काइटिन से काइटोसैन बनाने के लिए अल्ट्रासोनिक डीएसीटाइलेशन
अल्ट्रासोनिक काइटोसैन उत्पादन
काइटोसैन, काइटिन के N-डीएसीटाइलेशन द्वारा प्राप्त किया जाता है। पारंपरिक डीएसीटाइलेशन में, काइटिन को जलीय क्षारीय विलायकों में भिगोया जाता है (आमतौर पर 40 से 50% (w/w) NaOH)। भिगोने की प्रक्रिया के लिए 100 से 120ºC के उच्च तापमान की आवश्यकता होती है और इसमें बहुत समय लगता है, जबकि भिगोने के प्रत्येक चरण में प्राप्त काइटोसैन की उपज कम होती है। उच्च शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग काइटिन की डीएसीटाइलेशन प्रक्रिया को उल्लेखनीय रूप से तीव्र करता है और कम तापमान पर तेज़ उपचार द्वारा कम आणविक भार वाले काइटोसैन की उच्च उपज प्रदान करता है। अल्ट्रासोनिक डीएसीटाइलेशन से उत्कृष्ट गुणवत्ता वाला काइटोसैन प्राप्त होता है, जिसका उपयोग खाद्य और औषधीय घटक के रूप में, उर्वरक के रूप में और कई अन्य औद्योगिक अनुप्रयोगों में किया जाता है।
अल्ट्रासोनिक उपचार से काइटिन के एसीटाइलेशन की असाधारण डिग्री (DA) प्राप्त होती है, जिसमें काइटिन के एसीटाइलेशन की डिग्री DA≥90 से घटकर काइटोसैन में DA≤10 हो जाती है।
अनेक शोध अध्ययन काइटिन से काइटोसैन बनाने के लिए अल्ट्रासोनिक डीएसीटाइलेशन की प्रभावशीलता की पुष्टि करते हैं। Weiss J. et al. (2008) ने पाया कि सोनिकेशन काइटिन के काइटोसैन में रूपांतरण को बहुत अधिक बेहतर बनाता है। काइटिन के अल्ट्रासोनिक उपचार से समय की उल्लेखनीय बचत होती है और आवश्यक प्रक्रिया समय 12–24 घंटे से घटकर कुछ घंटे रह जाता है। इसके अलावा, पूर्ण रूपांतरण प्राप्त करने के लिए कम विलायक की आवश्यकता होती है, जिससे प्रयुक्त या अभिक्रिया न किए हुए विलायक, अर्थात सांद्र NaOH, को त्यागने और उसका निपटान करने से होने वाला पर्यावरणीय प्रभाव कम होता है।
सोनिकेशन काइटिन से काइटोसैन बनाने के लिए डीएसीटाइलेशन को बढ़ावा देता है
UIP4000hdT – 4kW शक्ति वाला अल्ट्रासोनिक सिस्टम
अल्ट्रासोनिक काइटोसैन उपचार का कार्य सिद्धांत
उच्च शक्ति और कम आवृत्ति वाला अल्ट्रासोनिकेशन (∼20–26kHz) द्रवों और स्लरियों में ध्वनिक कैविटेशन उत्पन्न करता है। उच्च शक्ति वाला अल्ट्रासाउंड काइटिन के काइटोसैन में रूपांतरण को बढ़ावा देता है, क्योंकि विलायक (जैसे, NaOH) ठोस काइटिन कणों को खंडित करता है और उनके भीतर प्रवेश करता है, जिससे सतह क्षेत्र बढ़ता है और ठोस तथा द्रव प्रावस्थाओं के बीच द्रव्यमान स्थानांतरण बेहतर होता है। इसके अलावा, अल्ट्रासोनिक कैविटेशन के उच्च अपरूपण बल मुक्त मूलक उत्पन्न करते हैं, जो जल-अपघटन के दौरान अभिकर्मक (अर्थात NaOH) की अभिक्रियाशीलता बढ़ाते हैं। एक गैर-तापीय प्रसंस्करण तकनीक के रूप में, सोनिकेशन तापीय अपघटन को रोकता है और उच्च गुणवत्ता वाला काइटोसैन उत्पन्न करता है। अल्ट्रासाउंड क्रस्टेशियनों से काइटिन निकालने के लिए आवश्यक प्रसंस्करण समय को कम करता है और पारंपरिक प्रसंस्करण स्थितियों की तुलना में अधिक शुद्धता वाला काइटिन (और इस प्रकार बाद में काइटोसैन) भी प्रदान करता है। इसलिए काइटिन और काइटोसैन के उत्पादन में अल्ट्रासाउंड में उत्पादन लागत कम करने, प्रसंस्करण समय घटाने, उत्पादन प्रक्रिया पर बेहतर नियंत्रण प्रदान करने और प्रक्रिया से उत्पन्न अपशिष्ट के पर्यावरणीय प्रभाव को कम करने की क्षमता है।
- काइटोसैन की अधिक उपज
- उत्कृष्ट गुणवत्ता
- कम समय
- प्रक्रिया का कम तापमान
- बढ़ी हुई दक्षता
- आसान और सुरक्षित संचालन
- पर्यावरण के अनुकूल
काइटिन से काइटोसैन बनाने के लिए अल्ट्रासोनिक डीएसीटाइलेशन – प्रोटोकॉल
1) काइटिन तैयार करें:
