Biolíquidos de pirólisis como bioinsecticidas : valorización de residuos lignocelulósicos en el marco de biorrefinerías

Autores
Urrutia, Rodrigo Iñaki
Año de publicación
2025
Idioma
español castellano
Tipo de recurso
tesis doctoral
Estado
versión aceptada
Colaborador/a o director/a de tesis
Werdin González, Jorge Omar
Gutierrez, Victoria Soledad
Descripción
La creciente presión antrópica sobre los recursos naturales plantea desafíos económicos, ambientales y sociales que demandan alternativas sostenibles. En este contexto, la valorización de biomasas lignocelulósicas residuales mediante biorrefinerías constituye una estrategia clave. En el presente trabajo se exploraron dos rutas complementarias: la conversión termoquímica por pirólisis y la bioconversión mediante larvas de Tenebrio molitor, orientadas a la obtención de biolíquidos con actividad insecticida en Plodia interpunctella, Sitophilus oryzae y Tribolium castaneum, y larvicida en Culex pipiens pipiens, además de evaluar sus efectos ecotoxicológicos en Armadillidium vulgare y Artemia salina. En primer lugar, se obtuvieron biolíquidos por pirólisis rápida de residuos lignocelulósicos sin pretratamiento (cáscara de girasol, bagazo de caña de azúcar, salvado de trigo y de arroz) y con pretratamiento ácido (cáscara de girasol). La pirólisis generó altos rendimientos de biolíquido (36–55%). El análisis cromatográfico reveló una composición variada en los biolíquidos de biomasas sin pretratar, mientras que el pretratamiento ácido condujo a un enriquecimiento en furfural. Solo el biolíquido de cáscara pretratada presentó actividad insecticida frente a las especies plaga, además de alterar el comportamiento y la fisiología nutricional de T. castaneum y S. oryzae. En los ensayos ecotoxicológicos mostró toxicidad selectiva hacia insectos plaga respecto de A. vulgare y A. salina. En el marco de una biorrefinería multiproducto con potencial de desarrollo en Bahía Blanca, se evaluó la coproducción de biolíquido enriquecido en furfural como bioinsecticida y biocarbón como enmienda de suelo. Dos metodologías de pirólisis (P1 y P2) generaron rendimientos de biolíquido y biocarbón de 45–48% y 34–35%, respectivamente. El biolíquido mostró alta concentración de furfural y el biocarbón cumplió con los criterios para enmiendas. El análisis tecnoeconómico preliminar indicó un alto potencial regional, consolidando esta propuesta como una vía sostenible y rentable de valorización de residuos oleoquímicos. En segundo lugar, se estudió la bioconversión de residuos lignocelulósicos por T. molitor, acoplada a la pirólisis del frass. El salvado de arroz se seleccionó como sustrato óptimo por promover altas tasas de crecimiento y supervivencia larval comparado con el salvado de trigo (control). Las harinas de larvas presentaron 23% de proteína soluble y 40% de lípidos, con predominio de ácido oleico. La pirólisis del frass de arroz y trigo generó biolíquidos ricos en ácido acético, 1,6-anhidro-β-d-glucopiranosa y compuestos nitrogenados. Estos biolíquidos exhibieron toxicidad en P. interpunctella y Cx. p. pipiens, además de efectos repelentes en T. castaneum y atractantes en S. oryzae. Únicamente el biolíquido del frass de trigo mostró selectividad hacia larvas de Cx. p. pipiens en relación con A. salina. Por último, se exploró la biodegradación de poliestireno por larvas de T. molitor coalimentadas con salvado de arroz. Esta dieta duplicó el consumo de poliestireno, favoreciendo la supervivencia y el crecimiento larval. La pirólisis del frass generó biolíquidos con alta proporción de compuestos aromáticos (estireno) o mezclas complejas dominadas por ácido acético, 1-hidroxi-2-propanona, derivados de azúcares y compuestos nitrogenados, mostrando toxicidad selectiva frente a P. interpunctella y C. p. pipiens. Además, ocasionaron efectos repelentes en T. castaneum y atractantes en S. oryzae.
