Sustainable Biobased Protein Superabsorbents from Agricultural Co-Products

• The preparation of sustainable protein superabsorbents from agricultural industry side-streams is reported. Wheat gluten (WG), a co-product from the ethanol/starch industry, was processed into foams with sponge-like behavior and high liquid uptake. The materials were obtained by phase-separation of aqueous WG dispersions followed by ambient drying, or by lyophilization. The use of a natural and non-toxic cross-linker (genipin) resulted in foams with high water swelling properties (~18 g/g in 10 min). The rapid swelling may be of use in bio-based foams in e.g., sanitary pads.As an alternative, potato protein concentrate (PPC, side-stream from the starch industry), was functionalized and prepared as particles. The liquid swelling capacity was compared after acylation with five different agents. It is shown that the PPC can be acylated to replicate the chemistry of synthetic superabsorbent polymers (SAP), showing water swelling capacity >10 g/g. The acylation (using EDTAD) of WG suspensions resulted in protein particles with water and saline uptake of 22 and 5 g/g, respectively. Limited network stability was however observed when acylating WG in low-protein suspensions. This was addressed by mixing the acylated protein with genipin, which provided a stable protein network. The process gave functionalized particles with swelling capacity ~40 g/g and ~80 % retention of swelling in centrifuge retention tests.The extrusion of WG showed that porous WG with water uptake of 500 % can be produced. Further, the scalability of PPC production was pilot-tested by functionalizing potato fruit juice (PFJ), containing the potato protein in its soluble state before the industrial drying used to obtain PPC. This resulted in water swelling capacities >10 g/g, which was comparable to the PPC-functionalized materials. The results pave the way for future optimization of high-throughput production techniques using protein sources in mass production of sustainable protein-based SAPs.

• Produktion av hållbara protein-superabsorbenter från jordbruksindustrins sidoströmmar genomfördes i denna avhandling. Vetegluten (WG), en samprodukt från etanol/stärkelseindustrin, bearbetades till skum med högt vätskeupptag. Porösa WG-material erhölls genom både fasseparation av vatten/WG-dispersioner med efterföljande torkning samt genom vakuum-torkning. Användning av en naturlig och giftfri tvärbindare (genipin) ledde till WG-skum som tog upp ~18 g vatten / g skum på 10 min. Denna egenskap gör de biobaserade skummen intressanta för t.ex.  hygienkuddar (sanitary pads).Potatisproteinkoncentrat (PPC), en sidoström från stärkelseindustrin, funktionaliserades och svällningsförmågan undersöktes efter acylering med fem olika substanser. Det modifierade PPC efterliknade kemin hos syntetiska superabsorberande polymerer (SAP) och erhöll att vattenupptag >10 g/g. Acylering av WG i suspensionsform resulterade i proteinpartiklar med vatten- och saltlösnings-upptag på 22 respektive 5 g/g. Den begränsade stabiliteten som erhölls vid acylering av WG i utspädd form löstes genom att tillsätta genipin. Förfarandet resulterade i partiklar med en svällningskapacitet på ~40 g/g och en retention på ~80 % i centrifugeringstestet.Uppskalningtester i form av extruderat WG material visade att den porösa strukturen hos de extruderade WG-materialen gav vattenupptag på 500 %. Uppskalningsmöjligheter för PPC absorbenter testades genom att funktionalisera potatisfruktsaft (PFJ), det vill säga PPC innan anrikning, och det visade sig att denna hade en vattenupptagningsförmåga på >10 g/g, vilket är jämförbart med det PPC-funktionaliserade materialet (>20 g/g). Dessa resultat banar väg för framtida optimering av produktionstekniker, vilka möjliggör för en hög produktionshastighet och massproduktion av hållbara proteinbaserade SAP: er.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Kemiteknik -- Polymerteknologi (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Chemical Engineering -- Polymer Technologies (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Materialteknik -- Textil-, gummi- och polymermaterial (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Materials Engineering -- Textile, Rubber and Polymeric Materials (hsv//eng)

NATURVETENSKAP  -- Kemi -- Polymerkemi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Chemical Sciences -- Polymer Chemistry (hsv//eng)

Nyckelord

proteins

circularity

superabsorbents

sustainability

acylation

extrusion

Fiber- och polymervetenskap

Fibre and Polymer Science

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)