स्रोत सामग्री के रूप में केकड़े के कवचों का उपयोग करते समय, मिट्टी और प्रोटीन सहित किसी भी घुलनशील कार्बनिक पदार्थ और चिपकी हुई अशुद्धियों को हटाने के लिए केकड़े के कवचों को अच्छी तरह धोना चाहिए। इसके बाद, कवच सामग्री को पूरी तरह सुखाना आवश्यक है (जैसे, ओवन में 60ºC पर 24h तक)। फिर सूखे कवचों को पीसा जाता है (जैसे, हैमर मिल का उपयोग करके), क्षारीय माध्यम में उनका प्रोटीन हटाया जाता है (जैसे, 0.125 से 5.0 M सांद्रता वाला NaOH), और अम्ल में उनके खनिज हटाए जाते हैं (जैसे, तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल)।
2) अल्ट्रासोनिक डीएसीटाइलेशन
एक सामान्य अल्ट्रासोनिक डीएसीटाइलेशन अभिक्रिया करने के लिए, बीटा-काइटिन कणों (0.125 mm < d < 0.250 mm) को 40% (w/w) जलीय NaOH में निलंबित किया जाता है, जिसमें बीटा-काइटिन/NaOH जलीय विलयन का अनुपात होता है 1/10(g mL-1), निलंबन को दोहरी दीवार वाले काँच के बीकर में स्थानांतरित किया जाता है और Hielscher UP400St अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र का उपयोग करके उसका सोनिकेशन किया जाता है। काइटिन की अल्ट्रासोनिक डीऐसीटिलीकरण अभिक्रिया करते समय निम्नलिखित मापदंड (देखें Fiamingo et al. 2016) स्थिर रखे जाते हैं: (i) अल्ट्रासोनिक प्रोब (सोनोट्रोड Hielscher S24d22D, सिरे का व्यास = 22 mm); (ii) सोनिकेशन पल्स मोड (IP = 0.5sec); (iii) अल्ट्रासोनिक सतही तीव्रता
(I = 52.6 W cm-2), (iv) अभिक्रिया तापमान (60ºC ±1ºC), (v) अभिक्रिया समय (50 min), (vi) बीटा-काइटिन के भार और 40% (w/w) जलीय सोडियम हाइड्रॉक्साइड के आयतन का अनुपात (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) बीटा-काइटिन निलंबन का आयतन (50mL)।
पहली अभिक्रिया निरंतर चुंबकीय विलोड़न के साथ 50min तक चलती है और फिर निलंबन को तेज़ी से 0ºC तक ठंडा करके रोक दी जाती है। इसके बाद pH 8.5 प्राप्त करने के लिए तनु हाइड्रोक्लोरिक अम्ल मिलाया जाता है और नमूने CHs1 को निस्यंदन द्वारा अलग किया जाता है, विआयनीकृत जल से अच्छी तरह धोया जाता है और परिवेशी परिस्थितियों में सुखाया जाता है। जब CHs1 पर दूसरे चरण के रूप में वही अल्ट्रासोनिक डीऐसीटिलीकरण दोहराया जाता है, तो नमूना CHs2 प्राप्त होता है।
100× आवर्धन पर स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) के चित्र: a) ग्लैडियस, b) अल्ट्रासाउंड से उपचारित ग्लैडियस, c) β-काइटिन, d) अल्ट्रासाउंड से उपचारित β-काइटिन, और e) काइटोसैन (स्रोत: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. ने पाया कि बीटा-काइटिन का अल्ट्रासोनिक डीऐसीटिलीकरण बिना किसी योजक, निष्क्रिय वातावरण या लंबे अभिक्रिया समय के कुशलतापूर्वक उच्च आणविक भार वाला काइटोसैन उत्पन्न करता है, जिसकी ऐसीटिलीकरण की डिग्री कम होती है। ऐसा तब भी होता है जब अल्ट्रासोनिक डीऐसीटिलीकरण अभिक्रिया अपेक्षाकृत सौम्य परिस्थितियों में की जाती है – अर्थात अधिकांश तापरासायनिक डीऐसीटिलीकरण प्रक्रियाओं की तुलना में कम अभिक्रिया तापमान पर। बीटा-काइटिन का अल्ट्रासोनिक डीऐसीटिलीकरण यादृच्छिक रूप से डीऐसीटिलीकृत काइटोसैन तैयार करने की सुविधा देता है, जिसमें ऐसीटिलीकरण की डिग्री परिवर्तनीय (4% ≤ DA ≤ 37%), भार-औसत आणविक भार उच्च (9,00,000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 12,00,000 g mol-1 ) और डिस्पर्सिटी कम (1.3 ≤ Ð ≤ 1.4) होती है; इसके लिए 60ºC पर लगातार तीन अभिक्रियाएँ (50 min/चरण) की जाती हैं।
प्रयोगशाला से लेकर पायलट और औद्योगिक पैमाने तक के लिए उच्च शक्ति वाले अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर।
काइटोसैन उत्पादन के लिए उच्च प्रदर्शन वाली अल्ट्रासोनिक प्रणालियाँ
