إزالة الأستيل بالموجات فوق الصوتية من الكيتين إلى الشيتوزان
إنتاج الشيتوزان بالموجات فوق الصوتية
يتم الحصول على الشيتوزان عن طريق نزع الأستيل N من الكيتين. في نزع الأستيل التقليدي ، ينقع الكيتين في المذيبات القلوية المائية (عادة 40 إلى 50٪ (وزن / وزن) هيدروكسيد الصوديوم). تتطلب عملية النقع درجات حرارة عالية تتراوح من 100 إلى 120 درجة مئوية تستغرق وقتا طويلا للغاية ، في حين أن محصول الشيتوزان الذي يتم الحصول عليه لكل خطوة نقع منخفض. تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة يكثف عملية نزع الأستيل من الكيتين بشكل كبير ويؤدي إلى غلة عالية من الشيتوزان منخفض الوزن الجزيئي في علاج سريع في درجة حرارة منخفضة. ينتج عن إزالة الأستيل بالموجات فوق الصوتية الشيتوزان عالي الجودة والذي يستخدم كمكون غذائي وصيدلاني ، كسماد وفي العديد من التطبيقات الصناعية الأخرى.
ينتج عن العلاج بالموجات فوق الصوتية درجة استثنائية من أستلة (DA) من الكيتين مما يقلل من درجة أستلة الكيتين من DA≥90 إلى الشيتوزان مع DA≤10.
تؤكد العديد من الدراسات البحثية فعالية إزالة أستيل الكيتين بالموجات فوق الصوتية على الشيتوزان. وجد Weiss J. et al. (2008) أن الصوتنة تحسن تحويل الكيتين إلى الشيتوزان بشكل كبير. يأتي العلاج بالموجات فوق الصوتية للكيتين مع توفير كبير في الوقت مما يقلل من وقت العملية المطلوب من 12-24 ساعة إلى بضع ساعات. وعلاوة على ذلك، يلزم وجود كمية أقل من المذيبات لتحقيق التحويل الكامل، مما يقلل من الأثر البيئي للاضطرار إلى التخلص من المذيب المستهلك أو غير المتفاعل والتخلص منه، أي هيدروكسيد الصوديوم المركز.
يتم تعزيز Deacetylation من الكيتين إلى الشيتوزان عن طريق صوتنة
UIP4000hdT – 4kW نظام الموجات فوق الصوتية الطاقة
مبدأ عمل علاج الشيتوزان بالموجات فوق الصوتية
الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة ومنخفضة التردد (∼20-26 كيلو هرتز) يخلق التجويف الصوتي في السوائل والطين. تعزز الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة تحويل الكيتين إلى الشيتوزان حيث يتفتت المذيب (على سبيل المثال ، NaOH) ويخترق جزيئات الكيتين الصلبة ، وبالتالي توسيع مساحة السطح وتحسين نقل الكتلة بين المرحلة الصلبة والسائلة. علاوة على ذلك ، فإن قوى القص العالية للتجويف بالموجات فوق الصوتية تخلق الجذور الحرة التي تزيد من تفاعل الكاشف (أي NaOH) أثناء التحلل المائي. كتقنية معالجة غير حرارية ، يمنع صوتنة التدهور الحراري إنتاج الشيتوزان عالية الجودة. تعمل الموجات فوق الصوتية على تقصير أوقات المعالجة المطلوبة لاستخراج الكيتين من القشريات وكذلك إنتاج الكيتين (وبالتالي الشيتوزان لاحقا) بدرجة نقاء أعلى مقارنة بظروف المعالجة التقليدية. لإنتاج الكيتين والشيتوزان ، فإن الموجات فوق الصوتية لديها القدرة على خفض تكلفة الإنتاج ، وتقليل وقت المعالجة ، والسماح بتحكم أفضل في عملية الإنتاج وتقليل التأثير البيئي لنفايات العملية.
