Υπερήχων αποακετυλίωση της χιτίνης στη χιτοζάνη
Υπερήχων χιτοζάνη παραγωγή
Η χιτοζάνη λαμβάνεται με την Ν-αποακετυλίωση της χιτίνης. Στη συμβατική αποακετυλίωση, η χιτίνη εμποτίζεται σε υδατικούς αλκαλικούς διαλύτες (συνήθως 40 έως 50% (w/w) NaOH). Η διαδικασία εμβάπτισης απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες από 100 έως 120ºC είναι πολύ χρονοβόρα, ενώ η απόδοση χιτοζάνης που λαμβάνεται ανά βήμα εμβάπτισης είναι χαμηλή. Η εφαρμογή υπερήχων υψηλής ισχύος εντείνει σημαντικά τη διαδικασία αποακετυλίωσης της χιτίνης και οδηγεί σε υψηλή απόδοση χιτοζάνης χαμηλού μοριακού βάρους σε ταχεία θεραπεία σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Υπερήχων αποακετυλίωση οδηγεί σε ανώτερης ποιότητας χιτοζάνη που χρησιμοποιείται ως συστατικό τροφίμων και φαρμάκων, ως λίπασμα και σε πολλές άλλες βιομηχανικές εφαρμογές.
Η θεραπεία με υπερήχους οδηγεί σε εξαιρετικό βαθμό ακετυλίωσης (DA) χιτίνης μειώνοντας το βαθμό χιτίνης ακετυλίωσης από DA≥90 σε χιτοζάνη με DA≤10.
Πολλές ερευνητικές μελέτες επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα της υπερηχητικής αποακετυλίωσης χιτίνης στη χιτοζάνη. Weiss, J. et al. (2008) διαπίστωσε ότι κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει δραστικά τη μετατροπή της χιτίνης σε χιτοζάνη. Η υπερηχητική θεραπεία της χιτίνης έρχεται με σημαντική εξοικονόμηση χρόνου μειώνοντας τον απαιτούμενο χρόνο διαδικασίας από 12-24 ώρες σε λίγες ώρες. Επιπλέον, απαιτείται λιγότερος διαλύτης για την επίτευξη πλήρους μετατροπής, γεγονός που μειώνει τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της απόρριψης και διάθεσης του χρησιμοποιημένου ή μη αντιδρασθέντος διαλύτη, δηλαδή του συμπυκνωμένου NaOH.
Η αποακετυλίωση της χιτίνης στη χιτοζάνη προωθείται με υπερήχους
UIP4000hdT – Σύστημα υπερήχων ισχύος 4kW
Αρχή εργασίας της υπερηχητικής χιτοζάνης θεραπείας
Υψηλής ισχύος, χαμηλής συχνότητας υπερήχους (∼20-26kHz) δημιουργεί ακουστική σπηλαίωση σε υγρά και πολτούς. Ο υπέρηχος υψηλής ισχύος προάγει τη μετατροπή της χιτίνης σε χιτοζάνη καθώς ο διαλύτης (π.χ. NaOH) κατακερματίζεται και διεισδύει στα στερεά σωματίδια χιτίνης, διευρύνοντας έτσι την επιφάνεια και βελτιώνοντας τη μεταφορά μάζας μεταξύ στερεάς και υγρής φάσης. Επιπλέον, οι υψηλές δυνάμεις διάτμησης της υπερηχητικής σπηλαίωσης δημιουργούν ελεύθερες ρίζες που αυξάνουν την αντιδραστικότητα του αντιδραστηρίου (δηλαδή NaOH) κατά τη διάρκεια της υδρόλυσης. Ως μη θερμική τεχνική επεξεργασίας, υπερήχηση αποτρέπει τη θερμική υποβάθμιση που παράγει υψηλής ποιότητας χιτοζάνη. Υπερήχων συντομεύσει τους χρόνους επεξεργασίας που απαιτούνται για την εξαγωγή χιτίνης από καρκινοειδή, καθώς και απόδοση χιτίνη (και έτσι στη συνέχεια χιτοζάνη) υψηλότερης καθαρότητας σε σύγκριση με τις παραδοσιακές συνθήκες επεξεργασίας. Για την παραγωγή χιτίνης και χιτοζάνης, οι υπέρηχοι έχουν έτσι τη δυνατότητα να μειώσουν το κόστος παραγωγής, να μειώσουν το χρόνο επεξεργασίας, να επιτρέψουν τον καλύτερο έλεγχο της παραγωγικής διαδικασίας και να μειώσουν τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των αποβλήτων της διαδικασίας.
