Technologie des ultrasons Hielscher

Désacétylation ultrasonique de la chitine en chitosane

Le chitosan est un biopolymère dérivé de la chitine qui a de nombreuses applications dans l'industrie pharmaceutique, alimentaire, agricole et industrielle. La désacétylation ultrasonique de la chitine en chitosane intensifie significativement le traitement. – conduisant à un procédé efficace et rapide avec un rendement élevé en chitosane de qualité supérieure.

Production de chitosane par ultrasons

Le chitosan est obtenu par la N-désacétylation de la chitine. Dans la désacétylation conventionnelle, la chitine est trempée dans des solvants alcalins aqueux (généralement 40 à 50 % (p/p) de NaOH). Le processus de trempage nécessite des températures élevées de 100 à 120ºC, ce qui prend beaucoup de temps, tandis que le rendement en chitosan obtenu par étape de trempage est faible. L'application d'ultrasons de haute puissance intensifie considérablement le processus de désacétylation de la chitine et permet d'obtenir un rendement élevé de chitosane de bas poids moléculaire dans un traitement rapide à basse température. La désacétylation par ultrasons permet d'obtenir du chitosane de qualité supérieure qui est utilisé comme ingrédient alimentaire et pharmaceutique, comme engrais et dans de nombreuses autres applications industrielles.
Le traitement ultrasonique résulte en un degré exceptionnel d'acétylation (DA) de la chitine abaissant le degré d'acétylation de la chitine de DA≥90 à chitosan avec DA≤10.
De nombreuses études confirment l'efficacité de la désacétylation ultrasonique de la chitine au chitosan. Weiss J. et al (2008) ont constaté que la sonication améliore considérablement la conversion de la chitine en chitosan. Le traitement par ultrasons de la chitine permet un gain de temps considérable en réduisant le temps de traitement requis de 12-24 heures à quelques heures. De plus, il faut moins de solvant pour obtenir une conversion complète, ce qui réduit l'impact sur l'environnement de devoir jeter et éliminer le solvant usé ou n'ayant pas réagi, c'est-à-dire le NaOH concentré.

Désacétylation ultrasonique de la chitine en chitosane

La désacétylation de la chitine en chitosane est favorisée par la sonication.

Ultrasoniseur haute performance UIP4000hdT pour applications industrielles

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Principe de travail du traitement ultrasonique de Chitosan

Les ultrasons de haute puissance et de basse fréquence (∼20-26kHz) créent une cavitation acoustique dans les liquides et les boues. Les ultrasons à haute puissance favorisent la conversion de la chitine en chitosane lorsque le solvant (p. ex. NaOH) se fragmente et pénètre dans les particules solides de chitine, élargissant ainsi la surface et améliorant le transfert de masse entre la phase solide et liquide. De plus, les forces de cisaillement élevées de la cavitation ultrasonique créent des radicaux libres qui augmentent la réactivité du réactif (NaOH) pendant l'hydrolyse. En tant que technique de traitement non thermique, la sonication empêche la dégradation thermique produisant du chitosane de haute qualité. Les ultrasons raccourcissent les temps de traitement nécessaires pour extraire la chitine des crustacés ainsi que pour obtenir de la chitine (et donc du chitosane) d'une plus grande pureté par rapport aux conditions de traitement traditionnelles. Pour la production de chitine et de chitosane, les ultrasons ont donc le potentiel de réduire les coûts de production, de diminuer le temps de traitement, de permettre un meilleur contrôle du processus de production et de réduire l'impact environnemental des déchets du processus.

