• bioeconomy
• biomaterials
• lignocellulosic residues
• linseed
• Linum usitatissimum

Abstract:
Since ancient times, mankind has exploited natural resources to satisfy its needs such as food and clothes. With the discovery of fossil fuels (oil, gas, coal), mankind has improved his quality of life becoming more and more demanding. Nowadays, the unregulated use of oil has caused the current energy crisis and environmental problems, with greenhouse gas emissions that have reached worrying levels in our society. The increase of environmental pollution and climate changes, have made this resource unsustainable and no longer in line with the current development model: it is therefore necessary to find alternative sources of renewable energy. In this perspective, many renewable resources can be mentioned as the sun, the water, the wind, and the vegetal biomass. The latter is the most extensive, varied and readily available for the production of raw materials and energy; it offers the possibility, thanks to its chemical composition, to produce bio-energy and a wide range of bio-products. However, the growing demand for biomass and the strong competition with food resources, have led to the search for new vegetal species, not contrasting with food production, in accordance with the concept of sustainability. In this scenario, new perspectives for conventional and alternative oleaginous crops are open as renewable raw material for bio-based products, due to the possibility to use and valorize their products and co-products, in several industrial sectors. Among these, linseed (Linum usitatissimum L.) has gained considerable attention as a potential oilseed feedstock, due to its oil composition, and the interesting amounts of coproducts (lignocellulosic biomass), that can be valorized by converting them into bio-based products or within interesting applications as biocomposites materials, through the biorefinery processes, according to a cascading approach of full biomass utilization.
The aim of this dissertation was to characterize and valorize the lignocellulosic residues of two varieties of linseed (Sidereal and Buenos Aires), grown under the pedo-climatic conditions of central Italy, where this species can represent a viable alternative for cropping system diversification. Therefore, the agronomic and qualitative evaluation has been carried out during 2014-2015 growing season at the Experimental Centre of the Department of Agriculture, Food and Environment (DAFE), University of Pisa. In particular, the following parameters were investigated: (i) quantification of the seed yield and lignocellulosic biomass; (ii) two stem pretreatments in order to obtain fibers from the lignocellulosic material; (iii) the morphological, chemical, and physical-mechanical evaluation of obtained fibers; (iv) the inclusion specimens of the fibers in composite materials and their general characteristics. The evaluation of fiber characteristics has been carried out in part at the DAFE laboratory (fiber extraction and chemical characteristics) and partly (morphological, and physical-mechanical fiber evaluation) at the Instituto de Ciência e Inovação em Engenharia Mecânica e Engenharia Industrial (INEGI) of the University of Porto (Portugal).
The results obtained from the experimentation give an insight on the potential use of linseed fiber as reinforcement in biocomposites materials. In this work, it was demonstrated that the mechanical properties of the linseed fiber are virtually comparable with that of glass fiber, and that the biocomposites obtained may be used for the manufacturing on non-structural components.

Riassunto:
Fin dai tempi più antichi, l'uomo ha sfruttato le risorse naturali per soddisfare le sue esigenze come cibo e vestiti. Con la scoperta dei combustibili fossili (petrolio, gas, carbone), l’uomo ha migliorato la sua qualità di vita, diventando sempre più esigente e dipendente da tali fonti. Attualmente, l'uso non regolamentato di petrolio ha causato l'attuale crisi energetica e problemi ambientali e le emissioni di gas serra hanno raggiunto livelli preoccupanti nella nostra società. L'aumento dell'inquinamento ambientale e il cambiamento climatico, hanno reso questa risorsa insostenibile e non più in linea con l'attuale modello di sviluppo; si rende, quindi, necessario trovare fonti alternative di energia rinnovabile. In tal senso, si possono includere molte risorse rinnovabili come il sole, l'acqua, il vento e le biomasse di origine vegetale. Queste ultime rappresentano la risorsa più vasta, varia e prontamente disponibile per la produzione di materie prime e di energia, offrendo la possibilità, grazie alla particolare composizione chimica, di produrre una vasta gamma di bio-prodotti e di bio-energia. Tuttavia, la crescente domanda di biomassa di origine vegetale e la forte concorrenza con le risorse alimentari, hanno portato alla ricerca di nuove specie vegetali, non in contrasto con la produzione alimentare ed in conformità con il concetto di sostenibilità. In questo contesto, le colture oleaginose, sia tradizionali che alternative, possono rappresentare una materia prima interessante per la produzione di bio-prodotti, grazie alla possibilità di utilizzo e valorizzazione sia dei loro prodotti principali, che dei co-prodotti, in numerosi settori industriali. Tra queste, particolare attenzione è rivolta al lino da olio (Linum usitatissimum L.), come potenziale feedstock, sia per la composizione del suo olio che per la grande quantità di co-prodotti ottenibili (biomassa lignocellulosica), che possono essere valorizzati, convertendoli in prodotti a base vegetale ad elevato valore aggiunto (ad esempio materiali biocompositi), attraverso processi di bioraffineria, in accordo ad un approccio di utilizzazione a cascata dell’intera biomassa vegetale.
Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato la caratterizzazione e la valorizzazione dei residui ligno-cellulosici di due varietà di lino da olio (Sideral e Buenos Aires), coltivate in pieno campo nelle condizioni pedo-climatiche dell’Italia centrale, dove tale specie può rappresentare una valida alternativa nella diversificazione dei sistemi colturali cerealicoli. Pertanto, è stata condotta una valutazione agronomica e qualitativa delle due varietà, in prova presso il centro sperimentale del Dipartimento di Scienze Agrarie, Alimentari e Agro-ambientali (DiSAAA-a) dell’Università di Pisa, nella stagione 2014-2015. In particolare, sono stati analizzati: (i) resa in seme e residui lignocellulosici; (ii) due pretrattamenti degli steli per l’ottenimento delle fibre dal residuo lignocellulosico; (iii) valutazione morfologica, chimica e fisico-meccanica delle fibre; (iv) provini di inclusione delle fibre in materiali compositi e le loro caratteristiche generali. La valutazione qualitativa delle fibre è stata in parte svolta presso i laboratori del DiSAAA-a, ed in parte presso l’Instituto de Ciência e Inovação em Engenharia Mecânica e Engenharia Industrial (INEGI) dell’Università di Porto (Portogallo).
I risultati ottenuti dalla sperimentazione evidenziano le buone proprietà meccaniche delle fibre del lino, praticamente comparabili con quelle della fibra di vetro, che ne consentono l’utilizzo come rinforzo in materiali biocompositi per la realizzazione di componenti non strutturali.