Hielscher 초음파 기술

키토산에 치틴의 초음파 Deacetylation

키토산은 제약, 식품, 농업 및 산업에서 많은 응용 프로그램을 가지고 있는 키틴 유래 바이오 폴리머입니다. 키토산에 치틴의 초음파 탈착은 치료를 크게 강화 – 우수한 품질의 높은 키토산 수율로 효율적이고 빠른 공정으로 이어집니다.

초음파 키토산 생산

키토산은 키틴의 N-deacetylation에 의해 얻어진다. 종래의 탈세틸화에서 키틴은 수성 알칼리 용매(전형적으로 40~50% (w/w) NaOH에 담가 둡니다. 담가 두는 과정은 100 ~ 120ºC의 고온이 매우 시간이 많이 걸리는 반면, 담그기 단계당 얻은 키토산의 수율은 낮습니다. 고출력 초음파의 적용은 키틴의 탈세질 과정을 크게 강화하고 낮은 온도에서 빠른 처리에서 저분자 키토산의 높은 수율을 초래한다. 초음파 탈세질은 식품 및 제약 성분, 비료 및 기타 많은 산업 응용 분야에서 사용되는 우수한 품질의 키토산을 초래합니다.
초음파 처리는 DA ≥90에서 DA ≤10로 키토산으로 아세틸화 키틴의 정도를 낮추는 키틴의 탁월한 수준의 아세틸화 (DA)를 초래합니다.
많은 연구 연구는 키토산에 초음파 키틴 탈아세틸화의 효과를 확인합니다. Weiss J. et al. (2008) 초음파 처리가 키토산으로의 키틴 전환을 크게 향상시키는 것을 발견했습니다. chitin의 초음파 처리는 12-24 시간에서 몇 시간으로 필요한 공정 시간을 줄이는 상당한 시간 절약과 함께 제공됩니다. 더욱이, 전체 변환을 달성하기 위해 더 적은 용매가 요구되며, 이는 소비되거나 미반응용매, 즉 농축 된 NaOH를 폐기하고 폐기해야 하는 환경적 영향을 감소시다.

키토산에 치틴의 초음파 Deacetylation

치토산에 치틴의 탈세질은 초음파 처리에 의해 촉진된다

산업 응용 프로그램을위한 고성능 초음파 처리기 UIP4000hdT

UIP4000hdT – 4kW 전력 초음파 시스템

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초음파 키토산 치료의 작동 원리

고전력, 저주파 초음파 (~20-26kHz)는 액체 및 슬러리에서 음향 캐비테이션을 만듭니다. 고출력 초음파는 용매 (예 : NaOH)가 고체 키틴 입자를 파편화하고 침투하여 표면적을 확대하고 고체상과 액체 상 사이의 질량 전달을 개선하면서 키틴을 키토산으로 변환하는 것을 촉진합니다. 또한, 초음파 캐비테이션의 높은 전단력은 가수 분해 중 시약 (즉, NaOH)의 반응성을 증가시키는 자유 라디칼을 생성합니다. 비 열 처리 기술로, 초음파는 고품질의 키토산을 생산하는 열 분해를 방지합니다. 갑각류에서 키틴을 추출하는 데 필요한 초음파 처리 시간뿐만 아니라 전통적인 가공 조건에 비해 더 높은 순도의 키틴 (따라서 이에 따라 키토산)을 수율로 합니다. 키틴과 키토산의 생산을 위해, 초음파는 따라서 생산 비용을 낮추고, 처리 시간을 단축하고, 생산 공정을 더 잘 제어하고 공정 폐기물의 환경 영향을 줄일 수있는 잠재력을 가지고 있습니다.

