ייצור כיטין וצ'יטוזן מפטריות

אולטרסוניקציה היא שיטה יעילה ביותר לשחרר כיטין וצ'יטוזן ממקורות פטרייתיים כגון פטריות. Chitin ו chitosan חייב להיות depolymerized ו deacetylated בעיבוד במורד הזרם על מנת לקבל ביופולימר באיכות גבוהה. דה-פולימריזציה ודה-אצטילציה בסיוע אולטרה-סאונד היא טכניקה יעילה, פשוטה ומהירה ביותר, המביאה לצ'יטוזנים באיכות גבוהה עם משקל מולקולרי גבוה וזמינות ביולוגית מעולה.

כיטין וצ'יטוזן שמקורם בפטריות באמצעות אולטרסוניקציה

פטריות מאכל ופטריות מרפא כגון שיטאקי (Lentinus edodes), Ganoderma lucidum (לינגז'י או ריישי), אינונוטוס אובליקוס (צ'אגה), פטריות כפתור (Agaricus bisporus), רעמת האריות (Hericium erinaceus), פטריית זחל (Cordyceps sinensis), תרנגולת העץ (Grifola frondosa), טרמט ורסיקולור (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, turkeytail) ומיני פטריות רבים אחרים נמצאים בשימוש נרחב כמזון ולמיצוי תרכובות ביו-אקטיביות. פטריות אלה, כמו גם עיבוד שאריות (פסולת פטריות) יכולים לשמש לייצור chitosan. אולטרה-סוניקציה לא רק מקדמת את שחרור הכיטין ממבנה דופן התא הפטרייתי, אלא גם מניעה את ההמרה של כיטין לצ'יטוזן יקר ערך באמצעות דה-פולימריזציה ודה-אצטילציה בסיוע אולטרה-סאונד.

דה-פולימריזציה ודה-אצטילציה של כיטין לצ'יטוזן מקודמת על ידי סוניקציה

אולטרהסוניקציה אינטנסיבית באמצעות מערכת קולית מסוג בדיקה היא טכניקה המשמשת לקידום depolymerization ו deacetylation של chitin, המוביל להיווצרות של chitosan. כיטין הוא פוליסכריד טבעי המצוי בשלדים החיצוניים של סרטנים, חרקים ודפנות התאים של פטריות מסוימות. צ'יטוזן מופק מכיטין על ידי הסרת קבוצות האצטיל ממולקולת הכיטין.

הליך קולי להמרת צ'יטוזן פטרייתי לצ'יטוסן

כאשר מופעל אולטרסוניזציה אינטנסיבית לייצור צ'יטוזן מצ'יטין, מתלה כיטין מופעל באמצעות גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך, בדרך כלל בטווח של 20 קילוהרץ עד 30 קילוהרץ. התהליך יוצר קוויטציה אקוסטית אינטנסיבית, המתייחסת להיווצרות, צמיחה וקריסה של בועות ואקום מיקרוסקופיות בנוזל. קביטציה יוצרת כוחות גזירה מקומיים קיצוניים, טמפרטורות גבוהות (עד כמה אלפי מעלות צלזיוס) ולחצים (עד כמה מאות אטמוספרות) בנוזל המקיף את בועות הקוויטציה. תנאים קיצוניים אלה תורמים להתמוטטות פולימר הכיטין ולדה-אצטילציה שלאחר מכן.
 

תמונות SEM של צ'יטינים וצ'יטוזנים משני מיני פטריות: א) כיטין מ-L. vellereus; ב) כיטין מ P. ribis; ג) Chitosan מ L.vellereus; ד) chitosan מ P. ribis.תמונה ומחקר: © Erdoğan et al., 2017

Depolymerization קולי של Chitin

דה-פולימריזציה של כיטין מתרחשת באמצעות ההשפעות המשולבות של כוחות מכניים, כגון מיקרו-סטרימינג וסילון נוזלי, כמו גם על ידי תגובות כימיות יזומות אולטרה-סאונד המושרות על ידי רדיקלים חופשיים ומינים תגובתיים אחרים שנוצרו במהלך קוויטציה. גלי הלחץ הגבוה הנוצרים במהלך הקוויטציה גורמים לשרשראות הכיטין לעבור לחץ גזירה, וכתוצאה מכך הפולימר מתפרק למקטעים קטנים יותר.