- Υψηλότερη απόδοση χιτοζάνης
- Ανώτερη ποιότητα
- Μειωμένος χρόνος
- Χαμηλότερη θερμοκρασία διαδικασίας
- Αυξημένη αποδοτικότητα
- Εύκολος & Ασφαλής λειτουργία
- φιλικό προς το περιβάλλον
Υπερήχων Chitin Decetylation να χιτοζάνη – πρωτόκολλο
1) Προετοιμάστε τη χιτίνη:
Χρησιμοποιώντας κελύφη καβουριών ως πρώτη ύλη, τα κελύφη καβουριών πρέπει να πλυθούν καλά προκειμένου να αφαιρεθούν τυχόν διαλυτές οργανικές ουσίες και προσκολλημένες ακαθαρσίες, συμπεριλαμβανομένου του εδάφους και των πρωτεϊνών. Στη συνέχεια, το υλικό του κελύφους πρέπει να στεγνώσει εντελώς (π.χ. στους 60ºC για 24 ώρες σε φούρνο). Τα αποξηραμένα κελύφη στη συνέχεια αλέθονται (π.χ. χρησιμοποιώντας σφυρόμυλο), αποπρωτεϊνίζονται σε αλκαλικό μέσο (π.χ. NaOH σε συγκέντρωση 0,125 έως 5,0 M) και απιονίζονται σε οξύ (π.χ. αραιό υδροχλωρικό οξύ).
2) Υπερήχων Deacetylation
Για να εκτελέσετε μια τυπική αντίδραση αποακετυλίωσης υπερήχων, σωματίδια βήτα-χιτίνης (0,125 mm < D < 0.250 mm) εναιωρούνται σε υδατικό NaOH 40% (w/w) σε αναλογία υδατικού διαλύματος βήτα-χιτίνης/NaOH 1/10 (g mL-1), το εναιώρημα μεταφέρεται σε γυάλινο ποτήρι ζέσεως διπλού τοιχώματος και υποβάλλεται σε υπερήχους με τη χρήση Hielscher UP400St Υπερηχητικός ομογενοποιητής. Οι ακόλουθες παράμετροι (πρβλ. Fiamingo et al. 2016) διατηρούνται σταθερές κατά τη διεξαγωγή μιας υπερηχητικής αντίδρασης αποακετυλίωσης χιτίνης: (i) υπερηχητικός καθετήρας (sonotrode Hielscher S24d22D, διάμετρος άκρου = 22 mm). ii) λειτουργία παλμού υπερήχων (IP = 0,5sec)· iii) ένταση επιφάνειας υπερήχων
(Ι = 52,6 W cm-2), iv) θερμοκρασία αντίδρασης (60ºC ±1ºC), v) χρόνος αντίδρασης (50 min), vi) λόγος βάρους/όγκου β-χιτίνης 40% (w/w) υδατικό υδροξείδιο του νατρίου (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); vii) όγκος εναιωρήματος β-χιτίνης (50ml).
Η πρώτη αντίδραση συνεχίζεται για 50 λεπτά υπό συνεχή μαγνητική ανάδευση και στη συνέχεια διακόπτεται με ταχεία ψύξη του εναιωρήματος στους 0ºC. Στη συνέχεια προστίθεται αραιό υδροχλωρικό οξύ για να επιτευχθεί pH 8,5 και το δείγμα CHs1 απομονώνεται με διήθηση, πλένεται εκτενώς με απιονισμένο νερό και ξηραίνεται σε συνθήκες περιβάλλοντος. Όταν η ίδια υπερηχητική αποακετυλίωση επαναλαμβάνεται ως δεύτερο βήμα σε CHs1, παράγει δείγμα CHs2.
Εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) σε μεγέθυνση 100× α) gladius, β) gladius που έχει υποστεί επεξεργασία με υπερήχους, γ) β-χιτίνη, δ) β-χιτίνη που έχει υποστεί επεξεργασία με υπερήχους και ε) χιτοζάνη (πηγή: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. διαπίστωσε ότι η υπερηχητική αποακετυλίωση της βήτα-χιτίνης παράγει αποτελεσματικά χιτοζάνη υψηλού μοριακού βάρους με χαμηλό βαθμό ακετυλίωσης ούτε χρησιμοποιώντας πρόσθετα ούτε αδρανή ατμόσφαιρα ούτε μεγάλους χρόνους αντίδρασης. Παρόλο που η αντίδραση αποακετυλίωσης υπερήχων διεξάγεται υπό ηπιότερες συνθήκες – δηλαδή χαμηλή θερμοκρασία αντίδρασης σε σύγκριση με τις περισσότερες θερμοχημικές αποακετυλώσεις. Η υπερηχητική αποακετυλίωση της βήτα-χιτίνης επιτρέπει την παρασκευή τυχαία αποακετυλιωμένης χιτοζάνης που διαθέτει μεταβλητό βαθμό ακετυλίωσης (4% ≤ DA ≤ 37%), μέσο μοριακό βάρος υψηλού βάρους (900.000 g mol-1 ≤ Μw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) και χαμηλής διασποράς (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) με τη διεξαγωγή τριών διαδοχικών αντιδράσεων (50 λεπτά/βήμα) στους 60ºC.
