ქიტინის ულტრაბგერითი დეაცეტილირება ქიტოზანად
ულტრაბგერითი ქიტოზანის წარმოება
ქიტოზანი მიიღება ქიტინის N-დეაცეტილირებით. ტრადიციული დეაცეტილირებისას ქიტინს ალბობენ ტუტის წყალხსნარში (ჩვეულებრივ 40-დან 50%-მდე (w/w) NaOH). დალბობის პროცესი მოითხოვს მაღალ ტემპერატურას, 100-დან 120ºC-მდე, და ძალიან შრომატევადია, ხოლო დალბობის თითოეულ ეტაპზე მიღებული ქიტოზანის გამოსავლიანობა დაბალია. მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერის გამოყენება მნიშვნელოვნად აინტენსიფიცირებს ქიტინის დეაცეტილირების პროცესს და დაბალ ტემპერატურაზე სწრაფი დამუშავებით უზრუნველყოფს დაბალი მოლეკულური მასის ქიტოზანის მაღალ გამოსავლიანობას. ულტრაბგერითი დეაცეტილირებით მიიღება უმაღლესი ხარისხის ქიტოზანი, რომელიც გამოიყენება კვებისა და ფარმაცევტულ ინგრედიენტად, სასუქად და მრავალი სხვა სამრეწველო დანიშნულებით.
ულტრაბგერითი დამუშავება იწვევს ქიტინის აცეტილირების უნიკალურ ხარისხს (DA), ამცირებს ქიტინის აცეტილირების ხარისხს DA≥90-დან ქიტოზანამდე DA≤10-ით.
მრავალი სამეცნიერო კვლევა ადასტურებს ქიტინის ულტრაბგერითი დეაცეტილირების ეფექტურობას ქიტოზანად. Weiss J. et al. (2008) აღმოაჩინეს, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება მკვეთრად აუმჯობესებს ქიტინის ქიტოზანად გარდაქმნას. ქიტინის ულტრაბგერითი დამუშავება მოდის მნიშვნელოვანი დროის დაზოგვასთან ერთად, ამცირებს საჭირო პროცესის დროს 12-24 საათიდან რამდენიმე საათამდე. გარდა ამისა, ნაკლები გამხსნელია საჭირო სრული გარდაქმნის მისაღწევად, რაც ამცირებს გარემოზე ზემოქმედებას, რადგან საჭიროა გამოყენებული ან არაგარდაქმნილი გამხსნელის, ანუ კონცენტრირებული NaOH-ის გადაყრა და განადგურება.
ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს ქიტინის ქიტოზანად დეაცეტილირებას
UIP4000hdT – 4kW სიმძლავრის ულტრაბგერითი სისტემა
ულტრაბგერითი ქიტოზანის დამუშავების მუშაობის პრინციპი
მაღალი სიმძლავრის, დაბალი სიხშირის ულტრაბგერითი დამუშავება (∼20-26kHz) ქმნის აკუსტიკურ კავიტაციას სითხეებსა და სუსპენზიებში. მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა ხელს უწყობს ქიტინის ქიტოზანად გარდაქმნას, რადგან გამხსნელი (მაგ., NaOH) შლის ქიტინის მყარ ნაწილაკებს და აღწევს მათში, რითაც ზრდის ზედაპირის ფართობს და აუმჯობესებს მასის გადატანას მყარ და თხევად ფაზებს შორის. გარდა ამისა, ულტრაბგერითი კავიტაციის ძლიერი ძვრის ძალები წარმოქმნის თავისუფალ რადიკალებს, რომლებიც ზრდის რეაგენტის (ანუ NaOH) რეაქციისუნარიანობას ჰიდროლიზის დროს. როგორც არათერმული დამუშავების მეთოდი, ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უშლის თერმულ დეგრადაციას და უზრუნველყოფს მაღალი ხარისხის ქიტოზანის მიღებას. ულტრაბგერა ამცირებს კიბოსნაირებისგან ქიტინის გამოყოფისთვის საჭირო დამუშავების დროს და ტრადიციულ დამუშავების პირობებთან შედარებით უზრუნველყოფს უფრო მაღალი სისუფთავის ქიტინის (და, შესაბამისად, ქიტოზანის) მიღებას. ამრიგად, ქიტინისა და ქიტოზანის წარმოებაში ულტრაბგერას შეუძლია შეამციროს წარმოების ხარჯები და დამუშავების დრო, გააუმჯობესოს წარმოების პროცესის კონტროლი და შეამციროს პროცესის ნარჩენების გარემოზე ზემოქმედება.