Avantages de la production de chitosane par ultrasons

  • Rendement plus élevé de Chitosan
  • Qualité supérieure
  • Temps réduit
  • Température de process plus basse
  • Efficacité accrue
  • Facile & fonctionnement sûr
  • respectueux de l'environnement

Décétylation ultrasonique de la chitine au chitosan – Protocole

1) Préparer la chitine :
En utilisant des carapaces de crabe comme matériau d'origine, les carapaces de crabe devraient être soigneusement lavées afin d'éliminer toute matière organique soluble et toute impureté adhérente, y compris le sol et les protéines. Ensuite, le matériau de la coque doit être complètement séché (par exemple, à 60ºC pendant 24h dans un four). Les coquilles séchées sont ensuite broyées (p. ex. à l'aide d'un broyeur à marteaux), déprotéinées dans un milieu alcalin (p. ex. NaOH à une concentration de 0,125 à 5,0 M) et déminéralisées dans un acide (p. ex. acide chlorhydrique dilué).
2) Désacétylation par ultrasons
Pour effectuer une réaction de désacétylation par ultrasons typique, les particules de bêta-chitine (0,125 mm < d < 0.250 mm) are suspended in 40% (w/w) aqueous NaOH at a ratio beta-chitin/NaOH aqueous solution of 1/10(g mL-1), la suspension est transférée dans un bécher de verre à double paroi et est sonifiée à l'aide d'un Hielscher UP400St homogénéisateur ultrasonique. Les paramètres suivants (cf. Fiamingo et al. 2016) sont maintenus constants lors de la réalisation d'une réaction de désacétylation de chitine par ultrasons : i) sonde ultrasonore (sonotrode Hielscher S24d22D, diamètre de la pointe = 22 mm) ; ii) mode d'impulsion de sonication (IP = 0,5 s) ; iii) intensité de surface ultrasonique
(I = 52,6 W cm-2), (iv) température de réaction (60ºC ±1ºC), (v) temps de réaction (50 min), (vi) rapport poids/volume de bêta-chitine de 40% (p/p) hydroxyde de sodium aqueux (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1) ; vii) volume de suspension de bêta-chitine (50 mL).
La première réaction dure 50 minutes sous agitation magnétique constante et est ensuite interrompue par un refroidissement rapide de la suspension à 0ºC. Ensuite, de l'acide chlorhydrique dilué est ajouté pour atteindre un pH de 8,5 et l'échantillon CHs1 est isolé par filtration, largement lavé à l'eau désionisée et séché dans des conditions ambiantes. Lorsque la même désacétylation par ultrasons est répétée comme deuxième étape vers CHs1, elle produit un échantillon de CHs2.

Désacétylation ultrasonique de la chition en chitosane

Images au microscope électronique à balayage (MEB) avec un grossissement de 100× de a) gladius, b) gladius traité par ultrasons, c) β-chitine, d) β-chitine traitée par ultrasons, et e) chitosan (source : Preto et al. 2017)

Fiamingo et al. ont découvert que la désacétylation par ultrasons de la bêta-chitine produit efficacement du chitosane de poids moléculaire élevé avec un faible degré d'acétylation, sans utiliser d'additifs ni atmosphère inerte ni temps de réaction long. Même si la réaction de désacétylation par ultrasons est effectuée dans des conditions plus douces – c'est-à-dire une faible température de réaction par rapport à la plupart des désacétylations thermochimiques. La désacétylation par ultrasons de la bêta-chitine permet la préparation de chitosane désacétylé au hasard possédant un degré d'acétylation variable (4% ≤ DA ≤ 37%), un poids moléculaire moyen en poids élevé (900.000 g molaire-1 ≤ MW ≤ 1 200 000 g mol.-1 ) et une faible dispersion (1.3 ≤ Ð ≤ 1.4) en effectuant trois réactions consécutives (50 min/step) à 60ºC.

Hielscher Ultrasons fabrique des ultrasons de haute performance pour des applications sonochimiques.

Des processeurs à ultrasons de haute puissance, du laboratoire au pilote et à l'échelle industrielle.