Επεξεργαστές υπερήχων υψηλής ισχύος από εργαστήριο σε πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.
Συστήματα υπερήχων υψηλής απόδοσης για την παραγωγή χιτοζάνης
Ο κατακερματισμός της χιτίνης και η δεκυλίωση της χιτίνης σε χιτοζάνη απαιτεί ισχυρό και αξιόπιστο εξοπλισμό υπερήχων που μπορεί να προσφέρει υψηλά πλάτη, προσφέρει ακριβή δυνατότητα ελέγχου των παραμέτρων της διαδικασίας και μπορεί να λειτουργήσει 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα υπό βαρύ φορτίο και σε απαιτητικά περιβάλλοντα. Hielscher Υπέρηχοι σειρά προϊόντων να σας πάρει και τις απαιτήσεις της διαδικασίας σας καλύπτονται. Hielscher υπερήχων είναι συστήματα υψηλής απόδοσης που μπορούν να εξοπλιστούν με αξεσουάρ όπως sonotrodes, ενισχυτές, αντιδραστήρες ή κύτταρα ροής, προκειμένου να ταιριάζει με τις ανάγκες της διαδικασίας σας με τον βέλτιστο τρόπο.
Με την ψηφιακή έγχρωμη οθόνη, εξασφαλίζεται η επιλογή προκαθορισμένων εκτελέσεων υπερήχων, αυτόματη καταγραφή δεδομένων σε ενσωματωμένη κάρτα SD, απομακρυσμένος έλεγχος προγράμματος περιήγησης και πολλά άλλα χαρακτηριστικά, υψηλότερος έλεγχος διαδικασίας και φιλικότητα προς το χρήστη. Σε συνδυασμό με την ευρωστία και τη βαριά φέρουσα ικανότητα, Hielscher υπερήχων συστήματα είναι αξιόπιστο άλογο εργασίας σας στην παραγωγή.
Ο κατακερματισμός της χιτίνης και η αποακετυλίωση απαιτούν ισχυρό υπερηχογράφημα για να επιτευχθεί η στοχευμένη μετατροπή και ένα τελικό προϊόν χιτοζάνης υψηλής ποιότητας. Ειδικά για τον κατακερματισμό των νιφάδων χιτίνης, τα υψηλά πλάτη και οι αυξημένες πιέσεις είναι ζωτικής σημασίας. Hielscher Υπέρηχοι’ Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων παρέχουν εύκολα πολύ υψηλά πλάτη. Πλάτη έως 200μm μπορούν να λειτουργούν συνεχώς σε 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη, διατίθενται προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes. Η ικανότητα ισχύος των συστημάτων υπερήχων Hielscher επιτρέπει την αποτελεσματική και γρήγορη αποακετυλίωση σε μια ασφαλή και φιλική προς το χρήστη διαδικασία.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Ροή | Προτεινόμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100Η |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL? λεπτό | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 έως 20L | 0.2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L? λεπτό | UIP4000hdT |
| μ.δ. | 10 έως 100L? λεπτό | UIP16000 |
| μ.δ. | μεγαλύτερου | σύμπλεγμα UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας!? Ρωτήστε μας!
Βιβλιογραφία/Αναφορές
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Βιονανοσύνθετες μεμβράνες με βάση τη χιτοζάνη που παρασκευάζονται με τεχνική γαλακτώματος για συντήρηση τροφίμων. Υλικά 2019, 12 (3), 373.
