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Waste-derived mycelium materials for non-structural and semi-structural applications

Mitchell Jones

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Chemie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Chemie)

Betreuer*in

Alexander Bismarck

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DOI

10.25365/thesis.61680

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-10249.92758.110372-7

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Myzel-Verbundwerkstoffe sind Materialien, die hergestellt werden, indem natürliches Pilzwachstum Lignocellulose-Substrate zu einer einzigen Masse bindet, die einer bestimmten Formgeometrie ähnelt und typischerweise schaumartige mechanische Eigenschaften aufweist. Pilze werden speziell aufgrund ihrer Wachstumseigenschaften verwendet, die eine expandierende netzartige Struktur von Filamenten aus Chitin-Glucan-Zellwänden und einen heterotrophen Wachstumsprozess darstellen, der Substrate unter Umgebungsbedingungen verdaut und bindet. Diese günstige und umweltverträgliche Bio-Herstellungsmethode, mit der landwirtschaftliche Nebenprodukte und Abfälle in umweltfreundliche Materialien umgewandelt werden können, erfährt weltweit ein zunehmendes Forschungsinteresse und eine zunehmende Vermarktung. Diese Dissertation untersucht systematisch die biologische Optimierung des Herstellungsprozesses und untersucht die Eignung mehrerer Pilzarten und landwirtschaftlicher Nebenprodukte für die Verwendung als Matrix- und Füllstoffphase in Myzelkompositen und für die Erzeugung von Chitin-Glucan-Polymeren. Anschließend werden nicht-strukturelle funktionelle Anwendungen für Myzel-Verbundwerkstoffe untersucht, insbesondere als thermisch sicherere und kostengünstige Alternativen zu leicht entzündlichen Dämm- und Verkleidungsmaterialien auf Erdöl- und Erdgasbasis, wie synthetische Schaumstoffe und Holzwerkstoffe. Die getesteten Myzel-Verbundwerkstoffe zeigten hervorragende Brandschutzeigenschaften mit niedrigeren durchschnittlichen und maximalen Wärmeabgaberaten und einer längeren geschätzten Überschlagszeit als die Referenzmaterialien aus extrudiertem Polystyrolschaum und synthetischem Spanplattenbaustoff. Schließlich wurde die Verbesserung der mechanischen Leistung von Myzel durch milde alkalische Extraktion und Heißpressen vervollständigt, um Nanopapiere zu bilden, die hauptsächlich Polysaccharide, einschließlich Pilzstrukturpolymere wie Chitin und Chitosan, umfassen. Diese Nanopapiere zeigten eine viel höhere Zugfestigkeit als die meisten vorhandenen Myzelmaterialien mit vergleichbaren Eigenschaften wie Papier und einige Kunststoffe. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass von Myzel abgeleitete Materialien eine Reihe nützlicher funktioneller Eigenschaften aufweisen und als kostengünstige und umweltverträgliche Alternativen zu synthetischen Polymeren in einer Reihe nicht struktureller und semi-struktureller Anwendungen eingesetzt werden können.

Abstract

(Englisch)

Mycelium composites are materials that are produced by allowing natural fungal growth to bind lignocellulosic substrates into a single mass resembling any given mould geometry, typically possessing foam-like mechanical properties. Fungi are specifically used due to their growth characteristics, which constitute an expanding web-like structure of filaments comprising chitin-glucan cell walls and a heterotrophic growth process which digests and bonds substrates under ambient conditions. This cheap and environmentally sustainable bio fabrication method, which can be used to upcycle agricultural by-products and wastes into green materials, is experiencing increasing research interest and commercialisation globally. This thesis systematically explores biological optimisation of the manufacturing process, examining the suitability of several fungal species and agricultural by-products for use as matrix and filler phases in mycelium composites and for chitin-glucan polymer generation. Non-structural functional applications for mycelium composites are then investigated, specifically as thermally safer and cost-competitive alternatives to highly flammable petroleum- and natural gas-derived insulation and panelling materials, such as synthetic foams like extruded polystyrene and engineered woods containing flammable resorcinol- and polyvinyl acetate-based resins. The mycelium composites trialled exhibited outstanding fire safety properties, with lower average and peak heat release rates and longer estimated time to flash over than the extruded polystyrene foam and particleboard synthetic construction material references. Finally, improvement of the mechanical performance of mycelium through mild alkaline extraction and hot pressing was completed to form nanopapers primarily comprising polysaccharides including fungal structural polymers, such as chitin and chitosan. These nanopapers exhibited much higher tensile strength than most existing mycelium materials, with comparable properties to paper and some plastics. The results of this thesis indicate that mycelium-derived materials have a range of useful functional properties and could be used as low-cost and environmentally sustainable alternatives to synthetic polymers in a range of non-structural and semi-structural applications.

Autor*innen

Mitchell Jones

Haupttitel (Englisch)

Waste-derived mycelium materials for non-structural and semi-structural applications

Paralleltitel (Deutsch)

Myzel-Materialien aus Abfälle für nicht strukturelle und semistrukturelle Anwendungen

Publikationsjahr

2020

Umfangsangabe

1 Band (verschiedene Seitenzählungen) : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Anil Netravali ,

Pio Iovenitti

Klassifikation

58 Chemische Technik > 58.30 Biotechnologie

AC Nummer

AC16067306

Utheses ID

54519

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 419 |

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