Ultraschall Deacetylatioun vu Chitin zu Chitosan
Ultraschall Chitosan Produktioun
Chitosan gëtt duerch d'N-Deacetylatioun vu Chitin kritt. Bei der konventioneller Deacetylatioun gëtt Chitin an wässerlechen Alkali-Léisungsmëttel (typesch 40 bis 50% (w/w) NaOH) getäuscht. De Soaking Prozess erfuerdert héich Temperaturen vun 100 bis 120ºC ass ganz Zäitopwänneg, wärend d'Ausbezuele vu Chitosan pro Soaking Schrëtt niddereg ass. D'Applikatioun vun High-Power Ultrasonics verstäerkt den Deacetylatiounsprozess vu Chitin wesentlech a resultéiert zu enger héijer Ausbezuelung vu Low-Molekulargewicht Chitosan an enger schneller Behandlung bei enger niddereger Temperatur. Ultraschall Deacetylatioun resultéiert zu héichqualitativer Chitosan, deen als Liewensmëttel a Pharma Zutat, als Dünger a villen aneren industriellen Uwendungen benotzt gëtt.
Ultraschallbehandlung resultéiert an engem aussergewéinleche Grad vun Acetylatioun (DA) vu Chitin, déi de Grad vun der Acetylatioun Chitin vun DA≥90 op Chitosan mat DA≤10 erofsetzen.
Vill Fuerschungsstudien bestätegen d'Effizienz vun der Ultraschall Chitin Deacetylatioun op Chitosan. Weiss J. et al. (2008) fonnt datt d'Sonicatioun d'Konversioun vu Chitin op Chitosan drastesch verbessert. D'Ultraschallbehandlung vu Chitin kënnt mat bedeitende Zäitspueren, déi déi erfuerderlech Prozesszäit vun 12-24 Stonnen op e puer Stonnen reduzéieren. Ausserdeem ass manner Léisungsmëttel erfuerderlech fir eng voll Konversioun z'erreechen, wat den Ëmweltimpakt reduzéiert fir de verbrauchten oder onreagéierten Léisungsmëttel ze entsuergen an ze entsuergen, also konzentréiert NaOH.
Deacetylatioun vu Chitin op Chitosan gëtt duerch Sonikatioun gefördert
UIP4000hdT – 4kW Power Ultrasonic System
Aarbechtsprinzip vun der Ultraschall Chitosan Behandlung
High-Power, Low-Frequenz Ultrasonication (~20-26kHz) erstellt akustesch Kavitatioun a Flëssegkeeten a Schlëmmeren. Héichkraaft Ultraschall fördert d'Konversioun vu Chitin op Chitosan wéi de Léisungsmëttel (zB NaOH) fragmentéiert a penetréiert déi zolidd Chitinpartikelen, an doduerch d'Uewerfläch vergréissert an d'Masstransfer tëscht fester a flësseger Phase verbessert. Ausserdeem kreéieren déi héich Schéierkraaft vun der Ultraschallkavitatioun fräi Radikaler, déi d'Reaktivitéit vum Reagens (dh NaOH) während der Hydrolyse erhéijen. Als net-thermesch Veraarbechtungstechnik verhënnert d'Sonicatioun déi thermesch Degradatioun déi héichqualitativ Chitosan produzéiert. Ultraschall verkierzen d'Veraarbechtungszäiten, déi néideg sinn fir Chitin aus Krustaceaen ze extrahieren, souwéi Chitin (an domat spéider Chitosan) vu méi héijer Rengheet am Verglach mat traditionelle Veraarbechtungsbedéngungen z'erreechen. Fir d'Produktioun vu Chitin a Chitosan, Ultraschallen hunn also d'Potenzial fir d'Produktiounskäschte ze reduzéieren, d'Veraarbechtungszäit ze reduzéieren, eng besser Kontroll vum Produktiounsprozess z'erméiglechen an d'Ëmweltimpakt vum Prozessoffall ze reduzéieren.
- Méi héich Chitosan Yield
- Superior Qualitéit
- Reduzéiert Zäit
- Niddereg Prozess Temperatur
- Erhéicht Effizienz
- Einfach & sécher Operatioun
- ëmweltfrëndlech
Ultraschall Chitin Decetylatioun zu Chitosan – Protokoll
1) Preparéieren de Chitin:
Mat Hëllef vu Krabeschuelen als Quellmaterial, sollten d'Kriibsmuschelen grëndlech gewascht ginn fir all soluble Organics an adherend Gëftstoffer, dorënner Buedem a Protein, ze entfernen. Duerno muss d'Schuelmaterial komplett getrocknegt ginn (zB bei 60ºC fir 24h an engem Ofen). Déi gedréchent Muschelen ginn dann gemuel (z.B. mat enger Hammermillen), an engem alkalesche Medium (z.B. NaOH bei engem Konzentratioun vun 0,125 bis 5,0 M) deproteiniséiert an an Säure demineraliséiert (zB verdënntem Salzsäure).
