Biodeterioration is the degradation process caused by biological agents and their consequent colonization of surfaces. For cultural heritage materials, especially for fired brick surfaces, this process is recurrent, and it often causes a serious loss of cultural value, as well as economic due to the frequently required maintenance operations. In addition, hazard for human health can arise due to the microbial activities. Fired bricks in building construction are often colonized by microorganisms such as algae and cyanobacteria, which also act as a trailblazer for all other biological forms. This happens because the substrate characteristics (i.e. porosity and roughness) in combination with the environmental conditions, e.g. temperature and relative humidity, allow the retention of water inside the material and offer mechanical grips, ensuring favorable conditions for the development of microalgae. Numerous mathematical models describing microbial growth on building surfaces have been provided in recent years aiming to reduce the decay of the surfaces and to prevent risks for human health. Such models are capable to simulate biofouling (mainly for mold and fungi) on different building materials (e.g. wood, concrete, plasters and even on insulating materials). Moreover, thanks to their analytical formulation, they were implemented on heat and moisture transport simulation software allowing engineers and practitioners to forecast biofouling on building components over years. Conversely, models for algae and cyanobacteria are still limited, to the author’s knowledge. Therefore, this work wants to be part of this trend by providing a novel approach aimed at simulating, predicting and, thus, preventing biodeterioration phenomena due to algae growth on fired brick surfaces. Such approach firstly provides the definition of an algae growth failure model starting from influencing factors of the materials and environmental conditions. The model is preliminary developed through the implementation of the Avrami’s equation and it is based experimental data on bricks The model is then implemented to predict algae growth under time-varying environmental conditions (time history) so as to allow future application on heat and moisture transport simulation software. The model is based on the Avrami’s theory because literature has widely applied it over the years: it was used to describe algae biofouling on mortars, bricks and stones under optimal and non-optimal environmental conditions, and even when considering biocides surfaces treatments. Despite that, some flaws have been detected from both the experimental and analytical side. Due to these limitations, the second aspect of the novel approach wants to provide a new theory overcoming these flaws. The chosen theory is the logistic equation since it was developed and now widely adopted in describing general population growth processes. Hence, a theorical comparison between the Avrami’s theory and the logistic equation is performed concerning the ability of (1) overlapping the experimental data, (2) overcoming Avrami’s flaws and (3) the correlation with the algae growth influencing factors. The results of this work confirm the capabilities of both of the strategies. The failure model for algae growth is determined and validated for fired bricks surfaces and then its applications show its wide range applicability, such as to different type of bricks, temperature and relative humidity values, both constant and variable over the time. However, the formulation of the model based on the Avrami’s theory can be implemented with the logistic formula since it has been proven to be more performing, and hence allowing the application of such strategy to different populations.