- Fiamingo Α., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Εκτενώς αποακετυλιωμένη χιτοζάνη υψηλού μοριακού βάρους από την υποβοηθούμενη από υπερήχους αποακετυλίωση πολλαπλών σταδίων της βήτα-χιτίνης. Υπερήχων 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, Νέα Ορλεάνη, Λος Άντζελες, 28 Ιουνίου.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Επίδραση της θερμοκρασίας κατά την αποακετυλίωση της χιτίνης στη χιτοζάνη με υπερηχογράφημα υψηλής έντασης ως προεπεξεργασία, Ετήσια συνάντηση του Ινστιτούτου Τεχνολόγων Τροφίμων, Νέα Ορλεάνη, Λος Άντζελες, 30 Ιουνίου, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Επίδραση υπερήχων υψηλής έντασης για την επιτάχυνση της μετατροπής της χιτίνης σε χιτοζάνη, Ετήσια συνάντηση του Ινστιτούτου Τεχνολόγων Τροφίμων, Νέα Ορλεάνη, Λος Άντζελες, 30 Ιουνίου, 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 και τα παράγωγά του ως πιθανά βιοροφητικά για το πετρέλαιο ντίζελ πλοίων. Περιβαλλοντική Επιστήμη και Έρευνα Ρύπανσης (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera Ν., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Μέθοδος παρασκευής νανοσωματιδίων χιτοζάνης και νανοϊνών από πάνω προς τα κάτω. Πολυμερή υδατανθράκων 117, 2015. 731–738.
- Wu, Τ., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Αποτελεσματική μείωση του μοριακού βάρους χιτοζάνης με υπερήχους υψηλής έντασης: Υποκείμενος μηχανισμός και επίδραση των παραμέτρων επεξεργασίας. Εφημερίδα της γεωργικής χημείας και χημείας τροφίμων 56 (13): 5112-5119.
- Yadav Μ.; Goswami Π.; Paritosh Κ.; Kumar Μ.; Pareek Ν.; Vivekanand V. (2019): Απόβλητα θαλασσινών: πηγή παρασκευής υλικά χιτίνης/χιτοζάνης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο εμπόριο. Βιοπόροι και Βιοεπεξεργασία 6/8, 2019.
Γεγονότα που αξίζει να γνωρίζετε
Πώς υπερήχων Chitin Deactylation εργασίας?
When high-power, low-frequency ultrasound (e.g., 20-26kHz) is coupled into a liquid or slurry, alternating high-pressure? low-pressure cycles are applied to the liquid creating compression and rarefaction. During these alternating high-pressure? low-pressure cycles, small vacuum bubbles are generated, which grow over several pressure cycles. At the point, when the vacuum bubbles cannot absorb more energy, they collaps violently. During this bubble implosion, locally very intense conditions occur: high temperatures of up to 5000K, pressures of up to 2000atm, very high heating/cooling rates and pressure differentials occur. Since the bubble collapse dynamics are faster than mass and heat transfer, the energy in the collapsing cavity is confined to a very small zone, also called “Καυτό σημείο”. The implosion of the cavitation bubble also results in microturbulences, liquid jets of up to 280m/s velocity and resulting shear forces. This phenomenon is known as ultrasonic or acoustic cavitation.
Τα σταγονίδια και τα σωματίδια στο υπερηχητικό υγρό προσκρούουν σε αυτές τις δυνάμεις σπηλαίωσης και όταν τα επιταχυνόμενα σωματίδια συγκρούονται μεταξύ τους, θρυμματίζονται από σύγκρουση μεταξύ σωματιδίων. Η ακουστική σπηλαίωση είναι η αρχή λειτουργίας της υπερηχητικής άλεσης, της διασποράς, της γαλακτωματοποίησης και της sonochemistry.
Για την αποακετυλίωση χιτίνης, ο υπέρηχος υψηλής έντασης αυξάνεται στην επιφάνεια ενεργοποιώντας την επιφάνεια και προωθώντας τη μεταφορά μάζας μεταξύ σωματιδίων και αντιδραστηρίου.
Χιτοζάνη
Η χιτοζάνη είναι ένα τροποποιημένο, κατιονικό, μη τοξικό πολυμερές υδατανθράκων με πολύπλοκη χημική δομή που σχηματίζεται από μονάδες β-(1,4) γλυκοζαμίνης ως κύριο συστατικό του (>80%) και μονάδες Ν-ακετυλο-γλυκοζαμίνης (<20%), τυχαία κατανεμημένα κατά μήκος της αλυσίδας. Η χιτοζάνη προέρχεται από χιτίνη μέσω χημικής ή ενζυματικής αποακετυλίωσης. Ο βαθμός αποακετυλίωσης (DA) καθορίζει την περιεκτικότητα των ελεύθερων αμινοομάδων στη δομή και χρησιμοποιείται για τη διάκριση μεταξύ χιτίνης και χιτοζάνης. Η χιτοζάνη παρουσιάζει καλή διαλυτότητα σε μέτριους διαλύτες όπως το αραιωμένο οξικό οξύ και προσφέρει αρκετές ελεύθερες ομάδες αμίνης ως ενεργές θέσεις. Αυτό καθιστά τη χιτοζάνη πλεονεκτική έναντι της χιτίνης σε πολλές χημικές αντιδράσεις.