The increasing anthropogenic pressure on natural resources creates economic, environmental, and social challenges that demand sustainable alternatives. In this context, the valorization of residual lignocellulosic biomass through biorefineries represents a key strategy. In the present work, two complementary routes were explored: thermochemical conversion by pyrolysis and bioconversion by Tenebrio molitor larvae to obtain bio-oils with insecticidal activity against adults of Plodia interpunctella, Sitophilus oryzae, and Tribolium castaneum, as well as larvicidal activity against Culex pipiens pipiens. The ecotoxicological effects of these bio-oils were also assessed in non-target organisms (Armadillidium vulgare and Artemia salina). First, bio-oils were produced by fast pyrolysis of untreated lignocellulosic residues (sunflower hulls, sugarcane bagasse, wheat bran, and rice bran) and acid-pretreated sunflower hulls. Biomass pyrolysis yielded high amount of bio-oil (36–55%). Chromatographic analysis revealed diverse chemical compositions in bio-oils from untreated biomass, whereas acid pretreatment led to furfural enrichment. Only the bio- oil from pretreated hulls exhibited insecticidal activity against the studied pest species and affected the behavior and nutritional physiology of T. castaneum and S. oryzae. Ecotoxicological assays further showed selective toxicity toward pest insects compared to A. vulgare and A. salina. Within the framework of a multiproduct biorefinery with development potential in Bahía Blanca, the co-production of furfural-enriched bio-oil as bioinsecticide and biochar for soil amendment was assessed. Two pyrolysis methodologies (P1 and P2) produced bio- oil and biochar yields of 45–48% and 34–35%, respectively. The bio-oils exhibited high furfural relative concentration, while the biochar fulfills the prerequisites for soil amendment. A preliminary techno-economic assessment indicated high potential in the region, consolidating this conceptual design as a sustainable and profitable route for oleochemical residue valorization. Second, the bioconversion of lignocellulosic residues by T. molitor larvae coupled with pyrolysis of frass to obtain bio-oils was investigated. Rice bran was selected as the optimal rearing substrate due to the high survival and growth rates achieved by larvae compared with wheat bran (control). The larval flours contained 23% soluble protein and 40% total lipids, predominantly oleic acid. Pyrolysis of frass derived from rice and wheat bran yielded bio-oils rich in acetic acid, 1,6-anhydro-β-d-glucopyranose, and nitrogen- containing compounds. These bio-oils exhibited toxicity against P. interpunctella and Cx. p. pipiens, as well as repellent effects on T. castaneum and attractant effects on S. oryzae. Both species showed alterations in nutritional physiology indices. Only the bio-oil from wheat bran frass displayed selectivity toward Cx. p. pipiens relative to A. salina. Finally, the biodegradation of polystyrene by T. molitor larvae co-fed with rice bran was examined. This co-diet doubled polystyrene consumption while supporting larval growth and survival. Pyrolysis of frass produced bio-oils containing either aromatic-rich compounds (mainly styrene) or complex mixtures dominated by acetic acid, 1-hydroxy- 2-propanone, sugar derivatives, and nitrogen-containing compounds. Bio-oil derived from frass of co-diet exhibited selective toxicity toward P. interpunctella and Cx. p. pipiens, along with repellent effects on T. castaneum and attractant effects on S. oryzae.
