Lignocellulosic feedstock by short supply chain: characterization, organization of new value chains and possible innovation in coating industry
Author(s)
Tamantini, Swati
Date Issued
March 28, 2023
Type
Doctoral Thesis
Abstract
In the last century, humans put a strain on the environment endangering the ecosystems’ resilience, hence the introduction of two key concepts: sustainability and sustainable development. Circular and bioeconomy are the main pillars of the challenge presented by these concepts. In this context, wood could play an important role as a natural, renewable and bountiful material. The necessity to re-think the whole forest-wood value chain comes from the fact that even the few well-known assessed ones in Italy may be threatened by climatic changes, pests and environmental stresses in the future. Of course, the first focus is forests’ conservation, but we need to bear in mind their role in territories economy as well. Indeed, forest-wood chain must become more efficient. Forest wood chain residues and poor-quality wood usually become biomass for energy. Because of the quick development of forest biorefinery, the elementary constituents of wood should be considered as an opportunity, as opposed to building biomass plant for energy purposes only. Forest biomass and wood residues have interesting applications: they can be recovered by biorefineries in order to obtain different biochemicals and, therefore, many end products. In Italy, forest biorefineries are not well developed so the first contribute of this work is to suggest the establishment of a new forest biorefinery, which would add value to the whole chain and allow to look at the gaps along the chain itself. In recent years, sweet chestnut wood (Castanea sativa Mill.) coming from the short supply chain in Central Italy has frequently showed chromatic aberrations, threatening the whole chain. Discolored wood may still be useful to a forest biorefinery, both on large and small scale. The last goal of this thesis is to present the modification of a commercial waterborne acrylic varnish by addition of cellulose nanocrystals (CNC) recovered from the forest-wood chain residues and to analyze its performance when applied on European beech (Fagus sylvatica L.) and Norway spruce wood (Picea abies (L.) H. Karst.). Finally, this paper offers new eco-friendly coatings for wood protection against fungi, solar radiation, water impregnation and physical damage. The different formulations were analyzed in order to test coating viscosity, coating uptake, artificial weathering (xenon sunlight and wet cycles), resistance to fungi (Gloeophyllum trabeum, brown rot, Trametes versicolor, white rot, and blue stain Aureobasidium pullulans and Sclerophoma pithyophila), physical tests (adhesion, impact and scratch tests), water permeability by means of contact angle, chemical analysis by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) and morphological analysis by Scanning electron microscope (SEM) observation.
Nel secolo scorso, l’uomo ha messo a dura prova l’ambiente mettendo a rischio la resilienza degli ecosistemi, da qui l’introduzione di due concetti chiave: sostenibilità e sviluppo sostenibile. Economia circolare e bioeconomia sono i pilastri portanti della sfida lanciata dai concetti sopranominati. In questo contesto, il legno potrebbe svolgere un ruolo importante come abbondante materiale naturale e rinnovabile. La necessità di ripensare l’intera filiera foresta-legno deriva dal fatto che anche le filiere ben assestate in Italia potrebbero in futuro essere minacciate da cambiamenti climatici, parassiti e stress ambientali. Certo, il primo obiettivo è la conservazione delle foreste, ma bisogna tenere presente anche il loro ruolo nell’economia dei territori. La filiera foresta-legno, infatti, deve diventare più efficiente. I residui della catena del legno forestale e il legno di scarsa qualità di solito diventano biomassa per l’energia. A causa del rapido sviluppo della bioraffineria forestale, i costituenti elementari del legno dovrebbero essere considerati un’opportunità, in contrapposizione alla costruzione di impianti a biomasse per soli fini energetici. La biomassa forestale e i residui legnosi hanno applicazioni interessanti: possono essere recuperati dalle bioraffinerie per ottenere diversi composti biochimici e, quindi, molti prodotti finali. In Italia le bioraffinerie forestali non sono molto sviluppate, quindi, il primo contributo della presente tesi è quello di suggerire l’istituzione di una nuova bioraffineria forestale, che aggiungerebbe valore all’intera filiera e permetterebbe di guardare ai gap lungo la filiera stessa. Negli ultimi anni, il legno di castagno dolce (Castanea sativa Mill.) proveniente dalla filiera corta del centro Italia ha mostrato frequentemente aberrazioni cromatiche, minacciando l’intera filiera. Il legno difettato può ancora essere utile in una bioraffineria forestale, sia su grande che su piccola scala. L’ultimo obiettivo di questa tesi è presentare la modifica di una vernice acrilica all’acqua commerciale mediante l’aggiunta di nanocristalli di cellulosa (CNC) recuperati dai residui della filiera foresta-legno e analizzarne le prestazioni quando applicata su faggio europeo (Fagus sylvatica L.) e abete rosso (Picea abies (L.) H. Karst.). Infine, il presente studio offre nuovi rivestimenti ecologici per la protezione del legno da funghi, radiazioni solari, impregnazione d’acqua e danni fisici. Le diverse formulazioni sono state analizzate per testare la viscosità del rivestimento, l’assorbimento del rivestimento da parte del substrato, l’invecchiamento artificiale (luce solare allo xeno e cicli umidi), la resistenza ai funghi (Gloeophyllum trabeum, carie bruna, Trametes versicolor, carie bianca, Aureobasidium pullulans e Sclerophoma pithyophila, muffe), prove fisiche (prove di adesione, impatto e abrasione), permeabilità all’acqua mediante angolo di contatto, analisi chimiche mediante spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) e analisi morfologiche mediante osservazione al microscopio elettronico a scansione (SEM).
Additional information
Dottorato di ricerca in Scienze, tecnologie e biotecnologie per la sostenibilità
Subjects