Ultraschall-Deacylierung von Chitin zu Chitosan
Chitosan-Produktion mit Ultraschall
Chitosan wird durch die N-Deacetylierung von Chitin gewonnen. Bei der herkömmlichen Deacetylierung wird Chitin in wässrigen alkalischen Lösungsmitteln (in der Regel 40 bis 50 % (w/w) NaOH) eingeweicht. Der Einweichprozess erfordert hohe Temperaturen von 100 bis 120 ºC und ist sehr zeitaufwändig, während die Ausbeute an Chitosan pro Einweichschritt gering ist. Die Anwendung von Hochleistungs-Ultraschall intensiviert den Deacetylierungsprozess von Chitin erheblich und führt zu einer hohen Ausbeute an Chitosan mit niedrigem Molekulargewicht in einer schnellen Behandlung bei niedrigerer Temperatur. Die Ultraschalldeacetylierung führt zu Chitosan von höchster Qualität, das als Lebensmittel- und Pharmazutat, als Düngemittel und in vielen anderen industriellen Anwendungen eingesetzt wird.
Die Ultraschallbehandlung führt zu einem außergewöhnlichen Acetylierungsgrad (DA) von Chitin, der den Acetylierungsgrad von DA≥90 auf Chitosan mit DA≤10 senkt.
Viele Forschungsstudien bestätigen die Wirksamkeit der Ultraschalldeacetylierung von Chitin zu 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, da die erforderliche Prozesszeit von 12-24 Stunden auf wenige Stunden reduziert wird. Außerdem wird weniger Lösungsmittel benötigt, um eine vollständige Umwandlung zu erreichen, was die Umweltbelastung durch die Entsorgung des verbrauchten oder nicht umgesetzten Lösungsmittels, d. h. konzentrierte NaOH, verringert.
Die Deacetylierung von Chitin zu Chitosan wird durch Beschallung gefördert
UIP4000hdT – Ultraschallsystem mit 4 kW Leistung
Arbeitsprinzip der Chitosan-Ultraschallbehandlung
Niederfrequenter Hochleistungsultraschall (∼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 in sie eindringt, wodurch sich die Oberfläche vergrößert und der Stoffaustausch zwischen fester und flüssiger Phase verbessert. 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, wodurch hochwertiges Chitosan entsteht. Ultraschall verkürzt die für die Extraktion von Chitin aus Krustentieren erforderliche Verarbeitungszeit und liefert im Vergleich zu herkömmlichen Verarbeitungsbedingungen Chitin (und damit später Chitosan) von höherer Reinheit. Bei der Herstellung von Chitin und Chitosan hat Ultraschall somit das Potenzial, die Produktionskosten zu senken, die Verarbeitungszeit zu verkürzen, eine bessere Kontrolle des Produktionsprozesses zu ermöglichen und die Umweltauswirkungen der Prozessabfälle zu verringern.
- Höhere Chitosan-Ausbeute
- hohe Qualität
- Reduzierte Zeit
- Niedrigere Prozesstemperatur
- Gesteigerte Effizienz
- einfacher & sicherer Betrieb
- umweltfreundlich
Ultraschall-Decetylierung von Chitin zu Chitosan – Protokoll
1) Bereiten Sie das Chitin vor:
Bei der Verwendung von Krabbenschalen als Ausgangsmaterial sollten die Krabbenschalen gründlich gewaschen werden, um alle löslichen organischen Stoffe und anhaftenden Verunreinigungen einschließlich Erde und Eiweiß zu entfernen. Anschließend muss das Schalenmaterial vollständig getrocknet werden (z. B. bei 60 ºC für 24 Stunden in einem Ofen). Die getrockneten Schalen werden dann gemahlen (z. B. mit einer Hammermühle), in einem alkalischen Medium (z. B. NaOH mit einer Konzentration von 0,125 bis 5,0 M) entproteinisiert und in Säure (z. B. verdünnte Salzsäure) entmineralisiert.
2) Deacetylierung mit Ultraschall
Für eine typische Ultraschall-Deacetylierungsreaktion werden Beta-Chitin-Partikel (0,125 mm < D < 0.250 mm) werden in 40%iger (w/w) wässriger NaOH in einem Verhältnis von Beta-Chitin zu wässriger NaOH-Lösung von 1/10(g mL) suspendiert-1), wird die Suspension in ein doppelwandiges Glasgefäß überführt und mit einem Hielscher UP400St Ultraschall-Homogenisator. Die folgenden Parameter (vgl. Fiamingo et al. 2016) werden bei der Durchführung einer Ultraschall-Chitin-Desacetylierungsreaktion konstant gehalten: (i) Ultraschallsonde (Sonotrode Hielscher S24d22D, Spitzendurchmesser = 22 mm); (ii) Beschallungspulsmodus (IP = 0,5s); (iii) Ultraschall-Oberflächenintensität
(I = 52,6 W cm-2), (iv) Reaktionstemperatur (60 ºC ±1 ºC), (v) Reaktionszeit (50 min), (vi) Verhältnis Beta-Chitin-Gewicht/Volumen von 40 % (w/w) wässrigem Natriumhydroxid (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) Volumen der Beta-Chitin-Suspension (50 ml).
Die erste Reaktion läuft 50 Minuten lang unter ständigem magnetischem Rühren ab und wird dann durch schnelles Abkühlen der Suspension auf 0 ºC unterbrochen. Anschließend wird verdünnte Salzsäure zugegeben, um einen pH-Wert von 8,5 zu erreichen, und die Probe CHs1 wird durch Filtration isoliert, ausgiebig mit entionisiertem Wasser gewaschen und bei Umgebungsbedingungen getrocknet. Wird dieselbe Ultraschall-Deacetylierung in einem zweiten Schritt mit CHs1 wiederholt, entsteht die Probe CHs2.
Rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahmen in 100-facher Vergrößerung von a) Gladius, b) ultraschallbehandeltem Gladius, c) β-Chitin, d) ultraschallbehandeltem β-Chitin und e) Chitosan (Quelle: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. fanden heraus, dass die Ultraschall-Deacetylierung von Beta-Chitin effizient zu hochmolekularem Chitosan mit einem geringen Acetylierungsgrad führt, ohne dass Zusatzstoffe, eine inerte Atmosphäre oder lange Reaktionszeiten erforderlich sind. Auch wenn die Ultraschalldeacetylierung unter milderen Bedingungen durchgeführt wird – d.h. niedrige Reaktionstemperatur im Vergleich zu den meisten thermochemischen Deacetylierungen. Die Ultraschalldeacetylierung von beta-Chitin ermöglicht die Herstellung von zufällig deacetyliertem Chitosan mit variablem Acetylierungsgrad (4 % ≤ DA ≤ 37 %), hohem gewichtsmittleren Molekulargewicht (900 000 g mol-1 ≤ MW ≤ 1.200.000 g mol-1 ) und geringer Dispersität (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) durch drei aufeinanderfolgende Reaktionen (50 min/Schritt) bei 60 ºC.
Leistungsstarke Ultraschallprozessoren vom Labor- und Technikumsmaßstab bis zur industriellen Produktion.
Hochleistungs-Ultraschallsysteme für die Chitosan-Produktion
Die Fragmentierung von Chitin und die Deketylierung von Chitin zu Chitosan erfordern 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 Hochleistungssysteme, die mit Zubehör wie Sonotroden, Booster, 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-Fernsteuerung und vielen weiteren Features sind höchste Prozesskontrolle und Bedienerfreundlichkeit gewährleistet. Gepaart mit Robustheit und hoher Belastbarkeit sind Hielscher-Ultraschallsysteme Ihr zuverlässiges Arbeitspferd in der Produktion.
Die Fragmentierung und Deacetylierung von Chitin erfordert leistungsstarken Ultraschall, um die gewünschte Umwandlung und ein hochwertiges Chitosan-Endprodukt zu erzielen. Insbesondere für die Fragmentierung der Chitinflocken sind hohe Amplituden und hohe Drücke entscheidend. Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren liefern problemlos sehr hohe Amplituden. Amplituden von bis zu 200µm können im 24/7-Betrieb kontinuierlich gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Leistungsstärke 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:
| Batch-Volumen | Durchfluss | Empfohlenes Ultraschallgerät |
|---|---|---|
| 1 bis 500ml | 10 bis 200ml/min | UP100H |
| 10 bis 2000ml | 20 bis 400ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 bis 20l | 0,2 bis 4l/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100l | 2 bis 10l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000 |
| n.a. | größere | Cluster aus UIP16000 |
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Literatur
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Chitosan-Based Bionanocomposite Films Prepared by Emulsion Technique for Food Preservation. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Umfassend deacetyliertes Chitosan mit hohem Molekulargewicht aus der mehrstufigen ultraschallunterstützten Deacetylierung von beta-Chitin. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79-85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonochemically-Assisted Conversion of Chitin to Chitosan, USDA National Research Initiative Principal Investigators Meeting, New Orleans, LA, June 28th.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influence of temperature during deacetylation of chitin to chitosan with high-intensity ultrasound as a pre-treatment, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, June 30th, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influence of high-intensity ultrasound to accelerate the conversion of chitin to chitosan, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, June 30th, 95-17.
- Preto M.F., Campana-Filho S.P., Fiamingo A., Cosentino I.C., Tessari-Zampieri M.C., Abessa D.M.S., Romero A.F., Bordon I.C. (2017): Gladius und seine Derivate als potenzielle Biosorbentien für marines Dieselöl. Environmental Science and Pollution Research (2017) 24:22932-22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Verfahren zur Herstellung von Chitosan-Nanopartikeln und Nanofasern von oben nach unten. Kohlenhydratpolymere 117, 2015. 731-738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Effiziente Reduzierung des Molekulargewichts von Chitosan durch hochintensiven Ultraschall: Grundlegender Mechanismus und Auswirkungen der Verarbeitungsparameter. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Abfälle von Meeresfrüchten: eine Quelle für die Herstellung von kommerziell nutzbaren Chitin/Chitosan-Materialien. Bioressourcen und Bioprozessierung 6/8, 2019.
Wissenswertes
Wie funktioniert die Chitindeaktylierung mit Ultraschall?
Wenn Hochleistungs-Niederfrequenz-Ultraschall (z. B. 20-26 kHz) in eine Flüssigkeit oder einen Schlamm eingekoppelt wird, werden abwechselnd Hoch- und Niederdruckzyklen auf die Flüssigkeit angewandt, die Kompression und Verdünnung erzeugen. Während dieser abwechselnden Hoch-/Niederdruckzyklen werden kleine Vakuumblasen erzeugt, die über mehrere Druckzyklen wachsen. An dem Punkt, an dem die Vakuumblasen keine Energie mehr aufnehmen können, kollabieren sie gewaltsam. Während dieser Blasenimplosion treten lokal sehr intensive Bedingungen auf: hohe Temperaturen von bis zu 5000K, Drücke von bis zu 2000atm, sehr hohe Heiz-/Kühlraten und Druckunterschiede treten auf. Da die Dynamik des Blasenkollapses schneller ist als der Massen- und Wärmetransfer, ist die Energie im kollabierenden Hohlraum auf eine sehr kleine Zone, den so genannten "Hot Spot", beschränkt. Die Implosion der Kavitationsblase führt auch zu Mikroturbulenzen, Flüssigkeitsstrahlen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 280m/s und daraus resultierenden Scherkräften. Dieses Phänomen wird als Ultraschall- oder akustische Kavitation bezeichnet.
Tröpfchen und Partikel in der beschallten Flüssigkeit werden von diesen Kavitationskräften getroffen, und wenn die beschleunigten Partikel miteinander kollidieren, werden sie durch Kollisionen zwischen den Partikeln zertrümmert. Die akustische Kavitation ist das Funktionsprinzip des Ultraschallmahlens, Dispergierens, Emulgierens und der Sonochemie.
Bei der Deacetylierung von Chitin vergrößert hochintensiver Ultraschall die Oberfläche, indem er die Oberfläche aktiviert und den Stoffaustausch zwischen Partikeln und Reagenz fördert.
Chitosan
Chitosan ist ein modifiziertes, kationisches, ungiftiges Kohlenhydratpolymer mit einer komplexen chemischen Struktur, die aus β-(1,4)-Glucosamineinheiten als Hauptbestandteil besteht (>80%) und N-Acetylglucosamin-Einheiten (<20%), die zufällig entlang der Kette verteilt sind. Chitosan wird aus Chitin durch chemische oder enzymatische Deacetylierung gewonnen. Der Grad der Deacetylierung (DA) bestimmt den Gehalt an freien Aminogruppen in der Struktur und wird zur Unterscheidung zwischen Chitin und Chitosan verwendet. Chitosan weist eine gute Löslichkeit in moderaten Lösungsmitteln wie verdünnter Essigsäure auf und bietet mehrere freie Aminogruppen als aktive Stellen. Dies macht Chitosan bei vielen chemischen Reaktionen gegenüber Chitin vorteilhaft.
Chitosan wird wegen seiner hervorragenden Biokompatibilität und biologischen Abbaubarkeit, seiner Ungiftigkeit, seiner guten antimikrobiellen Aktivität (gegen Bakterien und Pilze), seiner Sauerstoffundurchlässigkeit und seiner filmbildenden Eigenschaften geschätzt. Im Gegensatz zu Chitin hat Chitosan den Vorteil, dass es wasserlöslich ist und sich daher leichter handhaben und in Formulierungen verwenden lässt.
Chitin ist nach Zellulose das zweithäufigste Polysaccharid und aufgrund seines großen Vorkommens ein billiger und nachhaltiger Rohstoff.
Chitosan-Produktion
Chitosan wird in einem zweistufigen Verfahren hergestellt. In der ersten Stufe wird das Rohmaterial, z. B. Krustentierschalen (d. h. Garnelen, Krabben, Hummer), entproteinisiert, entmineralisiert und gereinigt, um Chitin zu erhalten. Im zweiten Schritt wird das Chitin mit einer starken Base (z. B. NaOH) behandelt, um die Acetyl-Seitenketten zu entfernen und so Chitosan zu erhalten. Der Prozess der herkömmlichen Chitosanherstellung ist bekanntermaßen sehr zeit- und kostenintensiv.
Chitin
Chitin (C8H13O5N)n ist ein geradkettiges Polymer aus β-1,4-N-Acetylglucosamin und wird in α-, β- und γ-Chitin unterteilt. Als Derivat der Glukose ist Chitin ein Hauptbestandteil des Exoskeletts von Gliederfüßern wie Krebstieren und Insekten, der Radulae von Weichtieren, der Schnäbel von Kopffüßern und der Schuppen von Fischen und Lissamphibien und kommt auch in den Zellwänden von Pilzen vor. Die Struktur von Chitin ist mit der von Cellulose vergleichbar und bildet kristalline Nanofibrillen oder Whisker. Cellulose ist das am häufigsten vorkommende Polysaccharid der Welt, gefolgt von Chitin als zweithäufigstem Polysaccharid.
Glucosamin
Glucosamin (C6H13Keine5) ist ein Aminozucker und ein wichtiger Vorläufer in der biochemischen Synthese von glykosylierten Proteinen und Lipiden. Glucosamin ist eine in der Natur reichlich vorkommende Verbindung, die Teil der Struktur der Polysaccharide Chitosan und Chitin ist, was Glucosamin zu einem der am häufigsten vorkommenden Monosaccharide macht. Das meiste im Handel erhältliche Glucosamin wird durch die Hydrolyse von Krustentierpanzern, d. h. Krabben- und Hummerschalen, gewonnen.
Glucosamin wird hauptsächlich als Nahrungsergänzungsmittel verwendet, wobei es in Form von Glucosaminsulfat, Glucosaminhydrochlorid oder N-Acetylglucosamin eingesetzt wird. Glucosaminsulfatpräparate werden oral verabreicht, um einen schmerzhaften Zustand zu behandeln, der durch Entzündung, Abbau und schließlich Verlust von Knorpel (Osteoarthritis) verursacht wird.