초음파 키토산 생산의 장점

  • 키토산 수율 높
  • 우수한 품질
  • 시간 단축
  • 낮은 공정 온도
  • 효율성 향상
  • 쉬운 & 안전한 작동
  • 환경 친화적

치토산에 초음파 키틴 데세틸화 – 실험 계획안

1) 치틴 준비:
게 껍질을 원료로 사용하여, 게 껍질은 토양과 단백질을 포함한 모든 수용성 유기물을 제거하고 불순물을 준수하기 위해 철저히 세척해야합니다. 그 후, 쉘 재료는 완전히 건조되어야한다 (예를 들어, 오븐에서 24 시간 동안 60ºC에서). 건조된 껍질은 분쇄(예를 들어 해머 밀 사용), 알칼리성 배지에서 탈백(예를 들어, 0.125~5.0M의 conc. NaOH) 및 탈염산(예를 들어, 염산 희석)을 탈염한다.
2) 초음파 탈세틸화
전형적인 초음파 탈세틸화 반응을 실행하기 위해, 베타 - 치틴 입자 (0.125 mm) < d < 0.250 mm) are suspended in 40% (w/w) aqueous NaOH at a ratio beta-chitin/NaOH aqueous solution of 1/10(g mL-1) 서스펜션은 이중 벽 유리 비커로 이송되고 Hielscher를 사용하여 초음파 처리됩니다. UP400St 초음파 균질화. 다음 매개 변수 (참조. Fiamingo et al. 2016)는 초음파 키틴 탈아세틸화 반응을 수행 할 때 일정하게 유지됩니다 : (i) 초음파 프로브 (sonotrode Hielscher S24d22D, 팁 직경 = 22 mm); (ii) 초음파 펄스 모드 (IP = 0.5 초); (iii) 초음파 표면 강도
(I = 52.6 W cm-2), (iv) 반응 온도 (60ºC ±1ºC), (v) 반응 시간 (50 분), (vi) 비율 베타 키틴 중량 / 부피 40 % (w / w) 수성 수산화 나트륨 (BCHt / NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) 베타 키틴 현탁액 (50mL)의 부피.
제1 반응은 일정한 자기 교반 하에서 50분 동안 진행되며, 그 후 현탁액을 0ºC로 빠르게 냉각시킴으로써 중단된다. 그 후 희석 염산은 pH 8.5를 달성하기 위해 첨가되고 샘플 CHs1은 여과에 의해 분리되고, 탈이온수로 광범위하게 세척되고 주변 조건에서 건조된다. 동일한 초음파 탈세틸화가 CHs1에 대한 두 번째 단계로 반복되면 샘플 CHs2를 생성합니다.

키토산에 대한 치션의 초음파 탈착

주사 전자 현미경 (SEM) 이미지 의 100 × 검투사, b) 초음파 처리 글래디우스, c) β-치틴, d) 초음파 처리 β-chitin, 및 e) 키토산 (출처: Preto et al. 2017)

Fiamingo 등. 베타 키틴의 초음파 deacetylation 효율적으로 첨가제도 불활성 분위기도 긴 반응 시간을 사용하지 아세틸화의 낮은 수준으로 높은 분자량 키토산을 생산하는 것으로 나타났습니다. 초음파 탈세틸화 반응이 온화한 조건에서 수행되더라도 – 즉, 대부분의 열화학 적 탈세에 비해 낮은 반응 온도. 베타 키틴의 초음파 탈세틸화는 아세틸화의 가변 정도를 소유 무작위로 탈세 키토산의 준비를 허용 (4% ≤ DA ≤ 37%), 높은 체중 평균 분자량 (900,000 g 몰)-1 ≤ M ≤ 1,200,000 g 몰-1 ) 60ºC에서 3회 연속 반응(50분/스텝)을 수행함으로써 낮은 분산도(1.3 ≤ Ð ≤ 1.4)를 수행하였다.

Hielscher 초음파는 초음파 응용 제품을위한 고성능 초음파 를 제조합니다.

실험실에서 파일럿 및 산업 규모에 고전력 초음파 프로세서.

키토산 생산을 위한 고성능 초음파 시스템

UIP4000hdT - 엑스트라 버진 올리브 오일의 추출 및 malaxxation을위한 4 킬로와트 강력한 초음파 시스템키틴의 단편화와 키토산에 치틴의 decetylation은 높은 진폭을 제공 할 수있는 강력하고 신뢰할 수있는 초음파 장비를 필요로, 공정 매개 변수에 대한 정확한 제어 기능을 제공하고 무거운 부하에서 24/7 작동 할 수 있습니다 까다로운 환경에서. Hielscher 초음파 제품 범위는 귀하와 귀하의 공정 요구 사항을 충족시다. Hielscher 초음파 는 최적의 방식으로 공정 요구에 맞게 sonotrodes, 부스터, 반응기 또는 유량 세포와 같은 액세서리를 장착 할 수있는 고성능 시스템입니다.
디지털 컬러 디스플레이, 초음파 처리 를 미리 설정하는 옵션, 통합 된 SD 카드의 자동 데이터 기록, 원격 브라우저 제어 및 더 많은 기능, 최고의 공정 제어 및 사용자 친화성이 보장됩니다. 견고성과 무거운 하중 베어링 용량과 결합된 Hielscher 초음파 시스템은 생산에서 신뢰할 수 있는 작업 말입니다.
키틴 단편화 및 탈세질은 표적 변환 및 고품질의 최종 키토산 제품을 얻기 위해 강력한 초음파가 필요합니다. 특히 치틴 플레이크의 조각화의 경우 높은 진폭과 높은 압력이 중요합니다. 히엘셔 초음파’ 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 쉽게 제공합니다. 최대 200μm의 진폭은 24/7 작동시 연속작동할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해, 주문을 받아서 만들어진 초음파 sonotrodes를 유효합니다. Hielscher 초음파 시스템의 전력 용량은 안전하고 사용자 친화적 인 프로세스에서 효율적이고 빠른 탈착을 허용합니다.

아래 표는 초음파 장비의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.

일괄 볼륨 유량 권장 장치
1 ~ 500mL 10 ~ 200mL / min UP100H
10 ~ 2000mL 20 ~ 400 mL / min UP200Ht, UP400St
0.1 ~ 20L 0.2 ~ 4L / min UIP2000hdT
10 ~ 100L 2 ~ 10L / min UIP4000hdT
N.A. 10 ~ 100L / min UIP16000
N.A. 더 큰 의 클러스터 UIP16000

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문학 / 참고 문헌

  • Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019) : 식품 보존을위한 유화 기술로 제조 된 키토산 기반의 바이오 나노 복합 필름. 재료 2019, 12(3), 373.
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  • Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., 와이즈, J. (2008) : 키토산에 키틴의 변환을 가속화하기 위해 고강도 초음파의 영향, 식품 기술 연구소의 연례 회의, 뉴 올리언스, LA, 6 월 30 일, 95-17.
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알만한 가치가있는 사실

초음파 치틴 분해는 어떻게 작동합니까?

고출력, 저주파 초음파(예를 들어, 20-26kHz)가 액체 또는 슬러리에 결합되면, 고압/저압 사이클을 번갈아 가며 액체에 적용하여 압축 및 희소성을 생성한다. 이러한 교대고고압/저압 사이클 동안, 작은 진공 기포가 생성되어 여러 압력 사이클에 걸쳐 성장합니다. 진공 기포가 더 많은 에너지를 흡수 할 수없는 시점에서, 그들은 격렬하게 붕괴. 최대 5000K의 고온, 최대 2000atm의 압력, 매우 높은 가열/냉각 속도 및 압력 차동이 발생하는 등 매우 강렬한 조건이 발생합니다. 버블 붕괴 역학은 질량 및 열 전달보다 빠르기 때문에 붕괴 된 공동의 에너지는 "핫 스폿"이라고도하는 매우 작은 영역에 국한됩니다. 캐비테이션 버블의 파열은 또한 미세 류, 최대 280m / s의 속도의 액체 제트 및 결과 전단력을 초래합니다. 이 현상은 초음파 또는 음향 캐비테이션으로 알려져 있습니다.
초음파 처리된 액체의 물방울과 입자는 이러한 캐비테이션 힘에 의해 방해되고 가속 된 입자가 서로 충돌하면 입자 간 충돌로 산산조각이 나게됩니다. 음향 캐비테이션은 초음파 밀링, 분산, 유화 및 초음파 화학의 작동 원리입니다.
키틴 탈아세틸화를 위해 표면을 활성화하고 입자와 시약 사이의 질량 전달을 촉진하여 표면적에서 고강도 초음파가 증가합니다.

