Chitosan ist ein aus Chitin gewonnenes Biopolymer, das in den Bereichen Pharma, Lebensmittel, Landwirtschaft und Industrie vielseitig einsetzbar ist. Die Ultraschalldesacetylierung von Chitin zu Chitosan intensiviert die Behandlung deutlich. – was zu einem effizienten und schnellen Prozess mit einer hohen Chitosanausbeute bei höchster Qualität führt.

Chitosan-Ultraschallherstellung

Chitosan wird durch die N-Deacetylierung von Chitin erhalten. Bei der herkömmlichen Deacetylierung wird Chitin in wässrigen Alkalilösungsmitteln (typischerweise 40 bis 50% (Gew./Gew.) NaOH) eingeweicht. Der Einweichprozess erfordert hohe Temperaturen von 100 bis 120ºC ist sehr zeitaufwendig, während die Ausbeute an Chitosan, das pro Einweichschritt gewonnen wird, gering ist. Die Anwendung von Hochleistungsultraschall intensiviert den Deacetylierungsprozess von Chitin deutlich und führt zu einer hohen Ausbeute an niedermolekularem Chitosan in einer schnellen Behandlung bei niedrigerer Temperatur. Die Ultraschalldesacylierung führt zu Chitosan von höchster Qualität, das als Lebensmittel- und Pharmabestandteil, als Düngemittel und in vielen anderen industriellen Anwendungen eingesetzt wird.
Die Ultraschallbehandlung führt zu einem außergewöhnlichen Acetylierungsgrad (DA) des Chitins und senkt den Acetylierungsgrad des Chitins von DA≥90 auf Chitosan mit DA≤10.
Viele Forschungsstudien bestätigen die Wirksamkeit der Ultraschall-Chitin-Deacetylierung an Chitosan. Weiss J. et al. (2008) fanden heraus, dass die Ultraschallbehandlung die Umwandlung von Chitin in Chitosan drastisch verbessert. Die Ultraschallbehandlung von Chitin bringt eine erhebliche Zeitersparnis mit sich, die die erforderliche Prozesszeit von 12-24 Stunden auf wenige Stunden reduziert. Darüber hinaus wird weniger Lösungsmittel benötigt, um eine vollständige Umwandlung zu erreichen, was die Umweltauswirkungen der Entsorgung und Entsorgung des verbrauchten oder nicht reagierten Lösungsmittels, d.h. des konzentrierten NaOH, verringert.

Funktionsprinzip der Ultraschall-Chitosanbehandlung

Hochleistungs- und Niederfrequenz-Ultraschall (∼20-26kHz) erzeugt akustische Kavitation in Flüssigkeiten und Schlämmen. Hochleistungs-Ultraschall fördert die Umwandlung von Chitin in Chitosan, da das Lösungsmittel (z.B. NaOH) die festen Chitinpartikel fragmentiert und durchdringt, wodurch die Oberfläche vergrößert und der Stoffaustausch zwischen fester und flüssiger Phase verbessert wird. Darüber hinaus erzeugen die hohen Scherkräfte der Ultraschallkavitation freie Radikale, die die Reaktivität des Reagenzes (z.B. NaOH) während der Hydrolyse erhöhen. Als nicht-thermische Verarbeitungstechnik verhindert die Beschallung den thermischen Abbau und erzeugt hochwertiges Chitosan. Ultraschall verkürzt die Verarbeitungszeiten, die zur Extraktion von Chitin aus Krustentieren erforderlich sind, und liefert Chitin (und damit in der Folge Chitosan) von höherer Reinheit im Vergleich zu traditionellen Verarbeitungsbedingungen. Bei der Herstellung von Chitin und Chitosan hat Ultraschall daher das Potenzial, die Produktionskosten zu senken, die Verarbeitungszeit zu verkürzen, eine bessere Kontrolle des Produktionsprozesses zu ermöglichen und die Umweltbelastung durch den Prozessabfall zu reduzieren.

Ultraschall Chitin-Deketylierung zu Chitosan – Protokoll

1) Bereiten Sie das Chitin vor:
Unter Verwendung von Krabbenschalen als Ausgangsmaterial sollten die Krabbenschalen gründlich gewaschen werden, um lösliche organische Stoffe und anhaftende Verunreinigungen wie Erde und Protein zu entfernen. Anschließend muss das Hüllenmaterial vollständig getrocknet werden (z.B. bei 60ºC für 24h in einem Ofen). Die getrockneten Hüllen werden dann gemahlen (z.B. mit einer Hammermühle), in einem alkalischen Medium deproteinisiert (z.B. NaOH bei einem Gehalt von 0,125 bis 5,0 M) und in Säure entmineralisiert (z.B. verdünnte Salzsäure).
2) Ultraschalldesacetylierung
Um eine typische Ultraschall-Deacylierungsreaktion durchzuführen, werden Beta-Chitin-Partikel (0,125 mm < D < 0.250 mm) sind in 40% (w/w) wässriger NaOH bei einem Verhältnis Beta-Citin/NaOH wässrige Lösung von 1/10(g mL^-1), wird die Suspension auf ein doppelwandiges Glasbecherglas übertragen und mit einem Hielscher UP400St Ultraschall-Homogenisator. Die folgenden Parameter (vgl. Fiamingo et al. 2016) werden bei der Durchführung einer Ultraschall-Chitin-Deacylierungsreaktion konstant gehalten: (i) Ultraschallsonde (Sonotrode Hielscher S24d22D, Spitzendurchmesser = 22 mm); (ii) Schallimpulsmodus (IP = 0,5sec); (iii) Ultraschalloberflächenintensität
(I = 52,6 W cm)^-2), (iv) Reaktionstemperatur (60ºC ±1ºC), (v) Reaktionszeit (50 min), (vi) Verhältnis Beta-Chin-Gewicht/Volumen von 40% (w/w) wässriges Natriumhydroxid (BCHt/NaOH = 1/10 g mL)^-1); (vii) Volumen der Beta-Chitinsuspension (50mL).
Die erste Reaktion läuft 50 Minuten unter ständigem Magnetrühren ab und wird dann durch schnelles Abkühlen der Suspension auf 0ºC unterbrochen. Anschließend wird verdünnte Salzsäure zugegeben, um den pH-Wert 8,5 zu erreichen, und die Probe CHs1 wird durch Filtration isoliert, mit deionisiertem Wasser weitgehend gewaschen und unter Umgebungsbedingungen getrocknet. Wenn die gleiche Ultraschall-Deacylierung als zweiter Schritt zu CHs1 wiederholt wird, erzeugt sie die Probe CHs2.

Fiamingo et al. fanden heraus, dass die Ultraschalldesacetylierung von Beta-Chitin effizient hochmolekulares Chitosan mit einem niedrigen Acetylierungsgrad erzeugt, weder mit Additiven noch mit inerter Atmosphäre oder langen Reaktionszeiten. Auch wenn die Ultraschall-Deacylierungsreaktion unter milderen Bedingungen durchgeführt wird. – d.h. niedrige Reaktionstemperatur im Vergleich zu den meisten thermochemischen Desoxylierungen. Die Ultraschall-Deacetylierung von Beta-Chitin ermöglicht die Herstellung von zufällig deacetyliertem Chitosan mit variablem Acetylierungsgrad (4% ≤ DA ≤ 37%), hohem Gewichtsmittel des Molekulargewichts (900.000 g mol).^-1 ≤ M_W ≤ 1.200.000 g mol^-1 ) und geringer Dispersion (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) durch die Durchführung von drei aufeinanderfolgenden Reaktionen (50 min/Schritt) bei 60ºC.

Leistungsstarke Ultraschallsysteme für die Chitosan-Produktion

Die Fragmentierung von Chitin und die Decetylierung von Chitin zu Chitosan erfordert leistungsstarke und zuverlässige Ultraschallgeräte, die hohe Amplituden liefern können, eine präzise Steuerbarkeit der Prozessparameter bieten und rund um die Uhr unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen betrieben werden können. Die Produktpalette von Hielscher Ultrasonics deckt Sie und Ihre Prozessanforderungen ab. Hielscher Ultraschallgeräte sind leistungsstarke Systeme, die mit Zubehör wie Sonotroden, Verstärkern, Reaktoren oder Durchflusszellen ausgestattet werden können, um Ihre Prozessanforderungen optimal zu erfüllen.
Mit digitalem Farbdisplay, der Möglichkeit zur Voreinstellung von Beschallungsläufen, automatischer Datenaufzeichnung auf einer integrierten SD-Karte, Browser-Fernbedienung und vielen weiteren Features sind höchste Prozesskontrolle und Benutzerfreundlichkeit gewährleistet. Gepaart mit Robustheit und hoher Belastbarkeit sind Hielscher Ultraschallsysteme Ihr zuverlässiges Arbeitspferd in der Produktion.
Die Fragmentierung und Deacetylierung von Chitin erfordert einen starken Ultraschall, um die angestrebte Umwandlung und ein hochwertiges Chitosan-Endprodukt zu erhalten. Gerade bei der Fragmentierung der Chitinflocken sind hohe Amplituden und hohe Drücke entscheidend. Hielscher Ultraschallgeräte‘ industrielle Ultraschallprozessoren liefern leicht sehr große Amplituden. Amplituden von bis zu 200µm können im 24/7-Betrieb kontinuierlich betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Leistungsfähigkeit der Hielscher Ultraschallsysteme ermöglicht eine effiziente und schnelle Deacetylierung in einem sicheren und benutzerfreundlichen Prozess.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: