Ultrasonication היא שיטה יעילה מאוד לשחרר כיטין ו chitosan ממקורות פטרייתיים כגון פטריות. כיטין וצ'יטוסן חייבים להיות deacetylated בעיבוד במורד הזרם על מנת להשיג ביופולימר באיכות גבוהה. deacetylation בסיוע אולטרה סאונד היא טכניקה יעילה מאוד, פשוטה ומהירה, אשר התוצאה chitosans באיכות גבוהה עם משקל מולקולרי גבוה וזמינות ביולוגית מעולה.

צ'יטין וצ'יטוסן מפטריות

פטריות אכילות ורפואיות כגון לנטינוס אדודוס (שיטאקי), גנודרמה צלולה (לינגזי או ריישי), אינונוטוס אובליקוס (צ'אגה), אגריקוס ביספורוס (פטריות כפתור), הרציום ארינאסוס (רעמת האריה), קורדיספס סיננסיס (פטריית זחל), גריפולה פרונדוזה (תרנגולת העץ), וורסילוני טרמטס (קורילוס וורסילקולור, פוליפורוס versicolor, טורקיה) ומינים פטרייתיים רבים אחרים נמצאים בשימוש נרחב כמו מזון עבור הפקת תרכובות ביואקטיביות. פטריות אלה, כמו גם עיבוד שאריות (פסולת פטריות) ניתן להשתמש כדי לייצר chitosan. Ultrasonication לא רק מקדם את שחרורו של כיטין ממבנה דופן התא הפטרייתי, אלא גם מניע את ההמרה של chition לתוך chitosan יקר באמצעות depolymerization קולי.

מקדם את הchitosan על ידי הsonication

כיטיןהפולימר N-אצטילגלוקוסאמין (poly-(β-(1-4)-N-אצטיל-D-גלוקוזאמין), הוא פוליסכריד טבעי המצוי באופן נרחב בשלד החיצוני של חסרי חוליות כגון סרטנים וחרקים, השלד הפנימי של דיונון ודיונונים כמו גם קירות התא של פטריות., כיטין מוטבע במבנה של קירות תאי פטריות, אחראי על הצורה והנוקשות של דופן התא הפטרייתי. עבור יישומים רבים, כיטין מומר נגזרת deacetylated שלה, המכונה chitosan באמצעות תהליך depolymerization.
chitosan היא הנגזרת הנפוצה והיקרה ביותר של כיטין. זהו פוליסכריד במשקל מולקולרי גבוה המקושר על ידי b-1,4 גליקוזידים, המורכב מ- N-אצטיל-גלוקוזאמין וגלוקוזאמין.
ניתן להפיק צ'יטוסאן באמצעות כימיקלים או אנזימטיים n-דיסטיליקציה. בתהליך deacetylation מונע כימית, קבוצת האצטיל (R-NHCOCH₃) הוא בקע על ידי אלקלי חזק בטמפרטורות גבוהות. לחלופין, צ'יטוסן יכול להיות מסונתז באמצעות deacetylation אנזימטי. עם זאת, בקנה מידה הייצור התעשייתי deacetylation כימי היא הטכניקה המועדפת, שכן deacetylation אנזימטי הוא יעיל פחות באופן משמעותי בשל העלות הגבוהה של אנזימי deacetylase ואת תשואות chitosan נמוך המתקבל. Ultrasonication משמש כדי להגביר את ההשפלה הכימית של (1→4)-/β-הצמדה (depolymerization) ולהשפיע על deacetylation של כיטין כדי להשיג chitosan באיכות גבוהה. כאשר sonication מוחל כמו טיפול מראש עבור deacetylation אנזימטי, תשואה chitosan ואיכות משופרת, מדי.

ייצור צ'יטוסאן תעשייתי מפטריה עם אולטראסאונד

ייצור כיטין וצ'יטוסאן מסחרי מבוסס בעיקר על בזבוז התעשיות הימיות (כלומר דיג, קצירת דגי פגז וכו '). מקורות שונים של חומר גלם גורמים לאיכויות שונות של כיטין וכיטוסן, וכתוצאה מכך תנודות ייצור ואיכות עקב וריאציות דיג עונתיות. יתר על כן, chitosan נגזר מקורות פטרייתיים מציע תכונות מעולה על פי דיווחים כמו אורך פולימר הומוגני מסיסות גדולה יותר בהשוואה chitosan ממקורות ימיים. (cf. Ghormade ואח', 2017) על מנת לספק צ'יטוסן אחיד, הפקת כיטין ממין פטרייתי הפכה לייצור חלופי יציב. ייצור Chitin ו citiosan מ פטריות ניתן להשיג בקלות ואמין באמצעות מיצוי קולי וטכנולוגיית deacetylation. sonication אינטנסיבי משבש מבני תאים לשחרר כיטין ומקדם העברת מסה בממסים מימיים עבור תשואות כיטין מעולה ויעילות החילוץ. deacetylation אולטרה סאונד לאחר מכן ממיר את הכיטין לתוך chitosan יקר. שניהם, מיצוי כיטין קולי deacetylation כדי chitosan ניתן לשנות את קנה המידה הליניארי לכל רמת ייצור מסחרית.

Sonication מגביר את הייצור של chitosan פטרייתי ועושה את הייצור יעיל יותר חסכוני.
(תמונה ולימוד: © ז'ו ואח', 2019)

סינתזת צ'יטוסאן יעילה ביותר באמצעות סוניקציה

על מנת להתגבר על החסרונות (כלומר, יעילות נמוכה, עלות אנרגיה גבוהה, זמן עיבוד ארוך, ממיסים רעילים) של deacetlytion כימי אנזימטי מסורתי, אולטרסאונד בעצימות גבוהה שולב עיבוד כיטין וכיטוסן. sonication בעוצמה גבוהה ואת ההשפעות הנובעות של cavitation אקוסטי להוביל לcission מהיר של שרשראות פולימר ולהפחית את polydispersity, ובכך לקדם את הסינתזה של chitosan. יתר על כן, כוחות גיזמה קוליים להגביר את העברת ההמונים בתמיסה, כך תגובה כימית, הידרוליטית, או אנזימטית משופרים.

דיאצטילציה כימית בסיוע אולטרה סאונד ודפיליזציה

מאז כיטין הוא ביופולימר לא תגובתי ובלתי מסיס, זה חייב לעבור את שלבי התהליך של demineralization, deproteinization ו depolymerization / deacetylation על מנת להשיג chitosan מסיס וביו-חדיר. שלבים אלה בתהליך כוללים טיפולים בחומצות חזקות כגון HCl ובסיסים חזקים כגון NaOH ו- KOH. מכיוון שצעדי תהליך קונבנציונליים אלה אינם יעילים, איטיים ודורשים אנרגיות גבוהות, התעצמות התהליך על ידי sonication משפרת את ייצור הצ'יטוסאן באופן משמעותי. היישום של כוח-אולטרסאונד מגביר את התשואות chitosan ואיכות, מפחית את התהליך מימים לכמה שעות, מאפשר ממיסים מתונים יותר, והופך את כל התהליך חסכוני יותר באנרגיה.

דפרוטיניזציה משופרת באולטרסאונד של כיטין

Vallejo-Dominguez ואח ' (2021) מצאו בחקירתם של deproteinization כי "היישום של אולטרסאונד לייצור ביופולימרים הפחית את תכולת החלבון, כמו גם את גודל החלקיקים של כיטין. Chitosan של תואר deacetylation גבוה ומשקל מולקולרי בינוני הופק באמצעות סיוע אולטרסאונד.

הידרוליזה אולטרה סאונד עבור כיטין Depolymerization

עבור הידרוליזה כימית, חומצות או אלקליס משמשים deacetylate כיטין, אולם deacetylation אלקלי (למשל, נתרן הידרוקסיד NaOH) נמצא בשימוש נרחב יותר. הידרוליזה חומצה היא שיטה לסירוגין deacetylation הכימי המסורתי, שבו פתרונות חומצה אורגנית משמשים depolymerize כיטין ו chitosan. השיטה של הידרוליזה חומצה משמשת בעיקר כאשר המשקל המולקולרי של כיטין ו chitosan חייב להיות הומוגני. תהליך הידרוליזה קונבנציונלי זה ידוע כאטי, אנרגיה ועלויות אינטנסיביות. הדרישה של חומצות חזקות, טמפרטורות גבוהות ולחצים הם גורמים שהופכים את תהליך chitosan הידרוליטי להליך יקר מאוד זמן רב. החומצות המשמשות דורשות תהליכים במורד הזרם כגון נטרול והתפלה.
עם שילוב של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה לתוך תהליך הידרוליזה, הטמפרטורה ואת דרישות הלחץ עבור מחשוף הידרוליטי של כיטין ו chitosan ניתן להוריד באופן משמעותי. יתר על כן, sonication מאפשר ריכוזי חומצה נמוכים יותר או שימוש בחומצות מתונות יותר. זה הופך את התהליך לבר קיימא יותר, יעיל, חסכוני וידידותי יותר לסביבה.