Deacetylation קולי של Chitin

בנוסף depolymerization, ultrasonication אינטנסיבי גם מקדם deacetylation של chitin. Deacetylation כרוך בהסרת קבוצות אצטיל ממולקולת כיטין, מה שמוביל להיווצרות של chitosan. אנרגיה קולית אינטנסיבית, במיוחד הטמפרטורות והלחצים הגבוהים הנוצרים במהלך קוויטציה, מאיצים את תגובת הדה-אצטילציה. התנאים הריאקטיביים הנוצרים על ידי קוויטציה עוזרים לשבור את קשרי האצטיל בכיטין, וכתוצאה מכך לשחרר חומצה אצטית ולהמיר כיטין לצ'יטוזן.
בסך הכל, אולטרה-סוניקציה אינטנסיבית משפרת הן את תהליכי הדה-פולימריזציה והן את תהליכי הדה-אצטילציה על ידי מתן האנרגיה המכנית והכימית הדרושה כדי לפרק את פולימר הכיטין ולהקל על ההמרה לצ'יטוזן. טכניקה זו מציעה שיטה מהירה ויעילה לייצור צ'יטוזן מצ'יטין, עם יישומים רבים בתעשיות שונות, כולל תרופות, חקלאות והנדסה ביו-רפואית.

ייצור צ'יטוזן תעשייתי מפטריות עם אולטרסאונד כוח

ייצור מסחרי של כיטין וצ'יטוסאן מבוסס בעיקר על בזבוז של התעשיות הימיות (כלומר דיג, קציר רכיכות וכו'). מקורות שונים של חומר גלם גורמים לאיכויות שונות של כיטין וצ'יטוסן, הנובעות מתנודות בייצור ובאיכות עקב שינויים עונתיים בדיג. יתר על כן, צ'יטוזן המופק ממקורות פטרייתיים מציע תכונות טובות יותר כמו אורך פולימר הומוגני ומסיסות גבוהה יותר בהשוואה לצ'יטוזן ממקורות ימיים. (ראה: Ghormade et al., 2017) על מנת לספק chitosan אחיד, מיצוי של chitin ממיני פטריות הפך ייצור חלופי יציב. ייצור Chitin ו citiosan מפטריות יכול להיות קל ואמין המושג באמצעות מיצוי קולי וטכנולוגיית deacetylation. סוניקציה אינטנסיבית משבשת את מבני התאים לשחרור כיטין ומקדמת העברת מסה בממסים מימיים לקבלת תפוקת כיטין מעולה ויעילות מיצוי. deacetylation קולי לאחר מכן ממיר את chitin לתוך chitosan יקר. שניהם, מיצוי כיטין קולי ו deacetylation כדי chitosan ניתן בקנה מידה ליניארי לכל רמת ייצור מסחרי.

סוניקציה מגבירה את ייצור הצ'יטוזן הפטרייתי והופכת את הייצור ליעיל וחסכוני יותר.(תמונה ומחקר: © Zhu et al., 2019)

