Deacetylation קולי של Chitin כדי Chitosan
ייצור צ'יטוסאן קולי
Chitosan מתקבל על ידי N-deacetylation של chitin. בדה-אצטילציה קונבנציונלית, כיטין מושרה בממיסים אלקליים מימיים (בדרך כלל 40% עד 50% (w/w) NaOH). תהליך ההשריה דורש טמפרטורות גבוהות של 100 עד 120 מעלות צלזיוס גוזל זמן רב, בעוד שתשואת הצ'יטוזן המתקבלת לכל שלב השריה נמוכה. היישום של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מגביר את תהליך הדה-אצטילציה של כיטין באופן משמעותי ומביא לתשואה גבוהה של צ'יטוזן במשקל מולקולרי נמוך בטיפול מהיר בטמפרטורה נמוכה יותר. דה-אצטילציה על-קולית גורמת לצ'יטוזן באיכות מעולה המשמש כמרכיב מזון ופארמה, כדשן וביישומים תעשייתיים רבים אחרים.
טיפול אולטרסאונד מביא לרמה יוצאת דופן של אצטילציה (DA) של כיטין, ומוריד את דרגת האצטילציה כיטין מ-DA≥90 לצ'יטוזן עם DA≤10.
מחקרים רבים מאשרים את היעילות של deacetylation chitin קולי כדי chitosan. Weiss J. et al. (2008) מצאו כי סוניקציה משפרת את ההמרה של כיטין לצ'יטוזן באופן דרסטי. הטיפול האולטרסוני בכיטין מגיע עם חיסכון משמעותי בזמן שמקטין את זמן התהליך הנדרש מ 12-24 שעות למספר שעות. יתר על כן, נדרש פחות ממס כדי להשיג המרה מלאה, אשר מפחיתה את ההשפעה הסביבתית של הצורך להשליך ולהשליך את הממס המשומש או הלא מגיב, כלומר NaOH מרוכז.
Deacetylation של chitin כדי chitosan מקודם על ידי סוניקציה
UIP4000hdT – מערכת אולטראסונית הספק 4kW
עקרון העבודה של טיפול Chitosan קולי
אולטרה-סוניקציה בתדר נמוך בהספק גבוה (∼20-26kHz) יוצרת קוויטציה אקוסטית בנוזלים ובתרחיפים. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מקדם את הפיכת הכיטין לצ'יטוזן כאשר הממס (למשל, NaOH) מתפרק וחודר לחלקיקי הכיטין המוצקים, ובכך מגדיל את שטח הפנים ומשפר את העברת המסה בין הפאזה המוצקה לנוזלית. יתר על כן, כוחות הגזירה הגבוהים של קוויטציה על-קולית יוצרים רדיקלים חופשיים המגבירים את תגובתיות המגיב (כלומר NaOH) במהלך הידרוליזה. כטכניקת עיבוד לא תרמית, סוניקציה מונעת את הפירוק התרמי ומייצרת צ'יטוזאן באיכות גבוהה. על-קולי מקצר את זמני העיבוד הנדרשים כדי לחלץ כיטין מסרטנים, כמו גם להניב כיטין (ובכך צ'יטוזן) בעל טוהר גבוה יותר בהשוואה לתנאי עיבוד מסורתיים. לייצור כיטין וצ'יטוזן, לאולטרסאונד יש פוטנציאל להוזיל את עלות הייצור, לקצר את זמן העיבוד, לאפשר שליטה טובה יותר בתהליך הייצור ולהפחית את ההשפעה הסביבתית של פסולת התהליך.
- תשואת צ'יטוזן גבוהה יותר
- איכות מעולה
- קיצור זמן
- טמפרטורת תהליך נמוכה יותר
- יעילות מוגברת
- קל & הפעלה בטוחה
- ידידותי לסביבה
Decetylation Chitin קולי כדי Chitosan – פרוטוקול
1) הכינו את הצ'יטין:
באמצעות שימוש בקליפות סרטנים כחומר מקור, יש לשטוף היטב את קליפות הסרטנים על מנת להסיר חומרים אורגניים מסיסים וזיהומים דבקים כולל אדמה וחלבון. לאחר מכן, חומר הקליפה חייב להיות יבש לחלוטין (למשל, ב 60 מעלות צלזיוס במשך 24 שעות בתנור). לאחר מכן הקונכיות המיובשות נטחנות (למשל באמצעות טחנת פטיש), עוברות דה-פרוטאיזציה בתווך בסיסי (למשל, NaOH בקונק של 0.125 עד 5.0 מטר), ודה-מינרליזציה בחומצה (למשל, חומצה הידרוכלורית מדוללת).