דיאצטילציה כימית בסיוע אולטרה סאונד

התפוררות כימית ו deacteylation של כיטין ו chitosan מושגת בעיקר על ידי טיפול כיטין או chitosan עם חומצות מינרליות (למשל, חומצה הידרוכלורית HCl), נתרן ניטריט (NaNO₂), או מי חמצן (H₂הו₂). אולטראסאונד משפר את שיעור deacetylation ובכך לקצר את זמן התגובה הנדרש כדי להשיג את מידת deacetylation ממוקד. משמעות הדבר היא sonication מקטין את זמן העיבוד הנדרש של 12-24 שעות עד כמה שעות. יתר על כן, sonication מאפשר ריכוזים כימיים נמוכים באופן משמעותי, למשל 40% (w / w) נתרן הידרוקסיד באמצעות sonication בעוד 65% (w/ w) נדרשים ללא שימוש באולטרסאונד.

דיאצטילציה אולטרה סאונד-אנזימטית

בעוד deacetylation אנזימטי הוא צורה קלה, עיבוד שפיר מבחינה סביבתית, היעילות והעלויות שלה הם לא חסכוניים. בשל בידוד וטיהור מורכבים, אינטנסיביים ויקרים במורד הזרם וטיהור אנזימים מהתוצר הסופי, דיאצטילציה כיטין אנזימטית אינה מיושמת בייצור מסחרי, אלא משמשת רק במעבדת מחקר מדעית.
אולטרה סאונד טרום טיפול לפני אנזימטי רסיסי מולקולות כיטין ובכך להגדיל את שטח הפנים ולהפוך משטח יותר זמין עבור האנזימים. sonication ביצועים גבוהים מסייע לשפר deacetylation אנזימטי והופך את התהליך לכלכלי יותר.

תוצאות מחקר עבור כיטין אולטרה סאונד ו Chitosan Deacetylation

Zhu et al. (2018) מסכמים במחקר שלהם כי deacetylation קולי הוכיח להיות פריצת דרך מכרעת, המרת β-chitin לתוך chitosan עם 83-94% deacetylation בטמפרטורות תגובה מופחתות. התמונה משמאל מציגה תמונת SEM של צ'יטוסן deacetylated באולטרסאונד (90 W, 15 דקות, 20 w / v% NaOH, 1:15 (g: mL) (תמונה ולימוד: © ז'ו ואח', 2018)
בפרוטוקול שלהם, פתרון NaOH (20 w / v %) הוכן על ידי המסת פתיתי NaOH במי DI. הפתרון האלקלי נוסף לאחר מכן למ משקעים GLSP (0.5 גרם) ביחס נוזלי מוצק של 1:20 (g: mL) לתוך צינור צנטריפוגה. צ'יטוסאן נוספה ל-NaCl (40 מ"ל, 0.2 מ') וחומצה אצטית (0.1 מ') ביחס נפח פתרון של 1:1. ההשעיה הייתה אז נתון אולטרסאונד בטמפרטורה קלה של 25 מעלות צלזיוס במשך 60 דקות באמצעות ultrasonicator סוג בדיקה (250W, 20kHz). (cf Zhu et al., 2018)
Pandit ואח ' (2021) מצא כי קצב ההשפלה עבור פתרונות chitosan מושפע לעתים רחוקות על ידי ריכוזי חומצה המשמשת solubilize הפולימר תלוי במידה רבה בטמפרטורה, עוצמת גלי אולטרסאונד, ואת הכוח היוני של התקשורת המשמשת להמסת הפולימר. (cf. Pandit et al., 2021)