Systèmes à ultrasons haute performance pour la production de chitosane

UIP4000hdT - Système ultrasonique puissant de 4 kilowatts pour l'extraction et la malaxation de l'huile d'olive vierge extra.La fragmentation de la chitine et la détylation de la chitine en chitosane nécessitent un équipement ultrasonique puissant et fiable, capable de délivrer des amplitudes élevées, d'offrir un contrôle précis des paramètres du procédé et de fonctionner 24h/24 et 7j/7 sous forte charge et dans des environnements difficiles. La gamme de produits Hielscher Ultrasons vous permet de répondre à vos besoins et à ceux de votre process. Les ultrasoniseurs Hielscher sont des systèmes à hautes performances qui peuvent être équipés d'accessoires tels que des sonotrodes, des boosters, des réacteurs ou des cellules d'écoulement afin de répondre de manière optimale à vos besoins process.
Grâce à l'affichage numérique couleur, la possibilité de prérégler la sonication, l'enregistrement automatique des données sur une carte SD intégrée, la commande à distance du navigateur et bien d'autres fonctions, le contrôle du processus et la facilité d'utilisation sont assurés. Associés à la robustesse et à la capacité de charge élevée, les systèmes à ultrasons Hielscher sont votre cheval de trait fiable en production.
La fragmentation et la désacétylation de la chitine nécessitent de puissants ultrasons pour obtenir la conversion ciblée et un produit final de chitosan de haute qualité. En particulier pour la fragmentation des flocons de chitine, des amplitudes élevées et des pressions élevées sont cruciales. Hielscher Ultrasons’ Les processeurs ultrasoniques industriels délivrent facilement des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent fonctionner en continu 24h/24 et 7j/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. La capacité de puissance des systèmes à ultrasons Hielscher permet une désacétylation efficace et rapide dans un processus sûr et convivial.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:

lot Volume Débit Appareils recommandés
1 à 500 ml 10 à 200 ml / min UP100H
10 à 2000mL 20 à 400 ml / min UP200Ht, UP400St
0.1 20L 00,2 à 4L / min UIP2000hdT
10 à 100l 2 à 10 L / min UIP4000hdT
n / a. 10 à 100 litres / min UIP16000
n / a. plus grand groupe de UIP16000

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Littérature / Références

  • Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019) : Films bionanocomposites à base de chitosane préparés par la technique de l'émulsion pour la conservation des aliments. Materials 2019, 12(3), 373.
  • Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016) : Chitosane de poids moléculaire élevé désacétylé en profondeur à partir de la désacétylation assistée par ultrasons en plusieurs étapes de la bêta-chitine. Ultrasons 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 ultrasons 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 et ses dérivés comme biosorbants potentiels pour le diesel marin. 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) : Procédé de préparation top-down de nanoparticules de chitosane et de nanofibres. Polymères glucidiques 117, 2015. 731–738.
  • Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Réduction efficace du poids moléculaire du chitosane par ultrasons de haute intensité : Mécanisme sous-jacent et effet des paramètres de traitement. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112-5119.
  • Yadav M. ; Goswami P. ; Paritosh K. ; Kumar M. ; Pareek N. ; Vivekanand V. (2019) : Déchets de fruits de mer : une source pour la préparation de chitine/chitosane commercialement utilisable. Bioressources et biotransformation 6/8, 2019.


Qu'il faut savoir

Comment fonctionne la déshydratation par ultrasons des chitines ?