काइटिन के विखंडन और काइटिन से काइटोसैन बनाने के लिए डीऐसीटिलीकरण हेतु शक्तिशाली और विश्वसनीय अल्ट्रासोनिक उपकरणों की आवश्यकता होती है, जो उच्च आयाम प्रदान कर सकें, प्रक्रिया के मापदंडों पर सटीक नियंत्रण दें और भारी भार तथा कठिन परिवेश में 24/7 संचालित किए जा सकें। Hielscher Ultrasonics की उत्पाद शृंखला आपकी और आपकी प्रक्रिया की आवश्यकताओं को पूरा करती है। Hielscher के अल्ट्रासोनिकेटर उच्च प्रदर्शन वाली प्रणालियाँ हैं, जिन्हें आपकी प्रक्रिया की आवश्यकताओं के अनुरूप सर्वोत्तम ढंग से ढालने के लिए सोनोट्रोड, बूस्टर, रिएक्टर या प्रवाह सेल जैसे सहायक उपकरणों से सुसज्जित किया जा सकता है।
डिजिटल रंगीन डिस्प्ले, सोनिकेशन चक्रों को पहले से निर्धारित करने का विकल्प, एकीकृत SD कार्ड पर स्वचालित डेटा रिकॉर्डिंग, ब्राउज़र के माध्यम से दूरस्थ नियंत्रण और अनेक अन्य सुविधाएँ उच्चतम प्रक्रिया नियंत्रण और उपयोगकर्ता-अनुकूलता सुनिश्चित करती हैं। मज़बूती और भारी भार सहने की क्षमता के साथ, Hielscher की अल्ट्रासोनिक प्रणालियाँ उत्पादन में आपका भरोसेमंद साधन हैं।
काइटिन के विखंडन और डीऐसीटिलीकरण में लक्षित रूपांतरण और उच्च गुणवत्ता वाला अंतिम काइटोसैन उत्पाद प्राप्त करने के लिए शक्तिशाली अल्ट्रासाउंड की आवश्यकता होती है। विशेष रूप से काइटिन के शल्कों के विखंडन के लिए उच्च आयाम और बढ़े हुए दाब अत्यंत आवश्यक हैं। Hielscher Ultrasonics के औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर आसानी से बहुत उच्च आयाम प्रदान करते हैं। 200µm तक के आयामों पर 24/7 निरंतर संचालन किया जा सकता है। इससे भी उच्च आयामों के लिए अनुकूलित अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड उपलब्ध हैं। Hielscher की अल्ट्रासोनिक प्रणालियों की शक्ति क्षमता एक सुरक्षित और उपयोगकर्ता-अनुकूल प्रक्रिया में कुशल और तेज़ डीऐसीटिलीकरण संभव बनाती है।
नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:
| बैच आयतन | प्रवाह दर | अनुशंसित उपकरण |
|---|---|---|
| 1 से 500mL | 10 से 200mL/min | UP100H |
| 10 से 2000mL | 20 से 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 से 20L | 0.2 से 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 से 100L | 2 से 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 से 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | अधिक | इन उपकरणों का समूह: UIP16000 |
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साहित्य/संदर्भ
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): खाद्य संरक्षण के लिए इमल्शन तकनीक से तैयार की गई काइटोसान आधारित बायोनैनोकम्पोज़िट फ़िल्में। Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): बीटा-काइटिन के बहुचरणीय अल्ट्रासाउंड-सहायित डीएसीटिलीकरण से प्राप्त व्यापक रूप से डीएसीटिलीकृत उच्च आणविक भार वाला काइटोसान. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
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- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): पूर्व-उपचार के रूप में उच्च तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके काइटिन के काइटोसान में डीएसीटिलीकरण के दौरान तापमान का प्रभाव, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, June 30th, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): काइटिन के काइटोसान में रूपांतरण को तेज़ करने में उच्च तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड का प्रभाव, 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): समुद्री डीज़ल तेल के लिए संभावित जैव-अधिशोषकों के रूप में ग्लैडियस और उसके व्युत्पन्न। Environmental Science and Pollution Research (2017) 24:22,932–22,939.
