Desacetilación ultrasónica de quitina a quitosano
Producción ultrasónica de quitosano
El quitosano se obtiene mediante la N-desacetilación de la quitina. En la desacetilación convencional, la quitina se sumerge en disolventes alcalinos acuosos (normalmente NaOH al 40 a 50% (w/w)). El proceso de remojo requiere temperaturas elevadas de 100 a 120ºC y mucho tiempo, mientras que el rendimiento de quitosano obtenido en cada etapa de remojo es bajo. La aplicación de ultrasonidos de alta potencia intensifica considerablemente el proceso de desacetilación de la quitina y proporciona un alto rendimiento de quitosano de bajo peso molecular mediante un tratamiento rápido a menor temperatura. La desacetilación ultrasónica produce quitosano de calidad superior que se utiliza como ingrediente alimentario y farmacéutico, como fertilizante y en muchas otras aplicaciones industriales.
El tratamiento ultrasónico permite alcanzar un grado de acetilación (DA) excepcional, al reducir el grado de acetilación de la quitina de DA≥90 a un quitosano con DA≤10.
Numerosos estudios confirman la eficacia de la desacetilación ultrasónica de quitina a quitosano. Weiss J. et al. (2008) observaron que la sonicación mejora drásticamente la conversión de quitina a quitosano. El tratamiento ultrasónico de la quitina supone un ahorro considerable de tiempo, al reducir el tiempo de procesamiento necesario de 12-24 horas a unas pocas horas. Además, se necesita menos disolvente para lograr una conversión completa, lo que reduce el impacto ambiental asociado a la eliminación y gestión del disolvente agotado o sin reaccionar, es decir, NaOH concentrado.
La sonicación favorece la desacetilación de quitina a quitosano
UIP4000hdT – sistema ultrasónico de 4 kW de potencia
Principio de funcionamiento del tratamiento ultrasónico del quitosano
La sonicación de alta potencia y baja frecuencia (∼20-26 kHz) genera cavitación acústica en líquidos y suspensiones. Los ultrasonidos de alta potencia favorecen la conversión de quitina a quitosano, ya que el disolvente (p. ej., NaOH) fragmenta y penetra las partículas sólidas de quitina, ampliando así la superficie y mejorando la transferencia de masa entre las fases sólida y líquida. Además, las elevadas fuerzas de cizallamiento de la cavitación ultrasónica generan radicales libres que aumentan la reactividad del reactivo (es decir, NaOH) durante la hidrólisis. Como técnica de procesamiento no térmico, la sonicación evita la degradación térmica y produce quitosano de alta calidad. Los ultrasonidos acortan los tiempos de procesamiento necesarios para extraer quitina de los crustáceos y permiten obtener quitina (y, por tanto, posteriormente quitosano) de mayor pureza que en las condiciones de procesamiento tradicionales. Por ello, en la producción de quitina y quitosano, los ultrasonidos pueden reducir los costes de producción, disminuir el tiempo de procesamiento, permitir un mejor control del proceso de producción y reducir el impacto ambiental de los residuos del proceso.
- Mayor rendimiento de quitosano
- Calidad superior
- Menor tiempo de procesamiento
- Menor temperatura de proceso
- Mayor eficiencia
- Funcionamiento fácil y seguro
- Respetuoso con el medio ambiente
Desacetilación ultrasónica de quitina a quitosano – Protocolo
1) Preparar la quitina:
Si se utilizan caparazones de cangrejo como materia prima, deben lavarse minuciosamente para eliminar cualquier materia orgánica soluble y las impurezas adheridas, incluida la tierra y las proteínas. A continuación, los caparazones deben secarse por completo (p. ej., a 60ºC durante 24h en una estufa). Después, los caparazones secos se trituran (p. ej., con un molino de martillos), se desproteinizan en un medio alcalino (p. ej., NaOH a una concentración de 0,125 a 5,0 M) y se desmineralizan en un medio ácido (p. ej., ácido clorhídrico diluido).
2) Desacetilación ultrasónica
Para llevar a cabo una reacción típica de desacetilación ultrasónica, se suspenden partículas de beta-quitina (0,125 mm < d < 0,250 mm) en NaOH acuoso al 40% (w/w), con una relación beta-quitina/disolución acuosa de NaOH de 1/10(g mL-1), se transfiere la suspensión a un vaso de precipitados de vidrio de doble pared y se somete a sonicación mediante un Hielscher UP400St , un homogeneizador ultrasónico. Los siguientes parámetros (véase Fiamingo et al. 2016) se mantienen constantes durante la reacción de desacetilación ultrasónica de la quitina: (i) sonda ultrasónica (sonotrodo Hielscher S24d22D, diámetro de la punta = 22 mm); (ii) modo pulsado de sonicación (IP = 0,5sec); (iii) intensidad ultrasónica superficial
(I = 52,6 W cm-2), (iv) temperatura de reacción (60ºC ±1ºC), (v) tiempo de reacción (50 min), (vi) relación peso de beta-quitina/volumen de hidróxido de sodio acuoso al 40% (w/w) (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) volumen de la suspensión de beta-quitina (50 mL).
La primera reacción transcurre durante 50 min con agitación magnética constante y después se interrumpe enfriando rápidamente la suspensión a 0ºC. A continuación, se añade ácido clorhídrico diluido hasta alcanzar un pH de 8,5 y se aísla la muestra CHs1 por filtración, se lava exhaustivamente con agua desionizada y se seca en condiciones ambientales. Cuando se repite la misma desacetilación ultrasónica como segunda etapa sobre CHs1, se obtiene la muestra CHs2.
Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) con un aumento de 100× de a) gladio, b) gladio tratado con ultrasonidos, c) β-quitina, d) β-quitina tratada con ultrasonidos y e) quitosano (fuente: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. observaron que la desacetilación ultrasónica de beta-quitina produce de forma eficiente quitosano de alto peso molecular con un bajo grado de acetilación, sin utilizar aditivos, atmósfera inerte ni tiempos de reacción prolongados. Esto se logra aunque la reacción de desacetilación ultrasónica se lleva a cabo en condiciones más suaves – es decir, a una temperatura de reacción baja en comparación con la mayoría de las desacetilaciones termoquímicas. La desacetilación ultrasónica de beta-quitina permite preparar quitosano desacetilado aleatoriamente con un grado de acetilación variable (4% ≤ DA ≤ 37%), un elevado peso molecular promedio en peso (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) y una baja dispersidad (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4), mediante tres reacciones consecutivas (50 min/etapa) a 60ºC.
Procesadores ultrasónicos de alta potencia para escalas de laboratorio, piloto e industrial.
Sistemas ultrasónicos de alto rendimiento para la producción de quitosano
La fragmentación de la quitina y su desacetilación a quitosano requieren equipos ultrasónicos potentes y fiables que puedan proporcionar amplitudes elevadas, permitan controlar con precisión los parámetros del proceso y funcionen 24/7 bajo cargas elevadas y en entornos exigentes. La gama de productos de Hielscher Ultrasonics satisface sus necesidades y los requisitos de su proceso. Los sonicadores Hielscher son sistemas de alto rendimiento que pueden equiparse con accesorios como sonotrodos, amplificadores de amplitud, reactores o celdas de flujo para adaptarse de forma óptima a las necesidades de su proceso.
La pantalla digital a color, la opción de preconfigurar los ciclos de sonicación, el registro automático de datos en una tarjeta SD integrada, el control remoto mediante navegador y muchas otras funciones garantizan el máximo control del proceso y la facilidad de uso. Gracias también a su robustez y su capacidad para soportar cargas elevadas, los sistemas ultrasónicos Hielscher son equipos fiables para su producción.
La fragmentación y desacetilación de la quitina requieren ultrasonidos potentes para obtener la conversión deseada y un producto final de quitosano de alta calidad. Las amplitudes elevadas y las presiones altas son especialmente importantes para fragmentar las escamas de quitina. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics proporcionan fácilmente amplitudes muy elevadas. Se puede trabajar con amplitudes de hasta 200 µm de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados. La capacidad de potencia de los sistemas ultrasónicos Hielscher permite una desacetilación eficiente y rápida mediante un proceso seguro y fácil de manejar.
La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen por lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | conjunto de UIP16000 |
¡Contáctenos! / ¡Consúltenos!
Bibliografía y referencias
- 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): Extensively deacetylated high molecular weight chitosan from the multistep ultrasound-assisted deacetylation of 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 and its derivatives as potential biosorbents for marine diesel oil. Environmental Science and Pollution Research (2017) 24:22.932–22.939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): A method for top down preparation of chitosan nanoparticles and nanofibers. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Efficient reduction of chitosan molecular weight by high-intensity ultrasound: Underlying mechanism and effect of processing parameters. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Seafood waste: a source for preparation of commercially employable chitin/chitosan materials. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Datos de interés
¿Cómo funciona la desacetilación ultrasónica de la quitina?