Lorsque des ultrasons à haute puissance et à basse fréquence (p. ex., 20-26 kHz) sont couplés dans un liquide ou une boue, des cycles alternatifs haute pression/basse pression sont appliqués au liquide, ce qui crée compression et raréfaction. Au cours de ces cycles alternatifs haute pression/basse pression, de petites bulles de vide sont générées, qui se développent sur plusieurs cycles de pression. Au moment où les bulles de vide ne peuvent pas absorber plus d'énergie, elles s'effondrent violemment. Au cours de cette implosion de bulle, des conditions locales très intenses se produisent : des températures élevées allant jusqu'à 5000K, des pressions allant jusqu'à 2000atm, des taux de chauffage/refroidissement très élevés et des différences de pression. Comme la dynamique d'effondrement des bulles est plus rapide que la masse et le transfert de chaleur, l'énergie dans la cavité d'effondrement est confinée à une zone très petite, également appelée " point chaud ". L'implosion de la bulle de cavitation entraîne également des microturbulences, des jets liquides d'une vitesse pouvant atteindre 280 m/s et des forces de cisaillement. Ce phénomène est connu sous le nom de cavitation ultrasonique ou acoustique.
Les gouttelettes et les particules dans le liquide sonique sont touchées par ces forces cavitationnelles et lorsque les particules accélérées entrent en collision les unes avec les autres, elles sont brisées par collision interparticulaire. La cavitation acoustique est le principe de fonctionnement du broyage, de la dispersion, de l'émulsification et de la sonochimie par ultrasons.
Pour la désacétylation de la chitine, les ultrasons de haute intensité augmentent la surface en activant la surface et en favorisant le transfert de masse entre les particules et le réactif.

chitosane

Le chitosane est un polymère glucidique modifié, cationique, non toxique, ayant une structure chimique complexe formée de β-(1,4) unités glucosamine comme composant principal (>80 %) et d'unités N-acétyl glucosamine (<20%), randomly distributed along the chain. Chitosan is derived from chitin through chemical or enzymatic deacetylation. The degree of deacetylation (DA) determines the content of free amino groups in the structure and is used to distinguish between chitin and chitosan. Chitosan shows good solubility in moderate solvents such as diluted acetic acid and offers several free amine groups as active sites. This makes chitosan advantageous over chitin in many chemical reactions. Chitosan is valued for its excellent biocompatibility and biodegradability, non-toxicity, good antimicrobial activity (against bacteria and fungi), oxygen impermeability and film forming properties. In contrast to chitin, chitosan has the advantage of being water-soluble and thereby easier to handle and use in formulations. As the second most abundant polysaccharide following cellulose, the huge abundance of chitin makes it a cheap and sustainable raw material.

Production de chitosan

Le chitosan est produit en deux étapes. Dans un premier temps, la matière première, telle que les coquilles de crustacés (crevettes, crabe, homard), est déprotéinée, déminéralisée et purifiée pour obtenir la chitine. Dans la deuxième étape, la chitine est traitée avec une base forte (p. ex. NaOH) pour éliminer les chaînes latérales acétyle afin d'obtenir du chitosan. Le processus de production de chitosan conventionnel est connu pour être très long et coûteux.

chitine

Chitine (C8H13la5N)n est un polymère à chaîne droite de β-1,4-N-acétylglucosamine et est classé en α-, β- et γ-chitin. Dérivée du glucose, la chitine est un composant principal des exosquelettes des arthropodes, comme les crustacés et les insectes, les radules des mollusques, les becs de céphalopodes, les écailles des poissons et des lissamphibiens et se trouve également dans les parois cellulaires des champignons. La structure de la chitine est comparable à celle de la cellulose, formant des nanofibrilles ou des whiskers cristallins. La cellulose est le polysaccharide le plus abondant du monde, suivie de la chitine comme deuxième polysaccharide en importance.

glucosamine

Glucosamine (C6H13Non5) est un sucre aminé et un précurseur important dans la synthèse biochimique des protéines et lipides glycosylés. La glucosamine est naturellement un composé abondant qui fait partie de la structure des deux polysaccharides, le chitosane et la chitine, ce qui fait de la glucosamine un des monosaccharides les plus abondants. La plus grande partie de la glucosamine disponible dans le commerce est produite par hydrolyse des exosquelettes de crustacés, c'est-à-dire des coquilles de crabe et de homard.
La glucosamine est principalement utilisée comme complément alimentaire lorsqu'elle est utilisée sous forme de sulfate de glucosamine, de chlorhydrate de glucosamine ou de N-acétyl glucosamine. Les suppléments de sulfate de glucosamine sont administrés par voie orale pour traiter une affection douloureuse causée par l'inflammation, la rupture et la perte éventuelle du cartilage (ostéoarthrite).