2) Ultraschall Deacetylatioun
Fir eng typesch Ultraschall Deacetylatiounsreaktioun auszeféieren, Beta-Chitin Partikelen (0,125 mm) < D < 0.250 mm) ginn an 40% (w/w) wässerlecher NaOH suspendéiert an engem Verhältnis Beta-Chitin/NaOH wässerlech Léisung vun 1/10 (g mL)-1), gëtt d'Suspension an en duebelwandegt Glasbecher iwwerdroen a gëtt a sonikéiert mat Hëllef vun engem Hielscher UP 400 St Ultraschall Homogenisator. Déi folgend Parameteren (cf. Fiamingo et al. 2016) gi konstant gehal wann Dir eng Ultraschall Chitin Deacetylatiounsreaktioun ausféiert: (i) Ultraschallsonde (Sonotrode Hielscher S24d22D, Tipp Duerchmiesser = 22 mm); (ii) sonication Pulsatiounsperiod Modus (IP = 0.5sec); (iii) Ultraschall Uewerfläch Intensitéit
(I = 52,6 W cm-2), (iv) Reaktiounstemperatur (60ºC ± 1ºC), (v) Reaktiounszäit (50 min), (vi) Verhältnis Beta-Chitin Gewiicht/Volumen vu 40% (w/w) wässerlech Natriumhydroxid (BCHt/NaOH = 1) /10 g ml-1); (vii) Volume vun Beta-Chitin Suspensioun (50mL).
Déi éischt Reaktioun geet weider fir 50min ënner konstante magnetesche Rühren a gëtt dann ënnerbrach andeems d'Suspension séier op 0ºC ofkillt. Duerno gëtt verdënntem Salzsäure bäigefüügt fir de pH 8,5 z'erreechen an d'Probe CHs1 gëtt duerch Filtratioun isoléiert, extensiv mat deioniséiertem Waasser gewascht a bei Ëmfeldbedéngungen getrocknt. Wann déi selwecht Ultraschall Deacetylatioun als zweete Schrëtt op CHs1 widderholl gëtt, produzéiert et Probe CHs2.
Scannenelektronenmikroskopie (SEM) Biller an enger Vergréisserung vun 100× vun a) gladius, b) ultraschall-behandelt gladius, c) β-chitin, d) ultraschall-behandelt β-chitin, an e) chitosan (Quell: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. fonnt datt d'Ultraschall Deacetylatioun vu Beta-Chitin effizient héichmolekulare Gewiicht Chitosan mat engem gerénge Grad vun Acetylatioun produzéiert weder Additiven nach inert Atmosphär nach laang Reaktiounszäiten. Och wann d'Ultraschall Deacetylatiounsreaktioun ënner mëlle Bedéngungen duerchgefouert gëtt – dh niddereg Reaktiounstemperatur am Verglach mat de meescht thermochemeschen Deacetylatiounen. D'Ultraschall Deacetylatioun vu Beta-Chitin erlaabt d'Virbereedung vun zoufälleg deacetyléierte Chitosan mat variabelen Acetylatiounsgrad (4% ≤ DA ≤ 37%), héich Gewiicht duerchschnëttlech Molekulargewiicht (900.000 g mol)-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) a gerénger Dispersitéit (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) andeems Dir dräi opfolgend Reaktiounen (50 min / Schrëtt) bei 60ºC ausféiert.
Héich-Muecht Ultraschall Prozessoren aus Labo zu Pilot an industriell Skala.
High-Performance Ultrasonic Systemer fir Chitosan Produktioun
D'Fragmentatioun vu Chitin an d'Decetylatioun vu Chitin op Chitosan erfuerdert mächteg an zouverléisseg Ultraschallausrüstung, déi héich Amplituden liwwere kann, bitt präzis Kontrollbarkeet iwwer d'Prozessparameter a kann 24/7 ënner schwéierer Belaaschtung an an usprochsvollen Ëmfeld operéiert ginn. Hielscher Ultrasonics Produktpalette kritt Iech an Är Prozessfuerderungen ofgedeckt. Hielscher Ultraschaller sinn High-Performance Systemer déi mat Accessoiren wéi Sonotroden, Boosteren, Reaktoren oder Flowzellen ausgestatt kënne ginn fir Äre Prozessbedürfnisser op eng optimal Manéier ze passen.