- ارتفاع العائد الشيتوزان
- جودة عالية
- تقليل الوقت
- انخفاض درجة حرارة العملية
- زيادة الكفاءة
- سهل & عملية آمنة
- صديقة للبيئة
بالموجات فوق الصوتية الكيتين Decetylation إلى الشيتوزان – بروتوكول
1) تحضير الكيتين:
باستخدام قشور السلطعون كمواد مصدر ، يجب غسل قشور السلطعون جيدا لإزالة أي مواد عضوية قابلة للذوبان والشوائب الملتصقة بما في ذلك التربة والبروتين. بعد ذلك ، يجب تجفيف مادة الغلاف تماما (على سبيل المثال ، عند 60 درجة مئوية لمدة 24 ساعة في الفرن). ثم يتم طحن الأصداف المجففة (على سبيل المثال باستخدام مطحنة المطرقة) ، وإزالة البروتين في وسط قلوي (على سبيل المثال ، هيدروكسيد الصوديوم عند مخروط من 0.125 إلى 5.0 م) ، وإزالة المعادن في حمض (على سبيل المثال ، حمض الهيدروكلوريك المخفف).
2) إزالة الأستيل بالموجات فوق الصوتية
لتشغيل تفاعل نموذجي لإزالة الأستيل بالموجات فوق الصوتية ، جسيمات بيتا كيتين (0.125 مم < D < 0.250 مم) معلقة في 40٪ (وزن / وزن) هيدروكسيد الصوديوم المائي بنسبة بيتا كيتين / هيدروكسيد الصوديوم محلول مائي 1/10 (جم مل-1) ، يتم نقل التعليق إلى دورق زجاجي مزدوج الجدران ويتم صوته باستخدام Hielscher UP400St الخالط بالموجات فوق الصوتية. يتم الاحتفاظ بالمعلمات التالية (راجع Fiamingo et al. 2016) ثابتة عند إجراء تفاعل إزالة أستلة الكيتين بالموجات فوق الصوتية: (i) مسبار بالموجات فوق الصوتية (sonotrode Hielscher S24d22D ، قطر الطرف = 22 مم) ؛ (ii) وضع نبض الصوتنة (IP = 0.5sec) ؛ (iii) كثافة السطح بالموجات فوق الصوتية
(أنا = 52.6 واط سم-2)، (iv) درجة حرارة التفاعل (60 درجة مئوية ±1 درجة مئوية)، (v) وقت التفاعل (50 دقيقة)، (vi) نسبة بيتا-كيتين وزن/حجم 40٪ (وزن/وزن) هيدروكسيد الصوديوم المائي (BCHt/NaOH = 1/10 جم مل-1); (vii) حجم معلق بيتا كيتين (50 مل).
يستمر التفاعل الأول لمدة 50 دقيقة تحت التحريك المغناطيسي المستمر ثم ينقطع عن طريق تبريد التعليق بسرعة إلى 0 درجة مئوية. بعد ذلك يضاف حمض الهيدروكلوريك المخفف للوصول إلى الرقم الهيدروجيني 8.5 ويتم عزل عينة CHs1 عن طريق الترشيح ، وغسلها على نطاق واسع بالماء منزوع الأيونات وتجفيفها في الظروف المحيطة. عندما يتم تكرار نفس إزالة الأستيل بالموجات فوق الصوتية كخطوة ثانية إلى CHs1 ، فإنه ينتج عينة CHs2.
مسح صور المجهر الإلكتروني (SEM) بتكبير 100× من أ) الزنبق ، ب) الزنبق المعالج بالموجات فوق الصوتية ، ج) β-الكيتين ، د) β-الكيتين المعالج بالموجات فوق الصوتية ، و ه) الشيتوزان (المصدر: Preto et al. 2017)
وجد Fiamingo et al. أن إزالة الأستيل بالموجات فوق الصوتية من بيتا الكيتين تنتج بكفاءة الشيتوزان عالي الوزن الجزيئي مع درجة منخفضة من الأستيل لا باستخدام إضافات ولا جو خامل ولا أوقات رد فعل طويلة. على الرغم من أن تفاعل إزالة الأستيل بالموجات فوق الصوتية يتم في ظل ظروف أكثر اعتدالا – أي انخفاض درجة حرارة التفاعل عند مقارنتها بمعظم deacetylations الكيميائية الحرارية. يسمح نزع الأستيل بالموجات فوق الصوتية من بيتا كيتين بإعداد الشيتوزان منزوع الأسيتيل عشوائيا الذي يمتلك درجة متغيرة من الأستيل (4٪ ≤ DA ≤ 37٪) ، متوسط الوزن الجزيئي العالي (900000 جم مول-1 ≤ مترw ≤ 1,200,000 جم مول-1 ) والتشتت المنخفض (1.3 ≤ Ð ≤ 1.4) عن طريق إجراء ثلاثة تفاعلات متتالية (50 دقيقة / خطوة) عند 60 درجة مئوية.