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जानने योग्य तथ्य
काइटिन का अल्ट्रासोनिक डीएसीटिलीकरण कैसे काम करता है?
जब उच्च शक्ति वाले, निम्न आवृत्ति के अल्ट्रासाउंड (जैसे, 20–26kHz) की ऊर्जा किसी द्रव या स्लरी में संचारित की जाती है, तो द्रव पर बारी-बारी से उच्च दाब / निम्न दाब के चक्र लागू होते हैं, जिससे संपीड़न और विरलन उत्पन्न होते हैं। इन बारी-बारी से आने वाले उच्च दाब / निम्न दाब के चक्रों के दौरान छोटे निर्वात बुलबुले बनते हैं, जो कई दाब चक्रों के दौरान बढ़ते हैं। जब निर्वात बुलबुले और अधिक ऊर्जा अवशोषित नहीं कर पाते, तो वे अत्यंत तीव्रता से ध्वस्त हो जाते हैं। बुलबुलों के इस अंतःस्फोट के दौरान स्थानीय स्तर पर अत्यंत तीव्र परिस्थितियाँ उत्पन्न होती हैं: 5000K तक का उच्च तापमान, 2000atm तक का दाब, गर्म होने/ठंडा होने की बहुत ऊँची दरें और दाबांतर उत्पन्न होते हैं। चूँकि बुलबुले के ध्वस्त होने की गतिकी द्रव्यमान और ऊष्मा स्थानांतरण से अधिक तेज़ होती है, इसलिए ध्वस्त हो रही गुहिका की ऊर्जा एक बहुत छोटे क्षेत्र में सीमित रहती है, जिसे “हॉट स्पॉट” भी कहा जाता है। कैविटेशन बुलबुले के अंतःस्फोट से सूक्ष्म विक्षोभ, 280m/s तक के वेग वाले द्रव जेट और उनके परिणामस्वरूप अपरूपण बल भी उत्पन्न होते हैं। इस परिघटना को अल्ट्रासोनिक या ध्वनिक कैविटेशन कहा जाता है।
सोनिकेशन किए गए द्रव में मौजूद बूंदों और कणों पर ये कैविटेशन बल प्रहार करते हैं और जब त्वरित कण एक-दूसरे से टकराते हैं, तो वे अंतरकणीय टक्कर से टूट जाते हैं। ध्वनिक कैविटेशन अल्ट्रासोनिक पिसाई, परिक्षेपण, पायसीकरण और सोनोकेमिस्ट्री का कार्य सिद्धांत है।
काइटिन के डीएसीटिलीकरण के लिए उच्च तीव्रता वाला अल्ट्रासाउंड सतह को सक्रिय करके और कणों तथा अभिकर्मक के बीच द्रव्यमान स्थानांतरण को बढ़ावा देकर सतही क्षेत्रफल बढ़ाता है।
काइटोसान
काइटोसैन एक संशोधित, धनायनिक, गैर-विषैला कार्बोहाइड्रेट बहुलक है, जिसकी जटिल रासायनिक संरचना मुख्य घटक के रूप में β-(1,4) ग्लूकोसामीन इकाइयों (>80%) और N-एसिटाइल ग्लूकोसामीन इकाइयों (<20%) से बनी होती है, जो शृंखला में यादृच्छिक रूप से वितरित होती हैं। काइटोसैन रासायनिक या एंज़ाइमी डीएसिटाइलेशन द्वारा काइटिन से प्राप्त किया जाता है। डीएसिटाइलेशन की मात्रा (DA) संरचना में मुक्त अमीनो समूहों की मात्रा निर्धारित करती है और इसका उपयोग काइटिन तथा काइटोसैन के बीच अंतर करने के लिए किया जाता है। काइटोसैन तनु एसिटिक अम्ल जैसे मध्यम प्रकृति के विलायकों में अच्छी घुलनशीलता प्रदर्शित करता है और सक्रिय स्थलों के रूप में कई मुक्त अमीन समूह प्रदान करता है। इससे अनेक रासायनिक अभिक्रियाओं में काइटोसैन, काइटिन की तुलना में अधिक लाभप्रद होता है।