Fil: Urrutia, Rodrigo Iñaki. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Biología, Bioquímica y Farmacia; Argentina
Materia
Biomasa lignocelulósica
Líquidos de pirólisis
Insectos plaga
Bioinsecticidas
Bioconversión Tenebrio molitor
Nivel de accesibilidad
acceso abierto
Condiciones de uso
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
Repositorio
Repositorio Institucional Digital de la Universidad Nacional del Sur (RID-UNS)
Institución
Universidad Nacional del Sur
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En primer lugar, se obtuvieron biolíquidos por pirólisis rápida de residuos lignocelulósicos sin pretratamiento (cáscara de girasol, bagazo de caña de azúcar, salvado de trigo y de arroz) y con pretratamiento ácido (cáscara de girasol). La pirólisis generó altos rendimientos de biolíquido (36–55%). El análisis cromatográfico reveló una composición variada en los biolíquidos de biomasas sin pretratar, mientras que el pretratamiento ácido condujo a un enriquecimiento en furfural. Solo el biolíquido de cáscara pretratada presentó actividad insecticida frente a las especies plaga, además de alterar el comportamiento y la fisiología nutricional de T. castaneum y S. oryzae. En los ensayos ecotoxicológicos mostró toxicidad selectiva hacia insectos plaga respecto de A. vulgare y A. salina. En el marco de una biorrefinería multiproducto con potencial de desarrollo en Bahía Blanca, se evaluó la coproducción de biolíquido enriquecido en furfural como bioinsecticida y biocarbón como enmienda de suelo. Dos metodologías de pirólisis (P1 y P2) generaron rendimientos de biolíquido y biocarbón de 45–48% y 34–35%, respectivamente. El biolíquido mostró alta concentración de furfural y el biocarbón cumplió con los criterios para enmiendas. El análisis tecnoeconómico preliminar indicó un alto potencial regional, consolidando esta propuesta como una vía sostenible y rentable de valorización de residuos oleoquímicos. En segundo lugar, se estudió la bioconversión de residuos lignocelulósicos por T. molitor, acoplada a la pirólisis del frass. El salvado de arroz se seleccionó como sustrato óptimo por promover altas tasas de crecimiento y supervivencia larval comparado con el salvado de trigo (control). Las harinas de larvas presentaron 23% de proteína soluble y 40% de lípidos, con predominio de ácido oleico. La pirólisis del frass de arroz y trigo generó biolíquidos ricos en ácido acético, 1,6-anhidro-β-d-glucopiranosa y compuestos nitrogenados. Estos biolíquidos exhibieron toxicidad en P. interpunctella y Cx. p. pipiens, además de efectos repelentes en T. castaneum y atractantes en S. oryzae. Únicamente el biolíquido del frass de trigo mostró selectividad hacia larvas de Cx. p. pipiens en relación con A. salina. Por último, se exploró la biodegradación de poliestireno por larvas de T. molitor coalimentadas con salvado de arroz. Esta dieta duplicó el consumo de poliestireno, favoreciendo la supervivencia y el crecimiento larval. La pirólisis del frass generó biolíquidos con alta proporción de compuestos aromáticos (estireno) o mezclas complejas dominadas por ácido acético, 1-hidroxi-2-propanona, derivados de azúcares y compuestos nitrogenados, mostrando toxicidad selectiva frente a P. interpunctella y C. p. pipiens. Además, ocasionaron efectos repelentes en T. castaneum y atractantes en S. oryzae.The increasing anthropogenic pressure on natural resources creates economic, environmental, and social challenges that demand sustainable alternatives. In this context, the valorization of residual lignocellulosic biomass through biorefineries represents a key strategy. In the present work, two complementary routes were explored: thermochemical conversion by pyrolysis and bioconversion by Tenebrio molitor larvae to obtain bio-oils with insecticidal activity against adults of Plodia interpunctella, Sitophilus oryzae, and Tribolium castaneum, as well as larvicidal activity against Culex pipiens pipiens. The ecotoxicological effects of these bio-oils were also assessed in non-target organisms (Armadillidium vulgare and Artemia salina). First, bio-oils were produced by fast pyrolysis of untreated lignocellulosic residues (sunflower hulls, sugarcane bagasse, wheat bran, and rice bran) and acid-pretreated sunflower hulls. Biomass pyrolysis yielded high amount of bio-oil (36–55%). Chromatographic analysis revealed diverse chemical compositions in bio-oils from untreated biomass, whereas acid pretreatment led to furfural enrichment. Only the bio- oil from pretreated hulls exhibited insecticidal activity against the studied pest species and affected the behavior and nutritional physiology of T. castaneum and S. oryzae. Ecotoxicological assays further showed selective toxicity toward pest insects compared to A. vulgare and A. salina. Within the framework of a multiproduct biorefinery with development potential in Bahía Blanca, the co-production of furfural-enriched bio-oil as bioinsecticide and biochar for soil amendment was assessed. Two pyrolysis methodologies (P1 and P2) produced bio- oil and biochar yields of 45–48% and 34–35%, respectively. The bio-oils exhibited high furfural relative concentration, while