- ქიტოზანის უფრო მაღალი გამოსავლიანობა
- უმაღლესი ხარისხი
- შემცირებული დრო
- დაბალი პროცესის ტემპერატურა
- გაზრდილი ეფექტურობა
- მარტივი და უსაფრთხო ექსპლუატაცია
- ეკოლოგიურად სუფთა
ქიტინის ულტრაბგერითი დეაცეტილირება ქიტოზანად – პროტოკოლი
1) მოამზადეთ ქიტინი:
კიბორჩხალების ჯავშნის საწყის მასალად გამოყენებისას ჯავშანი საფუძვლიანად უნდა გაირეცხოს, რათა მოცილდეს ხსნადი ორგანული ნივთიერებები და მიკრული მინარევები, მათ შორის ნიადაგი და ცილა. შემდეგ ჯავშნის მასალა სრულად უნდა გაშრეს (მაგ., ღუმელში 60ºC-ზე 24h განმავლობაში). გამშრალი ჯავშანი შემდეგ იფქვება (მაგ., ჩაქუჩებიანი წისქვილის გამოყენებით), ტუტე გარემოში ცილებისგან თავისუფლდება (მაგ., NaOH-ის გამოყენებით, რომლის კონცენტრაციაა 0,125-დან 5,0 M-მდე) და მჟავაში დემინერალიზდება (მაგ., განზავებულ მარილმჟავაში).
2) ულტრაბგერითი დეაცეტილირება
ტიპური ულტრაბგერითი დეაცეტილირების რეაქციის ჩასატარებლად, ბეტა-ქიტინის ნაწილაკები (0,125 mm < d < 0,250 mm) იხსნება 40% (w/w) წყალხსნარ NaOH-ში ბეტა-ქიტინის/NaOH წყალხსნარის თანაფარდობით 1/10(g mL-1), სუსპენზია გადააქვთ ორკედლიან მინის ჭიქაში და ულტრაბგერით ამუშავებენ Hielscher UP400St ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორის გამოყენებით. შემდეგი პარამეტრები (იხ. Fiamingo et al. 2016) მუდმივი რჩება ქიტინის ულტრაბგერითი დეაცეტილირების რეაქციის შესრულებისას: (i) ულტრაბგერითი ზონდი (სონოტროდი Hielscher S24d22D, წვერის დიამეტრი = 22 mm); (ii) ულტრაბგერითი დამუშავების იმპულსური რეჟიმი (IP = 0,5sec); (iii) ულტრაბგერითი ზედაპირული ინტენსივობა
(I = 52,6 W cm-2), (iv) რეაქციის ტემპერატურა (60ºC ±1ºC), (v) რეაქციის დრო (50 min), (vi) ბეტა-ქიტინის მასის შეფარდება ნატრიუმის ჰიდროქსიდის 40% (w/w) წყალხსნარის მოცულობასთან (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) ბეტა-ქიტინის ნარევის მოცულობა (50mL).
პირველი რეაქცია მიმდინარეობს 50min განმავლობაში მუდმივი მაგნიტური მორევის პირობებში და შემდეგ წყდება სუსპენზიის სწრაფი გაცივებით 0ºC-მდე. ამის შემდეგ ემატება განზავებული მარილმჟავა pH 8,5-ის მისაღწევად, ნიმუში CHs1 გამოიყოფა ფილტრაციით, საფუძვლიანად ირეცხება დეიონიზებული წყლით და შრება გარემო პირობებში. როდესაც იგივე ულტრაბგერითი დეაცეტილირება მეორე ეტაპად CHs1-ზე მეორდება, მიიღება ნიმუში CHs2.
სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპიის (SEM) გამოსახულებები 100× გადიდებით: a) გლადიუსი, b) ულტრაბგერით დამუშავებული გლადიუსი, c) β-ქიტინი, d) ულტრაბგერით დამუშავებული β-ქიტინი და e) ქიტოზანი (წყარო: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. დაადგინეს, რომ ბეტა-ქიტინის ულტრაბგერითი დეაცეტილირებით ეფექტურად მიიღება მაღალი მოლეკულური მასისა და აცეტილირების დაბალი ხარისხის მქონე ქიტოზანი დანამატების, ინერტული ატმოსფეროსა და რეაქციის ხანგრძლივი დროის გარეშე. ამასთან, ულტრაბგერითი დეაცეტილირების რეაქცია მიმდინარეობს უფრო რბილ პირობებში – კერძოდ, რეაქციის დაბალ ტემპერატურაზე თერმოქიმიური დეაცეტილირების პროცესების უმეტესობასთან შედარებით. ბეტა-ქიტინის ულტრაბგერითი დეაცეტილირება საშუალებას იძლევა მიღებულ იქნეს შემთხვევითი განაწილებით დეაცეტილირებული ქიტოზანი, რომელსაც აქვს აცეტილირების ცვალებადი ხარისხი (4% ≤ DA ≤ 37%), მაღალი საშუალო წონითი მოლეკულური მასა (900,000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) და დაბალი დისპერსიულობა (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) სამი თანმიმდევრული რეაქციის (50 min/ეტაპი) შესრულებით 60ºC-ზე.
მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი პროცესორები ლაბორატორიული, საცდელი და სამრეწველო მასშტაბისთვის.
მაღალეფექტური ულტრაბგერითი სისტემები ქიტოზანის წარმოებისთვის
ქიტინის ფრაგმენტაცია და ქიტინის ქიტოზანად დეაცეტილირება მოითხოვს მძლავრ და საიმედო ულტრაბგერით აპარატურას, რომელსაც შეუძლია მაღალი ამპლიტუდების უზრუნველყოფა, პროცესის პარამეტრების ზუსტი კონტროლი და 24/7 მუშაობა მძიმე დატვირთვისა და რთული გარემო პირობების დროს. Hielscher Ultrasonics-ის პროდუქციის ასორტიმენტი აკმაყოფილებს თქვენსა და თქვენი პროცესის მოთხოვნებს. Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები არის მაღალეფექტური სისტემები, რომლებიც შეიძლება აღიჭურვოს აქსესუარებით, როგორიცაა სონოტროდები, ბუსტერები, რეაქტორები ან ნაკადის კამერები, რათა ოპტიმალურად დააკმაყოფილოს თქვენი პროცესის საჭიროებები.
ციფრული ფერადი დისპლეი, ულტრაბგერითი დამუშავების ციკლების წინასწარ დაყენების შესაძლებლობა, ინტეგრირებულ SD ბარათზე მონაცემების ავტომატური ჩაწერა, ბრაუზერის საშუალებით დისტანციური მართვა და მრავალი სხვა ფუნქცია უზრუნველყოფს პროცესის კონტროლის უმაღლეს დონესა და გამოყენების სიმარტივეს. სიმტკიცისა და მაღალი დატვირთვის გამძლეობის წყალობით Hielscher-ის ულტრაბგერითი სისტემები წარმოებაში თქვენი საიმედო სამუშაო მოწყობილობებია.
ქიტინის ფრაგმენტაცია და დეაცეტილირება მოითხოვს მძლავრ ულტრაბგერას მიზნობრივი გარდაქმნისა და მაღალი ხარისხის საბოლოო ქიტოზანის პროდუქტის მისაღებად. განსაკუთრებით ქიტინის ფანტელების ფრაგმენტაციისთვის მაღალი ამპლიტუდები და მომატებული წნევა გადამწყვეტია. Hielscher Ultrasonics-ის სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორები მარტივად უზრუნველყოფენ ძალიან მაღალ ამპლიტუდებს. 200µm-მდე ამპლიტუდებით უწყვეტი მუშაობა შესაძლებელია 24/7 რეჟიმში. უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია ინდივიდუალურად დამზადებული ულტრაბგერითი სონოტროდები. Hielscher-ის ულტრაბგერითი სისტემების სიმძლავრე უზრუნველყოფს ეფექტურ და სწრაფ დეაცეტილირებას უსაფრთხო და მომხმარებლისთვის მოსახერხებელ პროცესში.
ქვემოთ მოცემული ცხრილი აჩვენებს ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების დამუშავების სავარაუდო წარმადობას:
| პარტიის მოცულობა | მოცულობითი ხარჯი | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 1-დან 500mL-მდე | 10-დან 200mL/min-მდე | UP100H |
| 10-დან 2000mL-მდე | 20-დან 400mL/min-მდე | UP200Ht, UP400St |
| 0,1-დან 20L-მდე | 0,2-დან 4L/min-მდე | UIP2000hdT |
| 10-დან 100L-მდე | 2-დან 10L/min-მდე | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-დან 100L/min-მდე | UIP16000 |
| n.a. | მეტი | ჯგუფი UIP16000 |
დაგვიკავშირდით! / დაგვისვით შეკითხვა!
