Bio-based and Biodegradable Foams from Wheat Gluten using Up-Scalable Processes
2024 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]
In this thesis, the production of bio-based and biodegradable foams from wheat proteins (wheat gluten) is presented. Wheat gluten, a side stream from the ethanol/starch industry, was processed using both batch and continuous foaming methods. To produce the foams, glycerol, an effective protein plasticiser, was used, with two foaming agents common in food: sodium bicarbonate (SBC) and ammonium bicarbonate (ABC), to generate soft foams with both closed-and open-cell structures. ABC proved to be a better foaming agent in foam extrusion than SBC, but SBC performed well in the batch methods. Due to ABC’s low decomposition temperature, extrusion could take place at a temperature as low as 70 °C.
Three different multifunctional additives (citric acid, gallic acid and genipin) were also used to influence and improve the foam properties. The mechanical properties showed that some of the materials could be potentially useful in cushioning and sealing applications. The foams also showed a high absorption of saline (model substance for body fluid) and blood (in the form of sheep’s blood), even under mechanical pressure. Based on these results, a wheat gluten-based product was manufactured as a proof-of-concept.
The degradability of the foam in various relevant environments was studied. It was found that some foams degraded almost completely in soil after 8 weeks and in alkaline water after 5 weeks. It was also demonstrated that the foam also worked as a good fertilizer. As an alternative to direct composting when the foam is no longer used, the possibility of reusing the foam in a different form was evaluated. In this context, it was possible to produce plastic films from the foam.
Abstract [sv]
I denna avhandling presenteras produktion av biobaserade och biologiskt nedbrytbara skum från veteproteiner (vetegluten). Vetegluten, en biprodukt från etanol-/stärkelseindustrin, bearbetades med både batch-metoder och kontinuerliga skummetoder. För att producera skummet användes glycerol, en effektiv proteinmjukgörare, tillsammans med två skumningsmedel som är vanliga inom livsmedelsindustrin: natriumbikarbonat (SBC) och ammoniumbikarbonat (ABC), för att skapa mjuka skum med både slutna och öppna cellstrukturer. ABC visade sig vara ett bättre skumningsmedel vid skumextrudering än SBC, men SBC presterade väl i batchmetoderna. Genom ABC’s låga sönderdelningstemperatur kunde extruderingen ske vid en så låg temperatur som 70 °C.
Tre olika multifunktionella tillsatser (citronsyra, gallusyra och genipin) användes också för att påverka och förbättra skummets egenskaper. De mekaniska egenskaperna visade att vissa av materialen potentiellt kunde vara användbara i stötdämpande och tätande applikationer. Skummet visade också hög absorption av saltlösning (modellsustans för kroppsvätska) och blod (i form av fårblod), även under mekaniskt tryck. Baserat på dessa resultat tillverkades en veteglutenbaserad produkt som ett konceptbevis.
Skummets nedbrytbarhet i olika relevanta miljöer studerades. Det visade sig att vissa skum nästan fullständigt bröts ner i jord efter 8 veckor och i alkalisk vattenlösning efter 5 veckor. Det demonstrerades också att skummet fungerade bra som gödningsmedel. Som ett alternativ till direkt kompostering när skummet inte längre används, utvärderades möjligheten att återanvända skummet i en annan form. I detta sammanhang var det möjligt att producera plastfilmer från skummet.
Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2024. , p. 93
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2024:34
Keywords [en]
Biofoam, protein, wheat gluten, batch process, extrusion, absorbents, cushioning, biodegradation.
Keywords [sv]
Bioskum, protein, vetegluten, batchmetod, extrudering, absorption, stötdämpning, bionedbrytning.
National Category
Textile, Rubber and Polymeric Materials
Research subject
Fibre and Polymer Science
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-353245ISBN: 978-91-8106-031-7 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-353245DiVA, id: diva2:1897858
Public defence
2024-10-11, F3, Lindstedtsvägen 26, https://kth-se.zoom.us/j/68040338320, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note
QC 20240916
Embargo fram till 2025-10-11 godkänt av skolchef Amelie Eriksson Karlström via e-post
2024-09-162024-09-162024-09-23Bibliographically approved
List of papers