Désacétylation ultrasonique de la chitine en chitosane

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.

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

Principe de travail du traitement ultrasonique de Chitosan

Les ultrasons à haute puissance et 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 (par exemple, le NaOH) se fragmente et pénètre les particules solides de chitine, ce qui augmente la surface et améliore le transfert de masse entre la phase solide et la phase liquide. En outre, les forces de cisaillement élevées de la cavitation ultrasonique créent des radicaux libres qui augmentent la réactivité du réactif (c'est-à-dire du NaOH) pendant l'hydrolyse. En tant que technique de traitement non thermique, la sonication empêche la dégradation thermique produisant un chitosane de haute qualité. Les ultrasons raccourcissent les temps de traitement nécessaires pour extraire la chitine des crustacés et pour produire 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.

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 < ré < 0.250 mm) sont en suspension dans du NaOH aqueux à 40 % (p/p) dans un rapport bêta-chitine/ solution aqueuse de NaOH de 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.

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 ≤ M_W ≤ 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.

Systèmes à ultrasons haute performance pour la production de chitosane

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