ლიტერატურა/წყაროები
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Chitosan-Based Bionanocomposite Films Prepared by Emulsion Technique for Food Preservation. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Extensively deacetylated high molecular weight chitosan from the multistep ultrasound-assisted deacetylation of beta-chitin. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonochemically-Assisted Conversion of Chitin to Chitosan, USDA National Research Initiative Principal Investigators Meeting, New Orleans, LA, June 28th.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influence of temperature during deacetylation of chitin to chitosan with high-intensity ultrasound as a pre-treatment, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, June 30th, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influence of high-intensity ultrasound to accelerate the conversion of chitin to chitosan, 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): Gladius and its derivatives as potential biosorbents for marine diesel oil. Environmental Science and Pollution Research (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): A method for top down preparation of chitosan nanoparticles and nanofibers. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Efficient reduction of chitosan molecular weight by high-intensity ultrasound: Underlying mechanism and effect of processing parameters. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Seafood waste: a source for preparation of commercially employable chitin/chitosan materials. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
ფაქტები, რომელთა ცოდნაც ღირს
როგორ მუშაობს ქიტინის ულტრაბგერითი დეაცეტილირება?
როდესაც მაღალი სიმძლავრის, დაბალი სიხშირის ულტრაბგერა (მაგ., 20-26kHz) გადაეცემა სითხეს ან სუსპენზიას, სითხეზე მოქმედებს მონაცვლეობითი მაღალი წნევის / დაბალი წნევის ციკლები, რაც იწვევს შეკუმშვასა და გაიშვიათებას. ამ მონაცვლეობითი მაღალი წნევის / დაბალი წნევის ციკლების დროს წარმოიქმნება მცირე ვაკუუმური ბუშტუკები, რომლებიც იზრდება წნევის რამდენიმე ციკლის განმავლობაში. როდესაც ვაკუუმურ ბუშტუკებს მეტი ენერგიის შთანთქმა აღარ შეუძლიათ, ისინი მკვეთრად კოლაფსირებს. ბუშტუკების ამ იმპლოზიის დროს ადგილობრივად წარმოიქმნება უკიდურესად ინტენსიური პირობები: ტემპერატურა 5000K-მდე, წნევა 2000atm-მდე, გათბობისა და გაგრილების ძალიან მაღალი სიჩქარეები და წნევის სხვაობები. ვინაიდან ბუშტუკის კოლაფსი უფრო სწრაფად მიმდინარეობს, ვიდრე მასისა და სითბოს გადატანა, კოლაფსირებად ღრუში ენერგია თავმოყრილია ძალიან მცირე ზონაში, რომელსაც ასევე „ცხელ წერტილს“ უწოდებენ. კავიტაციური ბუშტუკის იმპლოზია ასევე წარმოქმნის მიკროტურბულენტობას, სითხის ჭავლებს 280m/s-მდე სიჩქარით და მათგან გამოწვეულ ძვრის ძალებს. ეს ფენომენი ცნობილია როგორც ულტრაბგერითი ან აკუსტიკური კავიტაცია.
დამუშავებულ სითხეში წვეთები და ნაწილაკები განიცდიან კავიტაციის ძალების ზემოქმედებას და როდესაც გაჩქარებული ნაწილაკები ეჯახებიან ერთმანეთს, ისინი იშლება ნაწილაკთაშორისი შეჯახების შედეგად. აკუსტიკური კავიტაცია არის ულტრაბგერითი დაფქვის, დისპერგირების, ემულსიფიკაციის და სონოქიმიის მუშაობის პრინციპი.
ქიტინის დეაცეტილირებისთვის, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერა ზრდის ზედაპირის ფართობს ზედაპირის აქტივირებით და ნაწილაკებსა და რეაგენტს შორის მასის გადაცემის ხელშეწყობით.
ქიტოზანი
ქიტოზანი არის მოდიფიცირებული, კატიონური, არატოქსიკური ნახშირწყლოვანი პოლიმერი, რომელსაც აქვს რთული ქიმიური სტრუქტურა, რომელიც ფორმირდება β-(1,4) გლუკოზამინის ერთეულებით, როგორც მისი მთავარი კომპონენტი (>80%) და N-აცეტილ გლუკოზამინის ერთეულებით (<20%), რომლებიც ქაოსურად არის განლაგებული ჯაჭვის გასწვრივ. ქიტოზანი მიიღება ქიტინიდან ქიმიური ან ფერმენტული დეაცეტილირების გზით. დეაცეტილირების ხარისხი (DA) განსაზღვრავს თავისუფალი ამინოჯგუფების შემცველობას სტრუქტურაში და გამოიყენება ქიტინისა და ქიტოზანის ერთმანეთისგან გამოსარჩევად. ქიტოზანი აჩვენებს კარგ ხსნადობას ზომიერ გამხსნელებში, როგორიცაა განზავებული მჟავე მჟავა და სთავაზობს რამდენიმე თავისუფალ ამინოჯგუფს როგორც აქტიურ ცენტრებს. ეს ქიტოზანს უფრო ხელსაყრელს ხდის ქიტინთან შედარებით ბევრ ქიმიურ რეაქციაში.