במחקר אחר, Zhu et al. (2019) השתמש אבקות נבג מחזירת אור Ganoderma כחומר גלם פטרייתי ונחקר באולטרסאונד‐סייע deacetylation ואת ההשפעות של פרמטרים עיבוד כגון זמן sonication, מוצק‐‐יחס נוזל, ריכוז NaOH, וכוח הקרנה על מידת deacetylation (DD) של chitosan. הערך DD הגבוה ביותר הושג בפרמטרים הקוליים הבאים: 20 דקות sonication ב 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). המורפולוגיה של פני השטח, קבוצות כימיות, יציבות תרמית וגבישיות של הצ'יטוסן המתקבל באולטרסאונד נבדקו באמצעות SEM, FTIR, TG ו- XRD. צוות המחקר מדווח על שיפור משמעותי של מידת deacetylation (DD), צמיגות דינמית ([η]) ומשקל מולקולרי (Mv ̄) של chitosan המיוצר באולטרסאונד. התוצאות הדגישו את טכניקת deacetylation קולי של פטריות שיטת ייצור חזקה מאוד עבור chitosan, אשר מתאים ליישומים ביו-רפואיים. (cf. Zhu et al., 2019)

תמונות SEM של כיטינים וצ'יטוסנים משני מיני פטריות: א) צ'יטין מ- L. vellereus; ב) צ'טין מ P. ribis; ג) צ'יטוסאן מל.ולריוס; ד) צ'יטוסן מ P. ribis.
תמונה ולימוד: © ארדואן ואח', 2017

איכות צ'יטוסאן מעולה עם Deacetylation אולטרה סאונד

תהליכים מונעים באולטרסאונד של מיצוי כיטין / chitosan depolymerization הם בדיוק ניתן לשלוט פרמטרים תהליך קולי ניתן להתאים את חומרי הגלם ואת איכות המוצר הסופי הממוקד (למשל, משקל מולקולרי, מידת deacetylation). זה מאפשר להתאים את תהליך האולטרסאונד לגורמים חיצוניים ולהגדיר פרמטרים אופטימליים לתוצאה ויעילות מעולים.
צ'יטוסן deacetylated באולטרסאונד מראה זמינות ביולוגית מעולה תאימות ביולוגית. כאשר ביופולימרים chitosan מוכן באולטרסאונד משווים chitosan נגזר תרמית לגבי תכונות ביו-רפואיות, תערוכות chitosan המיוצר באולטרסאונד שיפור משמעותית פיברובלסט (תא L929) פעילות אנטיבקטריאלית משופרת עבור Escherichia coli (E. coli) ו Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cf. Zhu et al., 2018)

כיצד פועלים מיצוי אולטרה סאונד ו deacetylation של כיטין?

כאשר גלי אולטרסאונד כוח הם זוגות לתוך נוזל או slurry (למשל, השעיה המורכבת כיטין בממס), הגלים הקוליים לנסוע דרך הנוזל גרימת לסירוגין בלחץ גבוה / מחזורים בלחץ נמוך. במהלך מחזורים בלחץ נמוך, בועות ואקום דקות (מה שנקרא בועות cavitation) נוצרים, אשר גדלים על פני מספר מחזורי לחץ. בגודל מסוים, כאשר הבועות אינן יכולות לספוג יותר אנרגיה, הן מתקציבות באלימות במהלך מחזור בלחץ גבוה. קריסת הבועה מאופיינת בכוחות קוויטיים אינטנסיביים (או סונומכניים). תנאים סונומכניים אלה מתרחשים באופן מקומי בנקודה החמה cavitational והם מאופיינים בטמפרטורות ולחצים גבוהים מאוד של עד 4000K ו 1000atm, בהתאמה; כמו גם הפרשי טמפרטורה ולחץ גבוהים תואמים. Furtehrmore, מיקרו מערבולות וזרמים נוזליים עם מהירויות של עד 100m /s נוצרים. הפקה אולטרה סאונד של כיטין ו chitosan מ פטריות וסרטנים, כמו גם depolymerization כיטין deacetylation נגרמים בעיקר על ידי אפקטים sonomechanical: תסיסה ומערבולות לשבש תאים ולקדם העברת המונית והוא יכול גם לחתוך שרשראות פולימר בשילוב עם ממיסים חומציים או אלקליין.
עיקרון עבודה של מיצוי כיטין באמצעות ultrasonication: מיצוי אולטרה סאונד ביעילות שובר את מבנה התא של פטריות ומשחרר את תרכובות תאיות מקיר התא ואת פנים התא (כלומר, פוליסכרידים כגון כיטין, chitosan ופיטוכימיקלים ביואקטיביים אחרים) לתוך הממס. מיצוי אולטרה סאונד מבוסס על עקרון העבודה של cavitation אקוסטי. ההשפעות של cavitation קולי / אקוסטי הם כוחות גיזת גבוהה, מערבולות הפרשי לחץ אינטנסיביים. כוחות סונומכניים אלה שוברים מבנים תאיים כגון קירות תאי הפטריות הכייניים, מקדמים העברה המונית בין פטריות ביו-חומרים וממסים וכתוצאה מכך תשואות תמצית גבוהות מאוד בתוך תהליך מהיר. בנוסף, sonication מקדם עיקור של תמציות על ידי הריגת חיידקים וחיידקים. אי-פעילות מיקרוביאלית על ידי sonication היא תוצאה של כוחות cavitational הרסניים לקרום התא, הייצור של רדיקלים חופשיים, וחימום מקומי.
עיקרון עבודה של depolymerization ו deacetylation באמצעות ultrasonication: שרשראות הפולימר נלכדות בשדה הגזזה סביב בועה וקטעי השרשרת של סליל הפולימר ליד חלל קורס יזוזו במהירות גבוהה יותר מאלה רחוקים יותר. לאחר מכן מיוצרים לחצים בשרשרת הפולימרים בשל התנועה היחסית של מקטעי הפולימר והממסים ואלה מספיקים כדי לגרום למחשוף. התהליך דומה אפוא להשפעות גיהה אחרות בפתרונות פולימריים ~ 2° ונותן תוצאות דומות מאוד. (cf. מחיר ואח', 1994)