Chitosan

키토산은 β-(1,4) 글루코사민 단위를 주성분으로 하는 복잡한 화학구조를 가진 변형, 양이온, 무독성 탄수화물 중합체(>80%)이다. 및 N-아세틸 글루코사민 단위 (<20%), randomly distributed along the chain. Chitosan is derived from chitin through chemical or enzymatic deacetylation. The degree of deacetylation (DA) determines the content of free amino groups in the structure and is used to distinguish between chitin and chitosan. Chitosan shows good solubility in moderate solvents such as diluted acetic acid and offers several free amine groups as active sites. This makes chitosan advantageous over chitin in many chemical reactions. Chitosan is valued for its excellent biocompatibility and biodegradability, non-toxicity, good antimicrobial activity (against bacteria and fungi), oxygen impermeability and film forming properties. In contrast to chitin, chitosan has the advantage of being water-soluble and thereby easier to handle and use in formulations. As the second most abundant polysaccharide following cellulose, the huge abundance of chitin makes it a cheap and sustainable raw material.

키토산 생산

키토산은 2단계 공정으로 생산됩니다. 첫 번째 단계에서, 갑각류 껍질 (즉, 새우, 게, 랍스터)과 같은 원료는 단백질화, 탈염 및 정제되어 키틴을 얻습니다. 제2 단계에서, 키틴은 키토산을 얻기 위해 아세틸 측사슬을 제거하기 위해 강한 염기(예를 들어, NaOH)로 처리된다. 종래의 키토산 생산 공정은 매우 시간이 많이 소요되고 비용이 많이 드는 것으로 알려져 있다.

치틴 (것)과 함께

치틴 (C8H13영형5N) β-1,4-N-아세틸루카민의 직선 사슬 중합체이며 α-β- 및 γ-키틴으로 분류된다. 포도당의 유도체이기 때문에, 키틴은 갑각류와 곤충, 연체 동물의 라둘라, 두족류 부리, 물고기와 리삼피비안의 비늘과 같은 절지동물의 외골격의 주요 구성 요소이며 곰팡이의 세포벽에서도 발견될 수 있습니다. 키틴의 구조는 셀룰로오스와 비교하여 결정성 nanofibrils 또는 수염을 형성합니다. 셀룰로오스는 세계에서 가장 풍부한 다당류이며, 키틴이 두 번째로 풍부한 다당류입니다.

글루코사민

글루코사민 (C6H13아니5)는 아미노 슈가이며 당화 단백질과 지질의 생화학적 합성에 중요한 전구체이다. 글루코사민은 자연적으로 다당류, 키토산, 키틴의 구조의 일부인 풍부한 화합물로, 글루코사민을 가장 풍부한 단당류 중 하나로 만듭니다. 시판되는 글루코사민의 대부분은 갑각류 외골격, 즉 게와 랍스터 껍질의 가수분해에 의해 생산된다.
글루코사민은 주로 황산 글루코사민, 글루코사민 염산염 또는 N-아세틸 글루코사민의 형태로 사용되는 건강 보조 식품으로 사용됩니다. 글루코사민 황산염 보충제는 염증으로 인한 고통스러운 상태를 치료하기 위해 경구투여, 고장 및 연골의 최종 손실 (골관절염).