Il biodeterioramento è un processo di degrado provocato dagli agenti biologici e dalla loro successiva colonizzazione delle superfici. Per i materiali dei beni culturali, soprattutto per i laterizi, questo processo è ricorrente e spesso causa una grave perdita di valore culturale ed economico, a causa delle frequenti operazioni di manutenzione. Inoltre, possono sorgere dei rischi per la salute umana a causa delle attività microbiche. I laterizi impiegati per la costruzione degli edifici sono spesso colonizzati da microrganismi come alghe e cianobatteri che fungono anche da apripista per le altre forme biologiche. Ciò accade perché le caratteristiche del supporto (cioè porosità e rugosità) in combinazione con le condizioni ambientali, ad es. temperatura e umidità relativa, consentono la ritenzione dell'acqua all'interno del materiale e offrono ancoraggi meccanici, garantendo condizioni favorevoli per il loro sviluppo. Negli ultimi anni sono stati forniti numerosi modelli matematici che descrivono la crescita microbica sulle superfici degli edifici con l'obiettivo di ridurne il degrado e prevenire i rischi per la salute umana. Tali modelli sono in grado di simulare il biofouling (principalmente per muffe e funghi) su diversi materiali da costruzione (es. legno, cemento, intonaci e materiali isolanti) e, grazie alla loro formulazione analitica, sono stati implementati su un software di simulazione igrotermica che consente ad ingegneri e professionisti di prevederne il biofouling sulle componenti edilizie nel corso degli anni. Stando però alla conoscenza dell’autore, i modelli per alghe e cianobatteri sono ancora limitati. Pertanto, questo lavoro vuole fornire un nuovo approccio volto a simulare, prevedere e, quindi, prevenire i fenomeni di biodegrado dovuti alla crescita di alghe sulle superfici dei laterizi. Tale approccio fornisce in primo luogo la definizione di un modello di danno della crescita delle alghe a partire da fattori di influenza dei materiali e delle condizioni ambientali. Il modello è stato sviluppato preliminarmente attraverso l'implementazione dell'equazione di Avrami basandosi sui dati sperimentali dei laterizi. Il modello è stato poi implementato per prevedere la crescita delle alghe in condizioni ambientali variabili nel tempo in modo da consentire future applicazioni sui software di simulazione. Il modello è stato basato sulla teoria di Avrami perché la letteratura lo ha ampiamente applicato nel corso degli anni: è stato utilizzato per descrivere il biofouling delle alghe su malte, mattoni e pietre in condizioni ambientali ottimali e non, anche considerando gli effetti di trattamenti biocidi. Nonostante ciò, alcune limitazioni sono state rilevate in occasione di una crescita molto rapida e/o molto lenta. Perciò, il secondo aspetto del nuovo approccio fornisce una nuova teoria che superi questi difetti. La teoria scelta è stata l'equazione logistica poiché sviluppata e ampiamente adottata nella descrizione dei processi di crescita di diverse popolazioni. È stato eseguito un confronto teorico tra la teoria di Avrami e l'equazione logistica riguardante la capacità di sovrapporsi ai dati sperimentali, di superare le limitazioni del primo modello ed infine l’eventuale correlazione con i fattori influenzanti la crescita algale. I risultati di questo lavoro hanno confermato le capacità di entrambe le nuove strategie di approccio. Il modello di danno per la crescita delle alghe è stato determinato e validato per le superfici dei laterizi e poi le sue applicazioni hanno mostrato la sua ampia applicabilità, come ad esempio a diversi tipi di mattoni, i valori di temperatura e umidità relativa, sia costanti che variabili nel tempo. Tuttavia, la formulazione del modello basata sulla teoria di Avrami potrebbe essere implementata con la formula logistica poiché si è dimostrata più performante, consentendo quindi l'applicazione di tale strategia su larga scala.

Facing the biodeterioration of construction and cultural heritage materials: a novel approach to predict algae growth on fired brick surfaces