ציוד אולטרה סאונד ביצועים גבוהים עבור פטריות Chitin ועיבוד Chitosan

סריקת מיקרוסקופ אלקטרוני (SEM) תמונות בהגדלה של 100 × a), b) אולטרסאונד-מטופל הסייפן, c) β-chitin, d) אולטרסאונד מטופלים β-chitin, ו-e) chitosan (מקור: פרטו ואח '. 2017)

הפיצול של כיטין ואת decetylation של כיטין כדי chitosan דורש ציוד קולי חזק ואמין שיכול לספק משרעת גבוהה, מציע שליטה מדויקת על הפרמטרים תהליך ניתן להפעיל 24/7 תחת עומס כבד בסביבות תובעניות. טווח המוצרים של Hielscher אולטרסוניקה ממלא דרישות אלה באופן אמין. מלבד ביצועי אולטרסאונד מצטיינים, Ultrasonicators Hielscher להתפאר יעילות אנרגיה גבוהה, המהווה יתרון חסכוני משמעותי – במיוחד כאשר מועסקים על ייצור בקנה מידה גדול מסחרי.
Hielscher ultrasonicators הם מערכות בעלות ביצועים גבוהים שניתן לצייד באביזרים כגון sonotrodes, מאיצים, כורים או תאי זרימה כדי להתאים את צרכי התהליך שלך בצורה אופטימלית. עם תצוגת צבע דיגיטלית, האפשרות להקפדה מראש sonication פועל, הקלטת נתונים אוטומטית על כרטיס SD משולב, שליטה בדפדפן מרחוק ותכונות רבות יותר, בקרת תהליך הגבוהה ביותר וידידותיות למשתמש מובטחים. בשילוב עם חוסן וקיבולת נושאת עומס כבד, מערכות אולטראסאונד Hielscher הם סוס העבודה האמין שלך בייצור. 
פיצול כיטין deacetylation דורש אולטרסאונד רב עוצמה כדי להשיג את ההמרה הממוקדת ומוצר chitosan סופי באיכות גבוהה. במיוחד עבור פיצול של פתיתי כיטין ואת depolymerization / deacetylation צעדים, משרעת גבוהה ולחצים גבוהים הם קריטיים. מעבדי אולטראסאונד תעשייתיים של Hielscher אולטרסוניקה בקלות לספק משרעת גבוהה מאוד. משרעת של עד 200μm ניתן להפעיל ברציפות בפעולה 24/7. עבור משרעת גבוהה עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים. קיבולת הכוח של מערכות אולטראסאונד Hielscher לאפשר deacetylation יעיל ומהיר בתהליך בטוח וידידותי למשתמש.
הטבלה להלן נותן לך אינדיקציה של יכולת עיבוד משוער של ultrasonicators שלנו: