Thèse Année : 2024

Valorization of insects as an alternative source of chitin and chitosan for pollutant removal applications and 3D bioprinting

Valorisation des insectes comme source alternative de chitine et de chitosane pour les applications d'élimination des polluants et la bio-impression 3D

Zhenying Mei
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1489435
  • IdRef : 282561862

Résumé

Chitin and chitosan have considerable potential for a number of applications in a variety of fields, including biotechnology, engineering, agriculture, the food industry, environmental sciences and so on, due to their distinctive properties and adaptability. Chitin is a linear polysaccharide composed of β-(1-4)-linked N-acetylglucosamine (GlcNAc) units. Chitosan is obtained by the partial deacetylation of chitin via removal of the acetyl groups from the GlcNAc units. The degree of deacetylation determines the extent of conversion from chitin to chitosan and impacts its physicochemical properties. Chitin and chitosan are derived mainly from seafood wastes (shrimps, lobsters, crabs, etc.). However, this resource is unable to support the growing needs and future projections for chitin and chitosan. The global chitin market size is set to be valued at around US dollars 1,801.3 million in 2023 and is anticipated to reach US dollars 5,746.2 million by 2033. Global demand for chitosan continues to rise at an annual rate of 15.4%. There is a pressing need for alternative and sustainable sources of chitin and chitosan to overcome limitations associated with conventional sources, and to investigate novel materials with enhanced properties. Hence, insects may be considered as an abundant and sustainable source of chitin and chitosan. Insects have rapid reproduction rates, short lifecycles, and require minimal resources for breeding, ensuring a consistent available supply of chitin and chitosan.This thesis provides a comprehensive review on the current state of insect-derived chitin and chitosan, focusing on their sources, production methods, characterization, physical and chemical properties, and various applications. Then, we investigated 11 different insect species as a starting material for chitin extraction and chitosan preparation. These include nine species belonging to Curculionidae family, Heteronitis castelnaui belonging to Scarabaeidae family, and Eurycantha calcarata belonging to Lonchodidae family. All the obtained chitin and chitosan was thoroughly characterized using various analytical techniques such as Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), nuclear magnetic resonance (NMR), thermogravimetric analysis (TGA), and differential scanning calorimetry (DSC). Then the obtained Heteronitis castelnaui chitosan and Eurycantha calcarata chitosan were further investigated for the applications. Heteronitis castelnaui chitosan demonstrated excellent performance in the formation of hydrogels and exhibited remarkable adsorption capacity for methylene blue and methyl orange. Eurycantha calcarata chitosan-based hydrogel exhibited favorable 3D printability characteristics, high biocompatibility and non-toxic nature. These preliminary data confirm that these studied species may be considered as potential source of chitin and chitosan for industrial uses.
La chitine et le chitosane présentent un potentiel considérable pour de nombreuses applications dans divers domaines, notamment la biotechnologie, l'ingénierie, l'agriculture, l'industrie alimentaire, les sciences de l'environnement, etc., en raison de leurs propriétés distinctives et de leur capacité d'adaptation. La chitine est un polysaccharide linéaire composé d'unités de N-acétylglucosamine (GlcNAc) liées en β-(1-4). Le chitosane est obtenu par désacétylation partielle de la chitine via l'élimination des groupes acétyles des unités GlcNAc. Le degré de désacétylation détermine l'étendue de la conversion de la chitine en chitosane et influe sur ses propriétés physicochimiques. La chitine et le chitosane sont principalement issus des déchets de fruits de mer, car les exosquelettes des crustacées (crevettes, homards, crabes, etc.) sont riches en chitine. Toutefois, cette ressource n'est pas en mesure de répondre aux besoins croissants et aux projections de futurs besoins en matière de chitosane. La taille du marché mondial de la chitine devrait être évaluée à environ 1 801,3 millions de dollars américains en 2023 et devrait atteindre 5 746,2 millions de dollars américains d'ici 2033. La demande mondiale de chitosane continue d'augmenter à un taux annuel de 15,4 %. Il existe un besoin pressant de sources alternatives et durables de chitine et de chitosane afin de surmonter les limitations associées aux sources conventionnelles et d'étudier de nouveaux matériaux aux propriétés améliorées. Les insectes peuvent donc être considérés comme une source abondante et durable de chitine et de chitosane. Les insectes ont des taux de reproduction rapides, des cycles de vie courts et nécessitent des ressources minimales pour leur élevage, ce qui garantit un approvisionnement constant en chitine et donc en chitosane. Cette thèse commence par une revue complète de l'état actuel de la chitine et du chitosane dérivés d'insectes, en se concentrant sur leurs sources, leurs méthodes de production, leur caractérisation, leurs propriétés physiques et chimiques, ainsi que leurs diverses applications. Ensuite, nous avons étudié 11 espèces d'insectes différentes comme matériau de départ pour l'extraction de la chitine et la préparation du chitosane. Il s'agit de neuf espèces appartenant à la famille des Curculionidae, d'Heteronitis castelnaui appartenant à la famille des Scarabaeidae et d'Eurycantha calcarata appartenant à la famille des Lonchodidae. La chitine et le chitosane obtenus ont été soigneusement caractérisés à l'aide de diverses techniques analytiques telles que la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la diffraction des rayons X (XRD), la microscopie électronique à balayage (SEM), la résonance magnétique nucléaire (NMR), l'analyse thermogravimétrique (TGA) et la calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Ensuite, le chitosane Heteronitis castelnaui et le chitosane Eurycantha calcarata obtenus ont fait l'objet d'études plus approfondies en vue d'applications. Le chitosane Heteronitis castelnaui a démontré d'excellentes performances dans la formation d'hydrogels et a présenté une capacité d'adsorption remarquable pour le bleu de méthylène et l'orange de méthyle. L'hydrogel à base de chitosane d'Eurycantha calcarata a présenté des caractéristiques d'imprimabilité 3D favorables, une biocompatibilité élevée et une nature non toxique. Ces données préliminaires confirment que les espèces étudiées peuvent être considérées comme des sources potentielles de chitine et de chitosane pour des utilisations industrielles.
Fichier principal
Vignette du fichier
2024COAZ5065.pdf (13.98 Mo) Télécharger le fichier
Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04885373 , version 1 (14-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04885373 , version 1

Citer

Zhenying Mei. Valorization of insects as an alternative source of chitin and chitosan for pollutant removal applications and 3D bioprinting. Chemical Sciences. Université Côte d'Azur, 2024. English. ⟨NNT : 2024COAZ5065⟩. ⟨tel-04885373⟩
0 Consultations
0 Téléchargements

Partager

More