Η χιτοζάνη αποτιμάται για την εξαιρετική βιοσυμβατότητα και βιοδιασπασιμότητα, τη μη τοξικότητα, την καλή αντιμικροβιακή δράση (έναντι βακτηρίων και μυκήτων), την αδιαπερατότητα οξυγόνου και τις ιδιότητες σχηματισμού φιλμ. Σε αντίθεση με τη χιτίνη, η χιτοζάνη έχει το πλεονέκτημα ότι είναι υδατοδιαλυτή και ως εκ τούτου ευκολότερη στο χειρισμό και τη χρήση σε σκευάσματα.
Ως ο δεύτερος πιο άφθονος πολυσακχαρίτης μετά την κυτταρίνη, η τεράστια αφθονία χιτίνης την καθιστά μια φθηνή και βιώσιμη πρώτη ύλη.
Παραγωγή χιτοζάνης
Η χιτοζάνη παράγεται σε μια διαδικασία δύο σταδίων. Στο πρώτο βήμα, η πρώτη ύλη, όπως τα κελύφη καρκινοειδών (π.χ. γαρίδες, καβούρια, αστακός), αποπρωτεϊνίζεται, απιονίζεται και καθαρίζεται για να ληφθεί χιτίνη. Στο δεύτερο στάδιο, η χιτίνη υποβάλλεται σε επεξεργασία με μια ισχυρή βάση (π.χ. NaOH) για την αφαίρεση των ακετυλοπλευρικών αλυσίδων προκειμένου να ληφθεί χιτοζάνη. Η διαδικασία της συμβατικής παραγωγής χιτοζάνης είναι γνωστό ότι είναι πολύ χρονοβόρα και δαπανηρή.
Χιτίνη
Χιτίνη (C8H13O5N)N είναι πολυμερές ευθείας αλυσίδας της β-1,4-N-ακετυλογλυκοζαμίνης και ταξινομείται σε α-, β- και γ-χιτίνη. Όντας παράγωγο της γλυκόζης, η χιτίνη είναι ένα κύριο συστατικό των εξωσκελετών των αρθροπόδων, όπως τα καρκινοειδή και τα έντομα, τα radulae των μαλακίων, τα ράμφη κεφαλόποδων και τα λέπια των ψαριών και των lissamphibians και μπορεί να βρεθεί στα κυτταρικά τοιχώματα και στους μύκητες. Η δομή της χιτίνης είναι συγκρίσιμη με την κυτταρίνη, σχηματίζοντας κρυσταλλικά νανοϊνίδια ή μουστάκια. Η κυτταρίνη είναι ο πιο άφθονος πολυσακχαρίτης του κόσμου, ακολουθούμενη από χιτίνη ως δεύτερος πιο άφθονος πολυσακχαρίτης.
Γλυκοζαμίνη
Γλυκοζαμίνη (C6H13ΌΧΙ5) είναι ένα αμινοσάκχαρο και ένας σημαντικός πρόδρομος στη βιοχημική σύνθεση γλυκοζυλιωμένων πρωτεϊνών και λιπιδίων. Η γλυκοζαμίνη είναι φυσικά μια άφθονη ένωση που αποτελεί μέρος της δομής και των δύο πολυσακχαριτών, χιτοζάνης και χιτίνης, γεγονός που καθιστά τη γλυκοζαμίνη έναν από τους πιο άφθονους μονοσακχαρίτες. Το μεγαλύτερο μέρος της εμπορικά διαθέσιμης γλυκοζαμίνης παράγεται από την υδρόλυση εξωσκελετών καρκινοειδών, δηλαδή κελυφών καβουριών και αστακών.
Η γλυκοζαμίνη χρησιμοποιείται κυρίως ως συμπλήρωμα διατροφής όπου χρησιμοποιείται με τις μορφές θειικής γλυκοζαμίνης, υδροχλωρικής γλυκοζαμίνης ή Ν-ακετυλογλυκοζαμίνης. Τα συμπληρώματα θειικής γλυκοζαμίνης χορηγούνται από το στόμα για τη θεραπεία μιας οδυνηρής κατάστασης που προκαλείται από τη φλεγμονή, τη διάσπαση και την ενδεχόμενη απώλεια χόνδρου (οστεοαρθρίτιδα).