GREGORINI, BENEDETTA
2021-05-28

Abstract

Il biodeterioramento è un processo di degrado provocato dagli agenti biologici e dalla loro successiva colonizzazione delle superfici. Per i materiali dei beni culturali, soprattutto per i laterizi, questo processo è ricorrente e spesso causa una grave perdita di valore culturale ed economico, a causa delle frequenti operazioni di manutenzione. Inoltre, possono sorgere dei rischi per la salute umana a causa delle attività microbiche. I laterizi impiegati per la costruzione degli edifici sono spesso colonizzati da microrganismi come alghe e cianobatteri che fungono anche da apripista per le altre forme biologiche. Ciò accade perché le caratteristiche del supporto (cioè porosità e rugosità) in combinazione con le condizioni ambientali, ad es. temperatura e umidità relativa, consentono la ritenzione dell'acqua all'interno del materiale e offrono ancoraggi meccanici, garantendo condizioni favorevoli per il loro sviluppo. Negli ultimi anni sono stati forniti numerosi modelli matematici che descrivono la crescita microbica sulle superfici degli edifici con l'obiettivo di ridurne il degrado e prevenire i rischi per la salute umana. Tali modelli sono in grado di simulare il biofouling (principalmente per muffe e funghi) su diversi materiali da costruzione (es. legno, cemento, intonaci e materiali isolanti) e, grazie alla loro formulazione analitica, sono stati implementati su un software di simulazione igrotermica che consente ad ingegneri e professionisti di prevederne il biofouling sulle componenti edilizie nel corso degli anni. Stando però alla conoscenza dell’autore, i modelli per alghe e cianobatteri sono ancora limitati. Pertanto, questo lavoro vuole fornire un nuovo approccio volto a simulare, prevedere e, quindi, prevenire i fenomeni di biodegrado dovuti alla crescita di alghe sulle superfici dei laterizi. Tale approccio fornisce in primo luogo la definizione di un modello di danno della crescita delle alghe a partire da fattori di influenza dei materiali e delle condizioni ambientali. Il modello è stato sviluppato preliminarmente attraverso l'implementazione dell'equazione di Avrami basandosi sui dati sperimentali dei laterizi. Il modello è stato poi implementato per prevedere la crescita delle alghe in condizioni ambientali variabili nel tempo in modo da consentire future applicazioni sui software di simulazione. Il modello è stato basato sulla teoria di Avrami perché la letteratura lo ha ampiamente applicato nel corso degli anni: è stato utilizzato per descrivere il biofouling delle alghe su malte, mattoni e pietre in condizioni ambientali ottimali e non, anche considerando gli effetti di trattamenti biocidi. Nonostante ciò, alcune limitazioni sono state rilevate in occasione di una crescita molto rapida e/o molto lenta. Perciò, il secondo aspetto del nuovo approccio fornisce una nuova teoria che superi questi difetti. La teoria scelta è stata l'equazione logistica poiché sviluppata e ampiamente adottata nella descrizione dei processi di crescita di diverse popolazioni. È stato eseguito un confronto teorico tra la teoria di Avrami e l'equazione logistica riguardante la capacità di sovrapporsi ai dati sperimentali, di superare le limitazioni del primo modello ed infine l’eventuale correlazione con i fattori influenzanti la crescita algale. I risultati di questo lavoro hanno confermato le capacità di entrambe le nuove strategie di approccio. Il modello di danno per la crescita delle alghe è stato determinato e validato per le superfici dei laterizi e poi le sue applicazioni hanno mostrato la sua ampia applicabilità, come ad esempio a diversi tipi di mattoni, i valori di temperatura e umidità relativa, sia costanti che variabili nel tempo. Tuttavia, la formulazione del modello basata sulla teoria di Avrami potrebbe essere implementata con la formula logistica poiché si è dimostrata più performante, consentendo quindi l'applicazione di tale strategia su larga scala.
Biodeterioration is the degradation process caused by biological agents and their consequent colonization of surfaces. For cultural heritage materials, especially for fired brick surfaces, this process is recurrent, and it often causes a serious loss of cultural value, as well as economic due to the frequently required maintenance operations. In addition, hazard for human health can arise due to the microbial activities. Fired bricks in building construction are often colonized by microorganisms such as algae and cyanobacteria, which also act as a trailblazer for all other biological forms. This happens because the substrate characteristics (i.e. porosity and roughness) in combination with the environmental conditions, e.g. temperature and relative humidity, allow the retention of water inside the material and offer mechanical grips, ensuring favorable conditions for the development of microalgae. Numerous mathematical models describing microbial growth on building surfaces have been provided in recent years aiming to reduce the decay of the surfaces and to prevent risks for human health. Such models are capable to simulate biofouling (mainly for mold and fungi) on different building materials (e.g. wood, concrete, plasters and even on insulating materials). Moreover, thanks to their analytical formulation, they were implemented on heat and moisture transport simulation software allowing engineers and practitioners to forecast biofouling on building components over years. Conversely, models for algae and cyanobacteria are still limited, to the author’s knowledge. Therefore, this work wants to be part of this trend by providing a novel approach aimed at simulating, predicting and, thus, preventing biodeterioration phenomena due to algae growth on fired brick surfaces. Such approach firstly provides the definition of an algae growth failure model starting from influencing factors of the materials and environmental conditions. The model is preliminary developed through the implementation of the Avrami’s equation and it is based experimental data on bricks The model is then implemented to predict algae growth under time-varying environmental conditions (time history) so as to allow future application on heat and moisture transport simulation software. The model is based on the Avrami’s theory because literature has widely applied it over the years: it was used to describe algae biofouling on mortars, bricks and stones under optimal and non-optimal environmental conditions, and even when considering biocides surfaces treatments. Despite that, some flaws have been detected from both the experimental and analytical side. Due to these limitations, the second aspect of the novel approach wants to provide a new theory overcoming these flaws. The chosen theory is the logistic equation since it was developed and now widely adopted in describing general population growth processes. Hence, a theorical comparison between the Avrami’s theory and the logistic equation is performed concerning the ability of (1) overlapping the experimental data, (2) overcoming Avrami’s flaws and (3) the correlation with the algae growth influencing factors. The results of this work confirm the capabilities of both of the strategies. The failure model for algae growth is determined and validated for fired bricks surfaces and then its applications show its wide range applicability, such as to different type of bricks, temperature and relative humidity values, both constant and variable over the time. However, the formulation of the model based on the Avrami’s theory can be implemented with the logistic formula since it has been proven to be more performing, and hence allowing the application of such strategy to different populations.
microalgae growth; materials biodecay; failure models; Logistic function
crescita delle microalghe; decadimento biologico dei materiali; modelli di guasto; funzione logistica
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Descrizione: Tesi_Gregorini
Tipologia: Tesi di dottorato
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: http://hdl.handle.net/11566/289631
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