the biochar fulfills the prerequisites for soil amendment. A preliminary techno-economic assessment indicated high potential in the region, consolidating this conceptual design as a sustainable and profitable route for oleochemical residue valorization. Second, the bioconversion of lignocellulosic residues by T. molitor larvae coupled with pyrolysis of frass to obtain bio-oils was investigated. Rice bran was selected as the optimal rearing substrate due to the high survival and growth rates achieved by larvae compared with wheat bran (control). The larval flours contained 23% soluble protein and 40% total lipids, predominantly oleic acid. Pyrolysis of frass derived from rice and wheat bran yielded bio-oils rich in acetic acid, 1,6-anhydro-β-d-glucopyranose, and nitrogen- containing compounds. These bio-oils exhibited toxicity against P. interpunctella and Cx. p. pipiens, as well as repellent effects on T. castaneum and attractant effects on S. oryzae. Both species showed alterations in nutritional physiology indices. Only the bio-oil from wheat bran frass displayed selectivity toward Cx. p. pipiens relative to A. salina. Finally, the biodegradation of polystyrene by T. molitor larvae co-fed with rice bran was examined. This co-diet doubled polystyrene consumption while supporting larval growth and survival. Pyrolysis of frass produced bio-oils containing either aromatic-rich compounds (mainly styrene) or complex mixtures dominated by acetic acid, 1-hydroxy- 2-propanone, sugar derivatives, and nitrogen-containing compounds. 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The increasing anthropogenic pressure on natural resources creates economic, environmental, and social challenges that demand sustainable alternatives. In this context, the valorization of residual lignocellulosic biomass through biorefineries represents a key strategy. In the present work, two complementary routes were explored: thermochemical conversion by pyrolysis and bioconversion by Tenebrio molitor larvae to obtain bio-oils with insecticidal activity against adults of Plodia interpunctella, Sitophilus oryzae, and Tribolium castaneum, as well as larvicidal activity against Culex pipiens pipiens. The ecotoxicological effects of these bio-oils were also assessed in non-target organisms (Armadillidium vulgare and Artemia salina). First, bio-oils were produced by fast pyrolysis of untreated lignocellulosic residues (sunflower hulls, sugarcane bagasse, wheat bran, and rice bran) and acid-pretreated sunflower hulls. Biomass pyrolysis yielded high amount of bio-oil (36–55%). Chromatographic analysis revealed diverse chemical compositions in bio-oils from untreated biomass, whereas acid pretreatment led to furfural enrichment. Only the bio- oil from pretreated hulls exhibited insecticidal activity against the studied pest species and affected the behavior and nutritional physiology of T. castaneum and S. oryzae. Ecotoxicological assays further showed selective toxicity toward pest insects compared to A. vulgare and A. salina. Within the framework of a multiproduct biorefinery with development potential in Bahía Blanca, the co-production of furfural-enriched bio-oil as bioinsecticide and biochar for soil amendment was assessed. Two pyrolysis methodologies (P1 and P2) produced bio- oil and biochar yields of 45–48% and 34–35%, respectively. The bio-oils exhibited high furfural relative concentration, while the biochar fulfills the prerequisites for soil amendment. A preliminary techno-economic assessment indicated high potential in the region, consolidating this conceptual design as a sustainable and profitable route for oleochemical residue valorization. Second, the bioconversion of lignocellulosic residues by T. molitor larvae coupled with pyrolysis of frass to obtain bio-oils was investigated. Rice bran was selected as the optimal rearing substrate due to the high survival and growth rates achieved by larvae compared with wheat bran (control). The larval flours contained 23% soluble protein and 40% total lipids, predominantly oleic acid. Pyrolysis of frass derived from rice and wheat bran yielded bio-oils rich in acetic acid, 1,6-anhydro-β-d-glucopyranose, and nitrogen- containing compounds. These bio-oils exhibited toxicity against P. interpunctella and Cx. p. pipiens, as well as repellent effects on T. castaneum and attractant effects on S. oryzae. Both species showed alterations in nutritional physiology indices. Only the bio-oil from wheat bran frass displayed selectivity toward Cx. p. pipiens relative to A. salina. Finally, the biodegradation of polystyrene by T. molitor larvae co-fed with rice bran was examined. This co-diet doubled polystyrene consumption while supporting larval growth and survival. Pyrolysis of frass produced bio-oils containing either aromatic-rich compounds (mainly styrene) or complex mixtures dominated by acetic acid, 1-hydroxy- 2-propanone, sugar derivatives, and nitrogen-containing compounds. Bio-oil derived from frass of co-diet exhibited selective toxicity toward P. interpunctella and Cx. p. pipiens, along with repellent effects on T. castaneum and attractant effects on S. oryzae.
