una produzione estremamente ridotta di rifiuti. E’ quindi possibile alle condizioni apena descritte produrre lubrificanti di origine biologica derivati dai WCOs, adatti per applicazioni dispersive come la lubrificazione di serrature e catene. Una ulteriore valorizzazione del prodotto riciclato, potenziale fonte di intermedi con alto valore industriale, è stata raggiunte mediante l'idrolisi chimica ed enzimatica dei trigliceridi contenuti nel raffinato. L'olio riciclato è stato converitto in acidi grassi liberi e glicerolo. L'idrolisi chimica che ha portato a rese più elevate rispetto al processo enzimatico sebbene impiegando acidi e basi forti. Il processo enzimatico, pur ottenendo tassi di conversione inferiori, offre notevoli vantaggi in termini di sostenibilità grazie alle sue condizioni più miti e al minor fabbisogno energetico. L'ottimizzazione del processo enzimatico è essenziale per migliorarne la resa e farne un'alternativa ecologica all'idrolisi chimica. Infine, questo studio ha esplorato lo sviluppo di miscele a basso punto di fusione (LoMMS) ad alto tasso di sostenibilità (ottenute da rifiuto) composte dagli acidi grassi liberi combinati con donatori di legami a idrogeno di origine naturale come il mentolo ed il timolo. I risultati evidenziano la formazione con successo di LoMMS stabili con il mentolo ma non con il timolo. Tramite spettroscopia 1H NMR e l’analisi dell’energia di band gap, una nuova miscela eutettica (acidi grassi:mentolo in rapporto molare 2:1) è stata ottenuta e caratterizzata.