Cuando se acoplan ultrasonidos de alta potencia y baja frecuencia (p. ej., 20-26 kHz) a un líquido o una suspensión, se aplican al líquido ciclos alternos de alta presión / baja presión que generan compresión y rarefacción. Durante estos ciclos alternos de alta presión / baja presión, se generan pequeñas burbujas de vacío que crecen a lo largo de varios ciclos de presión. Cuando las burbujas de vacío ya no pueden absorber más energía, colapsan violentamente. Durante esta implosión de las burbujas, se producen condiciones locales muy intensas: temperaturas elevadas de hasta 5000K, presiones de hasta 2000atm, velocidades de calentamiento/enfriamiento muy altas y diferencias de presión. Dado que la dinámica del colapso de las burbujas es más rápida que la transferencia de masa y calor, la energía de la cavidad que colapsa queda confinada en una zona muy pequeña, también denominada «punto caliente». La implosión de la burbuja de cavitación también genera microturbulencias, chorros de líquido con velocidades de hasta 280 m/s y las consiguientes fuerzas de cizallamiento. Este fenómeno se conoce como cavitación ultrasónica o acústica.
Estas fuerzas de cavitación inciden sobre las gotas y partículas del líquido sometido a sonicación y, cuando las partículas aceleradas chocan entre sí, se fragmentan por colisión entre partículas. La cavitación acústica es el principio de funcionamiento de la molienda, la dispersión y la emulsificación ultrasónicas, así como de la sonoquímica.
En la desacetilación de la quitina, los ultrasonidos de alta intensidad aumentan la superficie al activarla y favorecer la transferencia de masa entre las partículas y el reactivo.
Quitosano
El quitosano es un polímero de carbohidratos modificado, catiónico y no tóxico, con una estructura química compleja formada por unidades de β-(1,4) glucosamina como componente principal (>80%) y unidades de N-acetilglucosamina (<20%), distribuidas aleatoriamente a lo largo de la cadena. El quitosano se obtiene de la quitina mediante desacetilación química o enzimática. El grado de desacetilación (DA) determina el contenido de grupos amino libres en la estructura y se utiliza para distinguir entre quitina y quitosano. El quitosano presenta buena solubilidad en disolventes moderados, como el ácido acético diluido, y ofrece varios grupos amino libres como sitios activos. Esto confiere al quitosano ventajas frente a la quitina en numerosas reacciones químicas.
El quitosano se valora por su excelente biocompatibilidad y biodegradabilidad, su ausencia de toxicidad, su buena actividad antimicrobiana (contra bacterias y hongos), su impermeabilidad al oxígeno y sus propiedades de formación de películas. A diferencia de la quitina, el quitosano tiene la ventaja de ser soluble en agua, lo que facilita su manipulación y su uso en formulaciones.
Como segundo polisacárido más abundante después de la celulosa, la gran abundancia de la quitina la convierte en una materia prima económica y sostenible.
Producción de quitosano
El quitosano se produce mediante un proceso de dos etapas. En la primera etapa, la materia prima, como los caparazones de crustáceos (es decir, camarones, cangrejos y langostas), se desproteiniza, desmineraliza y purifica para obtener quitina. En la segunda etapa, la quitina se trata con una base fuerte (p. ej., NaOH) para eliminar las cadenas laterales de acetilo y obtener quitosano. Se sabe que el proceso de producción convencional de quitosano requiere mucho tiempo y resulta costoso.
Quitina
La quitina (C8H13O5N)n es un polímero de cadena lineal de β-1,4-N-acetilglucosamina y se clasifica en α-, β- y γ-quitina. Como derivado de la glucosa, la quitina es un componente principal de los exoesqueletos de artrópodos, como crustáceos e insectos, las rádulas de los moluscos, los picos de los cefalópodos y las escamas de peces y lisanfibios; también puede encontrarse en las paredes celulares de los hongos. La estructura de la quitina es comparable a la de la celulosa y forma nanofibrillas cristalinas o cristales aciculares. La celulosa es el polisacárido más abundante del mundo, seguida de la quitina como segundo polisacárido más abundante.
Glucosamina
La glucosamina (C6H13NO5) es un aminoazúcar y un precursor importante en la síntesis bioquímica de proteínas y lípidos glicosilados. La glucosamina es un compuesto abundante en la naturaleza que forma parte de la estructura de ambos polisacáridos, el quitosano y la quitina, lo que la convierte en uno de los monosacáridos más abundantes. La mayor parte de la glucosamina disponible comercialmente se produce mediante la hidrólisis de exoesqueletos de crustáceos, es decir, caparazones de cangrejos y langostas.
La glucosamina se utiliza principalmente como complemento alimenticio en forma de sulfato de glucosamina, clorhidrato de glucosamina o N-acetilglucosamina. Los complementos de sulfato de glucosamina se administran por vía oral para tratar una afección dolorosa causada por la inflamación, la degradación y la eventual pérdida de cartílago (artrosis).