Mat digitale Faarfdisplay, d'Optioun fir d'Sonicatioun virzestellen, automatesch Datenopnam op enger integréierter SD Kaart, Fernbrowser Kontroll a vill méi Features, héchste Prozesskontrolle a Benotzerfrëndlechkeet si gesuergt. Gepaart mat Robustheet a schwéierer Belaaschtungskapazitéit, Hielscher Ultraschallsystemer sinn Är zouverléisseg Aarbechtspäerd an der Produktioun.
Chitin Fragmentatioun an Deacetylatioun erfuerdert mächteg Ultraschall fir déi geziilte Konversioun ze kréien an e finalt Chitosan Produkt vu héich Qualitéit. Besonnesch fir d'Fragmentatioun vun de Chitinflakken sinn héich Amplituden an erhöhten Drock entscheedend. Hielscher Ultrasonics’ industriell Ultraschallprozessoren liwweren ganz héich Amplituden einfach. Amplituden vu bis zu 200µm kënne kontinuéierlech a 24/7 Operatioun lafen. Fir nach méi héich Amplituden sinn personaliséiert Ultraschall Sonotroden verfügbar. D'Kraaftkapazitéit vun Hielscher Ultraschallsystemer erlaabt eng effizient a séier Deacetylatioun an engem sécheren a userfrëndleche Prozess.
D'Tabell hei drënner gëtt Iech eng Indikatioun vun der geschätzter Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschaller:
| Batch Volume | Duerchflossrate | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 1 bis 500 ml | 10 bis 200 ml/min | UP100H |
| 10 bis 2000 ml | 20 bis 400 ml/min | UP200Ht, UP 400 St |
| 0.1 bis 20L | 02 bis 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100 l | 2 bis 10 l/min | UIP4000hdT |
| na | 10 bis 100 l/min | UIP16000 |
| na | méi grouss | Stärekoup vun UIP16000 |
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
Literatur / Referenzen
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu MA, Darie-Nita RN, Bargan A., Vasile C. (2019): Chitosan-Based Bionanocomposite Films Prepared by Emulsion Technique for Food Conservation. Materialien 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk JA, Tromboto St. David L., Campana-Filho SP (2016): Extensiv deacetyléiert héichmolekulare Chitosan aus der Multistep Ultraschall-assistéierter Deacetylatioun vu 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, 28. Juni.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008). , New Orleans, LA, 30. Juni, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008). LA, 30. Juni, 95-17.
- Preto MF, Campana-Filho SP, Fiamingo A., Cosentino IC, Tessari-Zampieri MC, Abessa DMS, Romero AF, Bordon IC (2017). Ëmweltwëssenschaft an Pollutioun Fuerschung (2017) 24: 22932-22939.
- Wijesena RN, Tissera N, Kannangara YY, Lin Y, Amaratunga GAJ, de Silva KMN (2015). Eng Method fir Top-Down Virbereedung vu Chitosan Nanopartikelen an Nanofaser. Kuelenhydrater Polymer 117, 2015. 731-738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Effizient Reduktioun vum Chitosan Molekulare Gewiicht duerch High-Intensity Ultraschall: Basismechanismus an Effekt vun Veraarbechtungsparameter. Journal vun Agrar- a Liewensmëttel Chimie 56 (13): 5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Seafood Offall: eng Quell fir Virbereedung vun kommerziell benotzbar Chitin / Chitosan Materialien. Bioressourcen a Bioveraarbechtung 6/8, 2019.
Fakten Worth Wëssen
Wéi funktionnéiert Ultraschall Chitin Deaktylatioun?
Wann High-Power, Low-Frequenz Ultraschall (zB 20-26kHz) an eng Flëssegkeet oder Schlamm gekoppelt ass, ginn alternéierend Héichdrock- / Low-Drock-Zyklen op d'Flëssegkeet applizéiert, déi Kompressioun a Seltenheet kreéieren. Wärend dësen ofwiesselnd Héichdrock-/Nidderdrockzyklen entstinn kleng Vakuumblasen, déi iwwer verschidden Drockzyklen wuessen. Zu deem Zäitpunkt, wann d'Vakuumblasen net méi Energie absorbéiere kënnen, kollapsen se gewalteg. Bei dëser Blasenimplosioun entstinn lokal ganz intensiv Bedéngungen: Héich Temperature vu bis zu 5000K, Drock vu bis zu 2000atm, ganz héich Heiz-/Ofkillungsraten an Drockdifferenzen kommen op. Well d'Dynamik vun der Bubble Zesummebroch méi séier ass wéi d'Mass an d'Wärmetransfer, ass d'Energie am Zesummebroch vun der Kavitéit op eng ganz kleng Zone limitéiert, och "Hot Spot" genannt. D'Implosioun vun der Kavitatiounsblase resultéiert och zu Mikroturbulenzen, Flëssegjets vu bis zu 280m/s Geschwindegkeet a resultéierend Schéierkräften. Dëst Phänomen ass bekannt als Ultraschall oder akustesch Kavitatioun.