תוצאות מחקר עבור chitin קולי ו Chitosan deacetylation

Zhu et al. (2018) מסיקים במחקרם כי deacetylation קולי הוכיח להיות פריצת דרך מכרעת, המרת β-chitin לתוך chitosan עם 83-94% deacetylation בטמפרטורות תגובה מופחתות. התמונה משמאל מראה תמונת SEM של צ'יטוזן שעבר דה-אצטילציה אולטרה-סונית (90 W, 15 דקות, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (תמונה ומחקר: © Zhu et al., 2018)
בפרוטוקול שלהם, תמיסת NaOH (20 w/v %) הוכנה על ידי המסת פתיתי NaOH במי DI. לאחר מכן נוספה התמיסה האלקלית למשקעי GLSP (0.5 גרם) ביחס מוצק-נוזל של 1:20 (גרם: מ"ל) לתוך צינור צנטריפוגה. צ'יטוזן נוסף ל-NaCl (40 מ"ל, 0.2 מטר) ולחומצה אצטית (0.1 מטר) ביחס נפח תמיסה של 1:1. לאחר מכן ההשעיה עברה אולטרסאונד בטמפרטורה מתונה של 25 מעלות צלזיוס למשך 60 דקות באמצעות אולטרסאונד מסוג בדיקה (250W, 20kHz). (ראה: Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) מצאו כי קצב הפירוק של תמיסות צ'יטוזן מושפע לעתים רחוקות מריכוזי החומצה המשמשים למסיסה של הפולימר ותלוי במידה רבה בטמפרטורה, בעוצמת גלי האולטרסאונד ובחוזק היוני של המדיה המשמשת להמסת הפולימר. (ראה: Pandit et al., 2021)
 
במחקר אחר, Zhu et al. (2019) השתמשו באבקות נבג Ganoderma lucidum כחומר גלם פטרייתי וחקרו deacetylation בסיוע אולטרה-סאונד ואת ההשפעות של פרמטרים עיבוד כגון זמן סוניקציה, יחס מוצק לנוזל, ריכוז NaOH ועוצמת הקרנה על מידת deacetylation (DD) של chitosan. ערך ה-DD הגבוה ביותר התקבל בפרמטרים האולטרסוניים הבאים: 20 דקות סוניקציה ב-80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). מורפולוגיית פני השטח, קבוצות כימיות, יציבות תרמית וגבישיות של צ'יטוזן המתקבל באולטרסאונד נבדקו באמצעות SEM, FTIR, TG ו- XRD. צוות המחקר מדווח על שיפור משמעותי במידת הדה-אצטילציה (DD), הצמיגות הדינמית ([η]) והמשקל המולקולרי (Mv ̄) של הצ'יטוזאן המיוצר באולטרסאונד. התוצאות הדגישו את טכניקת deacetylation קולי של פטריות, שיטת ייצור חזקה מאוד עבור chitosan, אשר מתאים ליישומים ביו-רפואיים. (ראה: Zhu et al., 2019)

איכות צ'יטוזן מעולה עם דה-פולימריזציה קולית ודה-אצטילציה

תהליכים המונעים על ידי אולטרסאונד של מיצוי כיטין? צ'יטוזן ודה-פולימריזציה ניתנים לשליטה מדויקת וניתן להתאים פרמטרים של תהליך אולטראסוני לחומרי הגלם ולאיכות המוצר הסופי הממוקד (למשל, משקל מולקולרי, מידת דה-אצטילציה). זה מאפשר להתאים את תהליך האולטרסאונד לגורמים חיצוניים ולקבוע פרמטרים אופטימליים לתוצאה מעולה ויעילות.
צ'יטוזן שעבר דה-אצטילציה אולטרה-סונית מראה זמינות ביולוגית מעולה ותאימות ביולוגית. כאשר משווים ביופולימרים של צ'יטוזן שהוכנו באולטרסאונד לצ'יטוזן שמקורו תרמית לגבי תכונות ביו-רפואיות, הצ'יטוזן המיוצר באולטרסאונד מציג שיפור משמעותי בכדאיות הפיברובלסט (תא L929) ופעילות אנטיבקטריאלית משופרת הן עבור Escherichia coli (E. coli) והן עבור Staphylococcus aureus (S. aureus).
(ראה: Zhu et al., 2018)
 

סריקת תמונות במיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) בהגדלה של 100× של א) גלאדיוס, ב) גלאדיוס שטופל באולטרסאונד, ג) β-כיטין, ד) β-כיטין שטופל באולטרסאונד, וה) צ'יטוזן (מקור: Preto et al. 2017)

ציוד קולי בעל ביצועים גבוהים לעיבוד Chitin ו- Chitosan

פיצול של כיטין ואת decetylation של chitin כדי chitosan דורש ציוד קולי חזק ואמין שיכול לספק אמפליטודות גבוהות, מציע שליטה מדויקת על הפרמטרים התהליך והוא יכול להיות מופעל 24/7 תחת עומס כבד בסביבות תובעניות. טווח המוצרים Hielscher Ultrasonics ממלא דרישות אלה בצורה אמינה. מלבד ביצועי אולטרסאונד מצטיינים, אולטרסוניקטורים Hielscher להתפאר יעילות אנרגיה גבוהה, המהווה יתרון כלכלי משמעותי – במיוחד כאשר מועסקים על ייצור מסחרי בקנה מידה גדול.
Hielscher ultrasonicators הם מערכות ביצועים גבוהים שניתן לצייד עם אביזרים כגון sonotrodes, מאיצים, כורים או תאי זרימה על מנת להתאים את צרכי התהליך שלך בצורה אופטימלית. עם תצוגת צבע דיגיטלית, אפשרות להגדיר מראש ריצות סוניקציה, הקלטת נתונים אוטומטית על כרטיס SD משולב, בקרת דפדפן מרחוק ותכונות רבות נוספות, Hielscher ultrasonicators להבטיח בקרת תהליך הגבוהה ביותר וידידותיות למשתמש. בשילוב עם חוסן ויכולת נשיאת עומס כבדה, מערכות קוליות Hielscher הן סוס העבודה האמין שלך בייצור. 
פיצול כיטין ו deacetylation דורש אולטרסאונד רב עוצמה כדי להשיג את ההמרה הממוקדת ואת המוצר הסופי chitosan באיכות גבוהה. במיוחד עבור פיצול של פתיתי כיטין ואת שלבי depolymerization? deacetylation, אמפליטודות גבוהות ולחצים גבוהים הם קריטיים. Hielscher Ultrasonics תעשייתי מעבדים קוליים בקלות לספק אמפליטודות גבוהות מאוד. ניתן להפעיל אמפליטודות של עד 200μm ברציפות בפעולה 24/7. עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים. קיבולת הכוח של מערכות קוליות Hielscher לאפשר depolymerization יעיל ומהיר deacetylation בתהליך בטוח וידידותי למשתמש.
 

טיפול סינרגטי בכיטין משופר על ידי אולטרה-סוניקציה

על מנת להתגבר על החסרונות (כלומר, יעילות נמוכה, עלות אנרגיה גבוהה, זמן עיבוד ארוך, ממיסים רעילים) של deacetlytion כימי ואנזימטי chitin מסורתי, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה שולב בעיבוד chitin ו chitosan. סוניקציה בעוצמה גבוהה וההשפעות הנובעות מכך של קוויטציה אקוסטית מובילות לביקוע מהיר של שרשראות פולימריות ומפחיתות את הפיזור הפולי, ובכך מקדמות את הסינתזה של צ'יטוזן. יתר על כן, כוחות גזירה על-קוליים מגבירים את העברת המסה בתמיסה, כך שהתגובה הכימית, ההידרוליטית או האנזימטית משופרת. טיפול בכיטין קולי יכול להיות משולב עם טכניקות עיבוד כיטין קיימות כבר כגון שיטות כימיות, הידרוליזה או הליכים אנזימטיים.

דה-אקטילציה כימית בסיוע אולטרה-סאונד ודה-פולימריזציה

מכיוון שכיטין הוא ביופולימר לא תגובתי ולא מסיס, עליו לעבור את שלבי התהליך של דה-מינרליזציה, דה-פרוטאינזציה ודה-פולימריזציה? דה-אצטילציה על מנת להשיג צ'יטוזאן מסיס וביו-אמין. שלבי תהליך אלה כוללים טיפולים עם חומצות חזקות כגון HCl ובסיסים חזקים כגון NaOH ו- KOH. מכיוון ששלבי תהליך קונבנציונליים אלה אינם יעילים, איטיים ודורשים אנרגיות גבוהות, הגברת התהליך על ידי סוניקציה משפרת את ייצור הצ'יטוזן באופן משמעותי. השימוש באולטרסאונד כוח מגדיל את תפוקת הצ'יטוזן ואת איכותו, מפחית את התהליך מימים למספר שעות, מאפשר ממסים מתונים יותר, והופך את התהליך כולו לחסכוני יותר באנרגיה.