2) Deacetylation קולי
כדי להפעיל תגובת דה-אצטילציה על-קולית טיפוסית, חלקיקי בטא-כיטין (0.125 מ"מ < D < 00.250 מ"מ) מרחפים בתמיסה מימית NaOH של 40% (w/w) ביחס בטא-כיטין/NaOH תמיסה מימית של 1/10(g mL-1), המתלה מועבר לכוס זכוכית בעלת דופן כפולה והוא וסוניקציה באמצעות היילשר UP400ST הומוגנייזר קולי. הפרמטרים הבאים (cf. Fiamingo et al. 2016) נשמרים קבועים בעת ביצוע תגובת deacetylation chitin קולי: (i) בדיקה קולית (sonotrode Hielscher S24d22D, קוטר קצה = 22 מ"מ); (ii) מצב פולס סוניקציה (IP = 0.5 שניות); (iii) עוצמת פני השטח העל-קוליים
(I = 52.6 ואט ס"מ-2), (iv) טמפרטורת תגובה (60ºC ±1ºC), (v) זמן תגובה (50 דקות), (vi) יחס בטא-כיטין משקל/נפח של 40% (w/w) נתרן הידרוקסידי מימי (BCHt/NaOH = 1/10 גרם מ"ל-1); (vii) נפח תרחיף בטא-כיטין (50 מ"ל).
התגובה הראשונה נמשכת 50 דקות תחת ערבוב מגנטי מתמיד ואז נקטעת על ידי קירור מהיר של המתלה ל-0ºC. לאחר מכן מוסיפים חומצה הידרוכלורית מדוללת כדי להשיג pH 8.5 והדגימה CHs1 מבודדת על ידי סינון, נשטפת באופן נרחב במים שעברו דה-יוניזציה ומיובשת בתנאי הסביבה. כאשר אותו deacetylation קולי חוזר כצעד שני CHs1, הוא מייצר מדגם CHs2.
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)
Fiamingo et al. מצאו כי deacetylation קולי של בטא-כיטין ביעילות מייצר chitosan משקל מולקולרי גבוה עם רמה נמוכה של אצטילציה לא באמצעות תוספים ולא אטמוספירה אינרטית ולא זמני תגובה ארוכים. למרות התגובה deacetylation קולי מתבצעת בתנאים מתונים יותר – כלומר, טמפרטורת תגובה נמוכה בהשוואה לרוב הדיאסטילציות התרמוכימיות. deacetylation קולי של בטא chitin מאפשר הכנה של chitosan deacetylated אקראי בעל דרגה משתנה של אצטילציה (4% ≤ DA ≤ 37%), משקל מולקולרי ממוצע משקל גבוה (900,000 גרם mol-1 ≤ Mw ≤ 1,200,000 גרם מול-1 ) ופיזור נמוך (1.3 ≤ Ð ≤ 1.4) על ידי ביצוע שלוש תגובות רצופות (50 דקות לצעד) ב-60 מעלות צלזיוס.
מעבדים קוליים בהספק גבוה ממעבדה לפיילוט ובקנה מידה תעשייתי.
מערכות אולטראסוניות בעלות ביצועים גבוהים לייצור צ'יטוסאן
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 של Hielscher Ultrasonics מכסה אותך ואת דרישות התהליך שלך. Hielscher ultrasonicators הם מערכות בעלות ביצועים גבוהים שניתן לצייד באביזרים כגון סונוטרודים, מאיצים, כורים או תאי זרימה על מנת להתאים את צרכי התהליך שלך בצורה אופטימלית.
עם תצוגה צבעונית דיגיטלית, האפשרות להגדיר מראש ריצות סוניקציה, הקלטת נתונים אוטומטית על כרטיס SD משולב, שליטה מרחוק בדפדפן ותכונות רבות נוספות, בקרת תהליך הגבוהה ביותר וידידותיות למשתמש מובטחים. 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, אמפליטודות גבוהות ולחצים גבוהים הם קריטיים. Hielscher Ultrasonics’ מעבדים קוליים תעשייתיים מספקים בקלות 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 deacetylation יעיל ומהיר בתהליך בטוח וידידותי למשתמש.