معالجات بالموجات فوق الصوتية عالية الطاقة من المختبر إلى النطاق التجريبي والصناعي.
أنظمة الموجات فوق الصوتية عالية الأداء لإنتاج الشيتوزان
يتطلب تجزئة الكيتين وإزالة الكيتين إلى الشيتوزان معدات الموجات فوق الصوتية القوية والموثوقة التي يمكن أن توفر سعات عالية ، وتوفر إمكانية تحكم دقيقة في معلمات العملية ويمكن تشغيلها 24/7 تحت الحمل الثقيل وفي البيئات الصعبة. Hielscher الفوق صوتيات مجموعة المنتجات تحصل لك ومتطلبات العملية الخاصة بك تغطي. الموجات فوق الصوتية Hielscher هي أنظمة عالية الأداء التي يمكن أن تكون مجهزة الملحقات مثل sonotrodes, المعززات, مفاعلات أو خلايا التدفق من أجل مطابقة احتياجات العملية الخاصة بك بطريقة مثلى.
مع شاشة ملونة رقمية ، يتم ضمان خيار تشغيل صوتنة مسبقا ، وتسجيل البيانات التلقائي على بطاقة SD مدمجة ، والتحكم في المتصفح عن بعد والعديد من الميزات الأخرى ، وأعلى تحكم في العملية وسهولة الاستخدام. مقترنة مع المتانة والقدرة على التحمل الثقيلة، أنظمة الموجات فوق الصوتية Hielscher هي حصان العمل موثوق بها في الإنتاج.
يتطلب تجزئة الكيتين وإزالة الأستيل موجات فوق صوتية قوية للحصول على التحويل المستهدف ومنتج الشيتوزان النهائي عالي الجودة. خاصة بالنسبة لتجزئة رقائق الكيتين ، فإن السعات العالية والضغوط المرتفعة أمر بالغ الأهمية. Hielscher الفوق صوتيات’ توفر المعالجات بالموجات فوق الصوتية الصناعية بسهولة سعات عالية جدا. يمكن تشغيل السعات التي تصل إلى 200 ميكرومتر بشكل مستمر في عملية 24/7. للحصول على سعات أعلى ، تتوفر سونوتروديس بالموجات فوق الصوتية المخصصة. قدرة الطاقة من أنظمة الموجات فوق الصوتية Hielscher تسمح لإزالة الأستيل كفاءة وسرعة في عملية آمنة وسهلة الاستخدام.
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500 مل | 10 إلى 200 مل / دقيقة | UP100H |
| 10 إلى 2000 مل | 20 إلى 400 مل / دقيقة | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر / دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر / دقيقة | UIP4000hdT |
| ن.أ. | 10 إلى 100 لتر / دقيقة | UIP16000 |
| ن.أ. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
الأدب / المراجع
- بوتنارو إي ، ستولر إي ، بريبو إم إيه ، داري نيتا آر إن ، بارجان إيه ، فاسيلي سي (2019): أفلام بيونانوكومبوزيت قائمة على الشيتوزان تم إعدادها بواسطة Emulsion Technique لحفظ الطعام. المواد 2019 ، 12 (3) ، 373.
- فيامينغو أ. ، دي مورا ديليزوك ج. أ. ، ترومبوتو سانت ديفيد ل. ، كامبانا-فيلهو إس بي (2016): الشيتوزان عالي الوزن الجزيئي منزوع الأسيتيل على نطاق واسع من إزالة الأستيل بمساعدة الموجات فوق الصوتية متعددة الخطوات من بيتا كيتين. الموجات فوق الصوتية سونوكيمياء 32 ، 2016. 79–85.
- Kjartansson، G.، Wu، T.، Zivanovic، S.، Weiss، J. (2008): تحويل الكيتين بمساعدة كيميائية إلى الشيتوزان ، اجتماع الباحثين الرئيسيين في مبادرة البحوث الوطنية التابعة لوزارة الزراعة الأمريكية ، نيو أورلينز ، لوس أنجلوس ، 28 يونيو.