דה-פרוטאיזציה משופרת באולטרסאונד של כיטין

Vallejo-Dominguez et al. (2021) מצאו בחקירתם של דה-פרוטאינזציה של כיטין כי “יישום אולטרסאונד לייצור ביופולימרים הפחית את תכולת החלבון, כמו גם את גודל החלקיקים של כיטין. Chitosan של דרגת deacetylation גבוהה ומשקל מולקולרי בינוני הופק באמצעות סיוע אולטרסאונד.”

הידרוליזה קולית לדה-פולימריזציה של כיטין

עבור הידרוליזה כימית, חומצות או אלקליות משמשים deacetylate chitin, אולם deacetylation אלקלי (למשל, נתרן הידרוקסידי NaOH) נמצא בשימוש נרחב יותר. הידרוליזה חומצית היא שיטה חלופית לדה-אצטילציה הכימית המסורתית, שבה תמיסות חומצה אורגניות משמשות לדה-פולימריזציה של כיטין וצ'יטוזן. השיטה של הידרוליזה חומצה משמש בעיקר כאשר המשקל המולקולרי של chitin ו chitosan חייב להיות הומוגני. תהליך הידרוליזה קונבנציונלי זה ידוע כאיטי ועתיר אנרגיה ועלויות. הדרישה של חומצות חזקות, טמפרטורות גבוהות ולחצים הם גורמים שהופכים את תהליך הצ'יטוזן ההידרוליטי להליך יקר מאוד וגוזל זמן. החומצות המשמשות דורשות תהליכים במורד הזרם כגון נטרול והתפלה.
עם שילוב של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה בתהליך הידרוליזה, ניתן להוריד באופן משמעותי את דרישות הטמפרטורה והלחץ עבור המחשוף ההידרוליטי של כיטין וצ'יטוסן. יתר על כן, סוניקציה מאפשרת ריכוזי חומצה נמוכים יותר או שימוש בחומצות עדינות יותר. זה הופך את התהליך לבר-קיימא, יעיל, חסכוני וידידותי יותר לסביבה.

Deacetylation כימי בסיוע אולטרה-סאונד

פירוק כימי ופירוק של כיטין וצ'יטוזן מושג בעיקר על ידי טיפול בכיטין או צ'יטוזן עם חומצות מינרליות (למשל, חומצה הידרוכלורית HCl), נתרן ניטריט (NaNO₂), או מי חמצן (H₂O₂). אולטרסאונד משפר את קצב deacetylation ובכך מקצר את זמן התגובה הדרוש כדי לקבל את מידת היעד של deacetylation. משמעות הדבר היא שסוניקציה מפחיתה את זמן העיבוד הנדרש של 12-24 שעות למספר שעות. יתר על כן, סוניקציה מאפשרת ריכוזים כימיים נמוכים משמעותית, למשל 40% (w/w) נתרן הידרוקסידי באמצעות סוניקציה בעוד 65% (w/w) נדרשים ללא שימוש באולטרסאונד.

deacetylation אנזימטי קולי

בעוד שדה-אצטילציה אנזימטית היא צורת עיבוד קלה וידידותית לסביבה, יעילותה ועלויותיה אינן כלכליות. בשל בידוד וטיהור מורכבים, עתירי עבודה ויקרים במורד הזרם של אנזימים מהמוצר הסופי, דיאצטילציה אנזימטית של כיטין אינה מיושמת בייצור מסחרי, אלא משמשת רק במעבדת מחקר מדעית.
טיפול מקדים אולטראסוני לפני פירוק אנזימטי מקטעים מולקולות כיטין ובכך מגדיל את שטח הפנים והופך שטח זמין יותר עבור האנזימים. סוניקציה בעלת ביצועים גבוהים מסייעת לשפר את הדה-אצטילציה האנזימטית והופכת את התהליך לחסכוני יותר.