Fil: Urrutia, Rodrigo Iñaki. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Biología, Bioquímica y Farmacia; Argentina
description La creciente presión antrópica sobre los recursos naturales plantea desafíos económicos, ambientales y sociales que demandan alternativas sostenibles. En este contexto, la valorización de biomasas lignocelulósicas residuales mediante biorrefinerías constituye una estrategia clave. En el presente trabajo se exploraron dos rutas complementarias: la conversión termoquímica por pirólisis y la bioconversión mediante larvas de Tenebrio molitor, orientadas a la obtención de biolíquidos con actividad insecticida en Plodia interpunctella, Sitophilus oryzae y Tribolium castaneum, y larvicida en Culex pipiens pipiens, además de evaluar sus efectos ecotoxicológicos en Armadillidium vulgare y Artemia salina. En primer lugar, se obtuvieron biolíquidos por pirólisis rápida de residuos lignocelulósicos sin pretratamiento (cáscara de girasol, bagazo de caña de azúcar, salvado de trigo y de arroz) y con pretratamiento ácido (cáscara de girasol). La pirólisis generó altos rendimientos de biolíquido (36–55%). El análisis cromatográfico reveló una composición variada en los biolíquidos de biomasas sin pretratar, mientras que el pretratamiento ácido condujo a un enriquecimiento en furfural. Solo el biolíquido de cáscara pretratada presentó actividad insecticida frente a las especies plaga, además de alterar el comportamiento y la fisiología nutricional de T. castaneum y S. oryzae. En los ensayos ecotoxicológicos mostró toxicidad selectiva hacia insectos plaga respecto de A. vulgare y A. salina. En el marco de una biorrefinería multiproducto con potencial de desarrollo en Bahía Blanca, se evaluó la coproducción de biolíquido enriquecido en furfural como bioinsecticida y biocarbón como enmienda de suelo. Dos metodologías de pirólisis (P1 y P2) generaron rendimientos de biolíquido y biocarbón de 45–48% y 34–35%, respectivamente. El biolíquido mostró alta concentración de furfural y el biocarbón cumplió con los criterios para enmiendas. El análisis tecnoeconómico preliminar indicó un alto potencial regional, consolidando esta propuesta como una vía sostenible y rentable de valorización de residuos oleoquímicos. En segundo lugar, se estudió la bioconversión de residuos lignocelulósicos por T. molitor, acoplada a la pirólisis del frass. El salvado de arroz se seleccionó como sustrato óptimo por promover altas tasas de crecimiento y supervivencia larval comparado con el salvado de trigo (control). Las harinas de larvas presentaron 23% de proteína soluble y 40% de lípidos, con predominio de ácido oleico. La pirólisis del frass de arroz y trigo generó biolíquidos ricos en ácido acético, 1,6-anhidro-β-d-glucopiranosa y compuestos nitrogenados. Estos biolíquidos exhibieron toxicidad en P. interpunctella y Cx. p. pipiens, además de efectos repelentes en T. castaneum y atractantes en S. oryzae. Únicamente el biolíquido del frass de trigo mostró selectividad hacia larvas de Cx. p. pipiens en relación con A. salina. Por último, se exploró la biodegradación de poliestireno por larvas de T. molitor coalimentadas con salvado de arroz. Esta dieta duplicó el consumo de poliestireno, favoreciendo la supervivencia y el crecimiento larval. La pirólisis del frass generó biolíquidos con alta proporción de compuestos aromáticos (estireno) o mezclas complejas dominadas por ácido acético, 1-hidroxi-2-propanona, derivados de azúcares y compuestos nitrogenados, mostrando toxicidad selectiva frente a P. interpunctella y C. p. pipiens. Además, ocasionaron efectos repelentes en T. castaneum y atractantes en S. oryzae.
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