काइटोसैन को इसकी उत्कृष्ट जैवसंगतता और जैवअपघटनीयता, गैर-विषाक्तता, अच्छी रोगाणुरोधी सक्रियता (बैक्टीरिया और कवकों के विरुद्ध), ऑक्सीजन के प्रति अपारगम्यता और फ़िल्म बनाने के गुणों के लिए महत्त्व दिया जाता है। काइटिन की तुलना में काइटोसैन का लाभ यह है कि यह जल में घुलनशील होता है, जिससे इसे संभालना और फ़ॉर्मूलेशन में उपयोग करना अधिक आसान होता है।
सेल्युलोज़ के बाद दूसरा सबसे प्रचुर पॉलीसैकराइड होने के कारण, काइटिन की अत्यधिक उपलब्धता इसे एक सस्ता और संधारणीय कच्चा माल बनाती है।
काइटोसैन का उत्पादन
काइटोसैन का उत्पादन दो चरणों वाली प्रक्रिया में किया जाता है। पहले चरण में, काइटिन प्राप्त करने के लिए क्रस्टेशियनों के कवच (अर्थात झींगा, केकड़ा, लॉब्स्टर) जैसे कच्चे माल से प्रोटीन और खनिज हटाए जाते हैं तथा उसे शुद्ध किया जाता है। दूसरे चरण में, काइटोसैन प्राप्त करने हेतु एसिटाइल पार्श्व शृंखलाओं को हटाने के लिए काइटिन को एक प्रबल क्षार (जैसे, NaOH) से उपचारित किया जाता है। पारंपरिक काइटोसैन उत्पादन की प्रक्रिया बहुत अधिक समय लेने वाली और अत्यधिक खर्चीली मानी जाती है।
काइटिन
काइटिन (C8H13O5N)n β-1,4-N-एसिटाइलग्लूकोसामीन का एक सीधी शृंखला वाला बहुलक है और इसे α-, β- और γ-काइटिन में वर्गीकृत किया जाता है। ग्लूकोज़ का व्युत्पन्न होने के कारण, काइटिन क्रस्टेशियनों और कीटों जैसे आर्थ्रोपोडों के बाह्यकंकालों, मोलस्कों के रैडुला, सेफ़ैलोपोडों की चोंचों तथा मछलियों और लिसैम्फिबियनों के शल्कों का एक मुख्य घटक है और यह कवकों की कोशिका भित्तियों में भी पाया जा सकता है। काइटिन की संरचना सेल्युलोज़ के तुलनीय होती है और यह क्रिस्टलीय नैनोफ़ाइब्रिल या व्हिस्कर बनाता है। सेल्युलोज़ विश्व का सबसे प्रचुर पॉलीसैकराइड है, जिसके बाद काइटिन दूसरा सबसे प्रचुर पॉलीसैकराइड है।
ग्लूकोसामीन
ग्लूकोसामीन (C6H13NO5) एक अमीनो शर्करा है और ग्लाइकोसिलेटेड प्रोटीनों तथा लिपिडों के जैवरासायनिक संश्लेषण में एक महत्त्वपूर्ण पूर्वगामी है। ग्लूकोसामीन प्राकृतिक रूप से प्रचुर मात्रा में पाया जाने वाला एक यौगिक है, जो दोनों पॉलीसैकराइडों, काइटोसैन और काइटिन, की संरचना का हिस्सा है। इससे ग्लूकोसामीन सबसे प्रचुर मोनोसैकराइडों में से एक बनता है। व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अधिकांश ग्लूकोसामीन का उत्पादन क्रस्टेशियनों के बाह्यकंकालों, अर्थात केकड़े और लॉब्स्टर के कवचों, के जलअपघटन द्वारा किया जाता है।
ग्लूकोसामीन का उपयोग मुख्यतः आहार अनुपूरक के रूप में किया जाता है, जिसमें इसे ग्लूकोसामीन सल्फेट, ग्लूकोसामीन हाइड्रोक्लोराइड या N-एसिटाइल ग्लूकोसामीन के रूपों में उपयोग किया जाता है। उपास्थि की सूजन, उसके टूटने और अंततः नष्ट हो जाने से उत्पन्न दर्दनाक स्थिति (ऑस्टियोआर्थराइटिस) के उपचार के लिए ग्लूकोसामीन सल्फेट अनुपूरक मौखिक रूप से दिए जाते हैं।