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:
| נפח אצווה | קצב זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500 מ"ל | 10 עד 200 מ"ל/דקה | UP100H |
| 10 עד 2000 מ"ל | 20 עד 400 מ"ל/דקה | UP200Ht, UP400ST |
| 00.1 עד 20 ליטר | 00.2 עד 4L/דקה | UIP2000hdT |
| 10 עד 100 ליטר | 2 עד 10 ליטר/דקה | UIP4000hdT |
| נ.א. | 10 עד 100 ליטר/דקה | UIP16000 |
| נ.א. | גדול | אשכול של UIP16000 |
צרו קשר! / שאל אותנו!
ספרות/מקורות
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): יריעות Bionanocomposite מבוססות Chitosan שהוכנו בטכניקת תחליב לשימור מזון. חומרים 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): צ'יטוזן בעל משקל מולקולרי גבוה בהרחבה מדיאקטילציה רב-שלבית בסיוע אולטרסאונד של בטא-כיטין. אולטרסאונד סונוכימיה 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): המרה בסיוע סונוכימי של כיטין לצ'יטוסאן, פגישת החוקרים הראשיים של יוזמת המחקר הלאומית של USDA, ניו אורלינס, לוס אנג'לס, 28 ביוני.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): השפעת הטמפרטורה במהלך deacetylation של chitin כדי chitosan עם אולטרסאונד בעוצמה גבוהה כמו טרום טיפול, מפגש שנתי של המכון של טכנולוגי מזון, ניו אורלינס, לוס אנג'לס, יוני 30, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): השפעת אולטרסאונד בעוצמה גבוהה כדי להאיץ את ההמרה של chitin כדי chitosan, מפגש שנתי של המכון של טכנולוגי מזון, ניו אורלינס, לוס אנג'לס, יוני 30, 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 ונגזרותיו כביוסורבנטים פוטנציאליים לסולר ימי. מדעי הסביבה וחקר הזיהום (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., דה סילבה K.M.N. (2015): שיטה להכנת ננו-חלקיקי צ'יטוזן וננו-סיבים. פולימרים פחמימות 117, 2015. 731–738.
- וו, ט., זיבנוביץ', ש., הייז, ד.ג., וייס, י. (2008). הפחתה יעילה של המשקל המולקולרי של צ'יטוזן על ידי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה: מנגנון בסיסי והשפעה של פרמטרי עיבוד. כתב עת לכימיה חקלאית ומזון 56 (13):5112-5119.
- ידב מ.; גוסוואמי פ'; פריטוש ק'; קומאר מ.; פאריק נ'; Vivekanand V. (2019): פסולת מאכלי ים: מקור להכנת חומרי צ'יטין/צ'יטוזן לשימוש מסחרי. משאבים ביולוגיים ועיבוד ביולוגי 6/8, 2019.
עובדות שכדאי לדעת
כיצד פועל deactylation chitin קולי?
כאשר אולטרסאונד בהספק גבוה ובתדר נמוך (למשל, 20-26kHz) מוצמד לנוזל או לתרחיץ, מחזורי לחץ גבוה / לחץ נמוך לסירוגין מוחלים על הנוזל ויוצרים דחיסה ו rarefaction. במהלך מחזורי לחץ גבוה / לחץ נמוך לסירוגין, נוצרות בועות ואקום קטנות, הגדלות על פני מספר מחזורי לחץ. בשלב זה, כאשר בועות הריק אינן מסוגלות לספוג יותר אנרגיה, הן קורסות באלימות. במהלך קריסת בועה זו מתרחשים תנאים מקומיים אינטנסיביים מאוד: טמפרטורות גבוהות של עד 5000K, לחצים של עד 2000ATM, קצבי חימום/קירור גבוהים מאוד והפרשי לחצים מתרחשים. מכיוון שדינמיקת קריסת הבועות מהירה יותר מהעברת מסה וחום, האנרגיה בחלל המתמוטט מוגבלת לאזור קטן מאוד, המכונה גם "נקודה חמה". קריסת בועת הקוויטציה גורמת גם למיקרו-מערבולות, סילונים נוזליים במהירות של עד 280 מטר לשנייה וכוחות גזירה כתוצאה מכך. תופעה זו ידועה בשם קולי או אקוסטי cavitation.
טיפות וחלקיקים בנוזל הסוניק נפגעים על ידי כוחות קוויטציוניים אלה, וכאשר החלקיקים המואצים מתנגשים זה בזה, הם מתנפצים על ידי התנגשות בין חלקיקים. קוויטציה אקוסטית היא עקרון העבודה של כרסום קולי, פיזור, תחליב וסונוכימיה.
עבור deacetylation chitin, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה גדל בשטח הפנים על ידי הפעלת פני השטח וקידום העברת המסה בין חלקיקים מגיב.
צ'יטוסאן
צ'יטוזן הוא פולימר פחמימה מעובד, קטיוני ולא רעיל עם מבנה כימי מורכב שנוצר על ידי β-(1,4) יחידות גלוקוזאמין כמרכיב העיקרי שלו (>80%) ויחידות גלוקוזאמין N-אצטיל (<20%), בחלוקה אקראית לאורך השרשרת. Chitosan נגזר chitin באמצעות deacetylation כימי או אנזימטי. מידת הדה-אצטילציה (DA) קובעת את התוכן של קבוצות אמינו חופשיות במבנה ומשמשת להבחנה בין כיטין לצ'יטוזן. Chitosan מראה מסיסות טובה בממסים מתונים כגון חומצה אצטית מדוללת ומציע מספר קבוצות אמין חופשי כאתרים פעילים. זה הופך את הצ'יטוזן ליתרון על פני כיטין בתגובות כימיות רבות.
Chitosan מוערך עבור תאימות ביולוגית מעולה שלה biodegradability, אי רעילות, פעילות מיקרוביאלית טובה (נגד חיידקים ופטריות), אטימות חמצן ותכונות יצירת סרט. בניגוד לכיטין, לצ'יטוזן יש יתרון בכך שהוא מסיס במים ולכן קל יותר לטפל בו ולהשתמש בו בפורמולות.
בתור הרב-סוכר השני בשכיחותו אחרי תאית, השפע העצום של כיטין הופך אותו לחומר גלם זול ובר קיימא.
ייצור צ'יטוסאן
צ'יטוזן מיוצר בתהליך דו-שלבי. בשלב הראשון, חומר הגלם, כגון קליפות סרטנים (כלומר, שרימפס, סרטן, לובסטר), הוא deproteinized, demineralized ו מטוהר כדי לקבל chitin. בשלב השני, כיטין מטופל עם בסיס חזק (למשל, NaOH) כדי להסיר שרשראות צד אצטיל על מנת לקבל chitosan. תהליך ייצור הצ'יטוזן הקונבנציונלי ידוע כגוזל זמן רב ודורש עלויות.
כיטין
כיטין (C8H13O5N)N הוא פולימר ישר שרשרת של β-1,4-N-אצטילגלוקוזאמין והוא מסווג ל-α, β ו-γ-כיטין. בהיותו נגזרת של גלוקוז, כיטין הוא מרכיב עיקרי של השלדים החיצוניים של פרוקי רגליים, כגון סרטנים וחרקים, רדולות של רכיכות, מקור צפלופודים, וקשקשים של דגים ו lissamphibians וניתן למצוא אותו בדפנות התא גם בפטריות. המבנה של כיטין דומה תאית, יצירת ננו-פיברילים גבישיים או שפם. תאית היא הרב-סוכר הנפוץ ביותר בעולם, ואחריה כיטין כפוליסכריד השני בשכיחותו.
גלוקוזאמין
גלוקוזאמין (C6H13לא5) הוא סוכר אמינו ומבשר חשוב בסינתזה הביוכימית של חלבונים גליקוזילטים ושומנים. גלוקוזאמין הוא תרכובת נפוצה באופן טבעי שהיא חלק מהמבנה של רב-סוכרים, כיטוזן וכיטין, מה שהופך את גלוקוזאמין לאחד החד-סוכרים הנפוצים ביותר. רוב הגלוקוזאמין הזמין מסחרית מיוצר על ידי הידרוליזה של שלד חיצוני סרטנים, כלומר סרטנים וקליפות לובסטר.
גלוקוזאמין משמש בעיקר כתוסף תזונה שבו הוא משמש בצורות של גלוקוזאמין סולפט, גלוקוזאמין הידרוכלוריד או N-אצטיל גלוקוזאמין. תוספי גלוקוזאמין סולפט ניתנים דרך הפה לטיפול במצב כואב הנגרם על ידי דלקת, פירוק ובסופו של דבר אובדן סחוס (דלקת מפרקים ניוונית).