- Kjartansson، G.، Kristbergsson، K. Zivanovic، S.، Weiss، J. (2008): تأثير درجة الحرارة أثناء إزالة أستلة الكيتين إلى الشيتوزان باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة كمعالجة مسبقة ، الاجتماع السنوي لمعهد تقنيي الأغذية ، نيو أورلينز ، لوس أنجلوس ، 30 يونيو ، 95-18.
- Kjartansson، G.، Kristbergsson، K.، Zivanovic، S.، Weiss، J. (2008): تأثير الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة لتسريع تحويل الكيتين إلى الشيتوزان ، الاجتماع السنوي لمعهد تقنيي الأغذية ، نيو أورلينز ، لوس أنجلوس ، 30 يونيو ، 95-17.
- بريتو إم إف ، كامبانا-فيلهو إس بي ، فيامينجو إيه ، كوسينتينو آي سي ، تيساري زامبيري إم سي ، أبيسا دي إم إس ، روميرو إيه إف ، بوردون آي سي (2017): Gladius ومشتقاته كممتصات حيوية محتملة لزيت الديزل البحري. العلوم البيئية وبحوث التلوث (2017) 24: 22932-22939.
- ويجيسينا آر إن ، تيسيرا إن ، كانانجارا واي واي ، لين واي ، أماراتونغا جي إيه جي ، دي سيلفا كي إم إن (2015): طريقة للتحضير من أعلى إلى أسفل لجسيمات الشيتوزان النانوية والألياف النانوية. بوليمرات الكربوهيدرات 117 ، 2015. 731–738.
- وو ، ت. ، زيفانوفيتش ، س. ، هايز ، دي جي ، فايس ، ج. (2008). التخفيض الفعال للوزن الجزيئي للشيتوزان عن طريق الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة: الآلية الأساسية وتأثير معلمات المعالجة. مجلة الكيمياء الزراعية والغذائية 56 (13): 5112-5119.
- ياداف م. جوسوامي ب. ؛ باريتوش ك. كومار م. باريك ن. فيفيكاناند ف. (2019): نفايات المأكولات البحرية: مصدر لإعداد مواد الكيتين / الشيتوزان القابلة للتوظيف تجاريا. الموارد الحيوية والمعالجة الحيوية 6/8 ، 2019.
حقائق تستحق المعرفة
كيف يعمل إزالة الكيتين بالموجات فوق الصوتية؟
عندما تقترن الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة ومنخفضة التردد (على سبيل المثال ، 20-26 كيلو هرتز) بسائل أو ملاط ، يتم تطبيق دورات الضغط العالي / الضغط المنخفض بالتناوب على السائل مما يؤدي إلى الضغط والتخلخل. خلال دورات الضغط العالي / الضغط المنخفض المتناوبة هذه ، يتم إنشاء فقاعات فراغ صغيرة ، والتي تنمو على مدى عدة دورات ضغط. عند هذه النقطة ، عندما لا تستطيع فقاعات الفراغ امتصاص المزيد من الطاقة ، فإنها تنهار بعنف. خلال هذا الانفجار الداخلي للفقاعة ، تحدث ظروف شديدة للغاية محليا: درجات حرارة عالية تصل إلى 5000 كلفن ، وضغوط تصل إلى 2000 ضغط جوي ، ومعدلات تسخين / تبريد عالية جدا وفروق ضغط تحدث. نظرا لأن ديناميكيات انهيار الفقاعة أسرع من الكتلة ونقل الحرارة ، فإن الطاقة في التجويف المنهار تقتصر على منطقة صغيرة جدا ، تسمى أيضا "النقطة الساخنة". يؤدي انفجار فقاعة التجويف أيضا إلى اضطرابات دقيقة ونفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280 م / ث وقوى القص الناتجة. تعرف هذه الظاهرة باسم التجويف بالموجات فوق الصوتية أو الصوتية.
تصطدم القطرات والجسيمات الموجودة في السائل الصوتي بقوى التجويف هذه وعندما تصطدم الجسيمات المتسارعة ببعضها البعض ، فإنها تتحطم بسبب تصادم الجسيمات. التجويف الصوتي هو مبدأ العمل في الطحن بالموجات فوق الصوتية ، والتشتيت ، والاستحلاب والكيمياء الصوتية.
بالنسبة لإزالة أستلة الكيتين ، تزداد الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة في مساحة السطح عن طريق تنشيط السطح وتعزيز نقل الكتلة بين الجسيمات والكاشف.
الشيتوزان
الشيتوزان هو بوليمر كربوهيدرات معدل ، كاتيوني ، غير سام مع بنية كيميائية معقدة تتكون من وحدات الجلوكوزامين β- (1،4) كمكون رئيسي لها (>80٪) ووحدات الجلوكوزامين N-acetyl (<20٪) ، موزعة عشوائيا على طول السلسلة. الشيتوزان مشتق من الكيتين من خلال نزع الأستيل الكيميائي أو الأنزيمي. تحدد درجة نزع الأستيل (DA) محتوى المجموعات الأمينية الحرة في الهيكل وتستخدم للتمييز بين الكيتين والشيتوزان. يظهر الشيتوزان قابلية ذوبان جيدة في المذيبات المعتدلة مثل حمض الأسيتيك المخفف ويقدم العديد من مجموعات الأمين الحرة كمواقع نشطة. هذا يجعل الشيتوزان مفيدا على الكيتين في العديد من التفاعلات الكيميائية.
تقدر قيمة الشيتوزان بتوافقها الحيوي الممتاز وقابليتها للتحلل البيولوجي ، وعدم السمية ، والنشاط الجيد المضاد للميكروبات (ضد البكتيريا والفطريات) ، وعدم نفاذية الأكسجين وخصائص تشكيل الفيلم. على عكس الكيتين ، يتمتع الشيتوزان بميزة كونه قابلا للذوبان في الماء وبالتالي يسهل التعامل معه واستخدامه في التركيبات.
باعتباره ثاني أكثر السكريات وفرة بعد السليلوز ، فإن الوفرة الهائلة من الكيتين تجعله مادة خام رخيصة ومستدامة.
إنتاج الشيتوزان
يتم إنتاج الشيتوزان في عملية من خطوتين. في الخطوة الأولى ، يتم إزالة البروتين من المواد الخام ، مثل قشور القشريات (مثل الروبيان وسرطان البحر وجراد البحر) ، وإزالة المعادن وتنقيتها للحصول على الكيتين. في الخطوة الثانية ، يتم التعامل مع الكيتين بقاعدة قوية (على سبيل المثال ، هيدروكسيد الصوديوم) لإزالة سلاسل الأسيتيل الجانبية من أجل الحصول على الشيتوزان. من المعروف أن عملية إنتاج الشيتوزان التقليدي تستغرق وقتا طويلا وكثيفة التكلفة.
الكيتين
الكيتين (ج8H13O5N)N هو بوليمر مستقيم السلسلة من β-1،4-N-أسيتيل الجلوكوزامين ويصنف إلى α و β و γ-chitin. كونه مشتقا من الجلوكوز ، فإن الكيتين هو مكون رئيسي للهياكل الخارجية للمفصليات ، مثل القشريات والحشرات ، ورادولا الرخويات ، ومناقير رأسيات الأرجل ، وقشور الأسماك و lissamphibians ويمكن العثور عليها في جدران الخلايا في الفطريات أيضا. هيكل الكيتين يمكن مقارنته بالسليلوز ، وتشكيل الألياف النانوية البلورية أو الشعيرات. السليلوز هو عديد السكاريد الأكثر وفرة في العالم ، يليه الكيتين باعتباره ثاني أكثر السكريات وفرة.
الجلوكوزامين
الجلوكوزامين (ج6H13لا5) هو سكر أميني وسلائف مهمة في التخليق الكيميائي الحيوي للبروتينات والدهون الغليكوزيلاتية. الجلوكوزامين هو بطبيعة الحال مركب وفير يشكل جزءا من بنية كل من السكريات والشيتوزان والكيتين ، مما يجعل الجلوكوزامين أحد أكثر السكريات الأحادية وفرة. يتم إنتاج معظم الجلوكوزامين المتاح تجاريا عن طريق التحلل المائي للهياكل الخارجية للقشريات ، أي قشور سرطان البحر وجراد البحر.
يستخدم الجلوكوزامين بشكل أساسي كمكمل غذائي حيث يتم استخدامه في أشكال كبريتات الجلوكوزامين أو هيدروكلوريد الجلوكوزامين أو N-acetyl glucosamine. تدار مكملات كبريتات الجلوكوزامين عن طريق الفم لعلاج حالة مؤلمة ناجمة عن التهاب الغضروف وانهياره وفقدانه في نهاية المطاف (هشاشة العظام).