Sustainable chitin extraction from exuviae of black soldier flies and chitosan derivatization

Developing renewable materials to reduce the reliance on fossil fuels is becoming increasingly widely acknowledged in society. Chitin is the second most widespread biopolymer available in nature, with high economic value because of its various end-use applications. Shrimps' shells are, currently, the primary source of commercialized chitin. However, alternatives are demanded to cope with the growth rate of the chitin market, the local unavailability and seasonal fluctuations of crustacean waste. Black Soldier Flies (BSFs) seem to be a promising avenue for chitin production. Insect farms are spreading worldwide to introduce a protein source for food purposes and a waste management tool, providing novel byproducts rich in chitin, that could be upcycled into value-added goods. In the present study, chitin has been extracted from shrimps’ shells and exuviae of BSFs, underscoring the potential of the latter as a groundbreaking source. The general properties of chitin and chitosan are here discussed. Moreover, the chemical method for chitin recovery is summarized and compared with the innovative, eco-friendly extraction technique based on the use of Deep Eutectic Solvents (DESs). The ultimate goal is to define the best set-up for the DES-based process treating exuviae of BSFs at laboratory scale, by tuning different parameters (i.e. reaction time, temperature, solvent's formulation, biomass/solvent ratio) and to verify the feasibility of a scale-up in a 5 liters capacity pilot plant. The recovered chitin was, eventually, converted into the more useful chitosan, used to prepare biodegradable plastic films and an eco-friendly pesticide. The obtained chitin and chitosan have been characterized by powder X-ray diffraction. The attending work corroborates the effectiveness of the environmentally safe scaled-up DES treatment for chitin extraction from exuviae of BSFs, standing as valid alternative to the well-adopted processes on shrimps' shells, unsustainable due to the extensive use of toxic and hazardous chemicals.

Sviluppare materiali rinnovabili per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili sta diventando sempre più necessario. La chitina è il secondo biopolimero più diffuso in natura, con un alto valore economico grazie alle sue varie applicazioni. I gusci dei gamberi sono attualmente la principale fonte di chitina in commercio. Tuttavia, il tasso di crescita del mercato della chitina, l'assenza di una fonte locale e la stagionalità dei crostacei rendono necessarie fonti alternative. Le mosche soldato sembrano essere una risorsa promettente. Gli allevamenti di insetti si stanno diffondendo in tutto il mondo per introdurre una fonte proteica e uno strumento di gestione dei rifiuti, fornendo nuovi sottoprodotti ricchi in chitina che potrebbero essere riciclati in beni di qualità. In questo studio, la chitina è stata estratta dai gusci dei gamberi e dalle esuvie di mosche soldato. Proprietà di chitina e chitosano vengono qui discusse. Inoltre, il consolidato processo chimico per il recupero della chitina viene riassunto e confrontato con l'innovativa ecologica estrazione basata sull'uso di una nuova classe di solventi, i Deep Eutectic Solvents (DESs). L'obiettivo finale è l'ottimizzazione del processo innovativo su scala laboratoriale, regolando diversi parametri (tempo di reazione, temperatura, formulazione del solvente) e verificare un possibile scale-up in un impianto pilota di capacità 5 litri. Infine, la chitina recuperata è stata convertita nel suo più utile derivato, il chitosano, utilizzato per preparare film di plastica biodegradabili e un pesticida ecologico. La chitina e il chitosano ottenuti sono stati caratterizzati tramite diffrazione ai raggi X a polveri. Il lavoro svolto conferma l'efficacia dei DESs per un'estrazione sostenibile della chitina dalle esuvie di mosche soldato. Tale tecnica rappresenta, quindi, un'alternativa valida ai processi comunemente adottati, non sostenibili a causa dell'ampio uso di sostanze chimiche tossiche e pericolose.