ქიტოზანი ფასდება მისი შესანიშნავი ბიოთავსებადობისა და ბიოდეგრადირებადობის, არატოქსიკურობის, კარგი ანტიმიკრობული აქტივობის (ბაქტერიებისა და სოკოების მიმართ), ჟანგბადის გაუმტარობისა და ფირის წარმოქმნის უნარის გამო. ქიტინისგან განსხვავებით, ქიტოზანს აქვს წყალში ხსნადობის უპირატესობა და, შესაბამისად, უფრო მარტივია მასთან მუშაობა და მისი გამოყენება ფორმულაციებში.
როგორც მეორე ყველაზე გავრცელებული პოლისაქარიდი ცელულოზის შემდეგ, ქიტინის უზარმაზარი გავრცელება მას იაფ და მდგრად საწყის მასალად აქცევს.
ქიტოზანის წარმოება
ქიტოზანი მიიღება ორსაფეხურიანი პროცესით. პირველ საფეხურზე საწყის მასალას, როგორიცაა კიბოსნაირთა ჯავშნები (მაგ., კრევეტის, კიბორჩხალისა და ლობსტერის), უტარდება დეპროტეინირება, დემინერალიზაცია და გაწმენდა ქიტინის მისაღებად. მეორე საფეხურზე ქიტინი მუშავდება ძლიერი ფუძით (მაგ., NaOH) აცეტილის გვერდითი ჯაჭვების მოსაშორებლად და ქიტოზანის მისაღებად. ცნობილია, რომ ქიტოზანის ტრადიციული წარმოების პროცესი ძალიან შრომატევადი და ხარჯიანია.
ქიტინი
ქიტინი (C8H13O5N)n არის β-1,4-N-აცეტილგლუკოზამინის სწორჯაჭვიანი პოლიმერი და იყოფა α-, β- და γ-ქიტინად. ქიტინი გლუკოზის წარმოებულია და წარმოადგენს ფეხსახსრიანთა, როგორიცაა კიბოსნაირები და მწერები, ეგზოჩონჩხების, მოლუსკების რადულების, თავფეხიანთა ნისკარტებისა და თევზებისა და ლისამფიბიების ქერცლების ძირითად კომპონენტს; ის ასევე გვხვდება სოკოების უჯრედის კედლებში. ქიტინის სტრუქტურა ცელულოზის სტრუქტურის მსგავსია და ქმნის კრისტალურ ნანოფიბრილებს ან ნემსისებრ კრისტალებს. ცელულოზა მსოფლიოში ყველაზე გავრცელებული პოლისაქარიდია, ხოლო ქიტინი გავრცელებით მეორე ადგილზეა.
გლუკოზამინი
გლუკოზამინი (C6H13NO5) არის ამინოშაქარი და მნიშვნელოვანი წინამორბედი გლიკოზირებული ცილებისა და ლიპიდების ბიოქიმიურ სინთეზში. გლუკოზამინი ბუნებრივად გავრცელებული ნაერთია, რომელიც შედის ორივე პოლისაქარიდის, ქიტოზანისა და ქიტინის სტრუქტურაში, რაც მას ერთ-ერთ ყველაზე გავრცელებულ მონოსაქარიდად აქცევს. კომერციულად ხელმისაწვდომი გლუკოზამინის უმეტესობა მიიღება კიბოსნაირთა ეგზოჩონჩხების, მაგალითად, კიბორჩხალისა და ლობსტერის ჯავშნების ჰიდროლიზით.
გლუკოზამინი ძირითადად გამოიყენება საკვები დანამატის სახით, გლუკოზამინის სულფატის, გლუკოზამინის ჰიდროქლორიდის ან N-აცეტილგლუკოზამინის ფორმით. გლუკოზამინის სულფატის დანამატები მიიღება პერორალურად იმ მტკივნეული მდგომარეობის სამკურნალოდ, რომელიც გამოწვეულია ხრტილის ანთებით, დაშლითა და საბოლოო დაკარგვით (ოსტეოართრიტი).