ETD

• Biofuel
• Biomass
• Biorefinery
• Catalysis
• Chemical platform
• Green Chemistry
• Waste valorisation

The environmental impact of fossil fuel exploitation has driven the research interest in biomass as a renewable and sustainable carbon source. This thesis investigates chemical and thermochemical conversion strategies for the valorisation of waste and low-value biomass into biofuels and value-added chemicals, within an integrated biorefinery framework. The first part of the work focuses on the synthesis of ethyl levulinate (EL) via acid-catalysed ethanolysis of hexose-based model substrates and real waste biomasses from the food supply chain. EL was subsequently evaluated as a bio-additive for gasoline in a spark-ignition engine, and as a reactive intermediate for the synthesis of a bio-based alternative to bisphenol A. The second part addresses the valorisation of hemicellulose-derived furfural through transfer hydrogenation to furfuryl alcohol, employing ethanol as both solvent and hydrogen donor in the presence of non-noble metal catalysts based on Aluminium and Zirconium complexes. Finally, the oxy-steam gasification of pulp and paper mill sludge is investigated as a thermochemical valorisation strategy, carried out in a downdraft fixed-bed gasifier, targeting the production of hydrogen-rich syngas and the characterisation of the resulting solid by-products.

L'impatto ambientale derivante dallo sfruttamento delle riserve fossili ha orientato l'interesse della ricerca verso la biomassa come fonte sostenibile per la produzione di energia e di prodotti chimici. Questa tesi esplora strategie di conversione chimica e termochimica per la valorizzazione di biomasse di scarto e a basso valore aggiunto in biocarburanti e prodotti chimici ad alto valore, in accordo con i principi di bioraffineria ed economia biocircolare.
La prima parte del lavoro riguarda la sintesi dell'etil levulinato (EL) mediante etanolisi diretta acido-catalizzata di substrati modello a base di esosi e di biomasse reali di scarto provenienti dalla filiera alimentare. L'EL è stato successivamente valutato come bio-additivo per la benzina in un motore commerciale, e come intermedio reattivo per la sintesi di un'alternativa bio-based al bisfenolo A.
La seconda parte affronta la valorizzazione del furfurale, derivato dall'emicellulosa, tramite transfer hydrogenation ad alcol furfurilico, impiegando l'etanolo sia come solvente green che come donatore di idrogeno, in presenza di catalizzatori a base di metalli non nobili, in particolare complessi di Alluminio e Zirconio.
Infine, viene studiata la gassificazione oxy-steam di fanghi di cartiera come strategia di valorizzazione termochimica, condotta in un gassificatore a letto fisso (downdraft), con l'obiettivo di produrre syngas ricco di idrogeno. Durante lo studio, particolare attenzione è stata dedicata anche alla caratterizzazione dei sottoprodotti solidi ottenuti.