Drëpsen a Partikelen an der sonikéierter Flëssegkeet ginn vun dëse Kavitational Kräfte betraff a wann déi beschleunegt Partikel matenee kollidéieren, gi se duerch Interpartikelkollisioun zerbrach. Akustesch Kavitatioun ass den Aarbechtsprinzip vun der Ultraschallfräsen, Dispergéierung, Emulsioun a Sonochemie.
Fir Chitin Deacetylatioun erhéicht den Ultraschall mat héijer Intensitéit an der Uewerfläch, andeems d'Uewerfläch aktivéiert an d'Masstransfer tëscht Partikelen a Reagens fördert.
chitosan
Chitosan ass e modifizéierten, kationeschen, net gëftege Kohlenhydratpolymer mat enger komplexer chemescher Struktur geformt duerch β-(1,4) Glucosamin Eenheeten als Haaptkomponent (>80%) an N-Acetylglucosamin Eenheeten (<20%), zoufälleg laanscht d'Kette verdeelt. Chitosan ass ofgeleet vu Chitin duerch chemesch oder enzymatesch Deacetylatioun. De Grad vun Deacetylatioun (DA) bestëmmt den Inhalt vu fräie Aminogruppen an der Struktur a gëtt benotzt fir tëscht Chitin a Chitosan z'ënnerscheeden. Chitosan weist gutt Solubilitéit a moderéierte Léisungsmëttel wéi verdënntem Essigsäure a bitt verschidde gratis Amingruppen als aktiv Siten. Dëst mécht Chitosan avantagéis iwwer Chitin a ville chemesche Reaktiounen.
Chitosan ass geschätzt fir seng exzellent Biokompatibilitéit a Biodegradabilitéit, Net-Toxizitéit, gutt antimikrobiell Aktivitéit (géint Bakterien a Pilze), Sauerstoffimpermeabilitéit a Filmbildungseigenschaften. Am Géigesaz zum Chitin huet de Chitosan de Virdeel datt et Waasserléislech ass an doduerch méi einfach ze handhaben an a Formuléierungen ze benotzen.
Als zweet am meeschte reichend Polysaccharid no Cellulose, mécht déi enorm Heefegkeet vu Chitin et zu engem bëllegen an nohaltege Rohmaterial.
Chitosan Produktioun
Chitosan gëtt an engem zwee Schrëtt Prozess produzéiert. Am éischte Schrëtt gëtt de Matière première, wéi zB Krustacean-Muschelen (dh Garnelen, Krab, Hummer), deproteiniséiert, demineraliséiert a gereinegt fir Chitin ze kréien. Am zweete Schrëtt gëtt Chitin mat enger staarker Basis (zB NaOH) behandelt fir Acetyl-Säiteketten ze entfernen fir Chitosan ze kréien. De Prozess vun der konventioneller Chitosanproduktioun ass bekannt als ganz Zäitopwendeg a kaschtintensiv.
chitin
Chitin (C8H13O5N)N ass e riichter Kette Polymer vu β-1,4-N-Acetylglucosamin a gëtt an α-, β- an γ-chitin klasséiert. Als Derivat vu Glukos ass Chitin en Haaptkomponent vun den Exoskeletone vun Arthropoden, sou wéi Krustaceaen an Insekten, de Radulae vu Mollusken, Cephalopod-Schnallen, an d'Skalen vu Fësch a Lissamphibien a kënnen och an den Zellmaueren a Pilze fonnt ginn. D'Struktur vu Chitin ass vergläichbar mat Cellulose, a bildt kristallin Nanofibrillen oder Whiskers. Cellulose ass dat reichst Polysaccharid vun der Welt, gefollegt vu Chitin als zweet reichst Polysaccharid.
Glucosamin
Glucosamin (C6H13NEE5) ass en Aminozucker an e wichtege Virgänger an der biochemescher Synthese vu glycosyléierte Proteinen a Lipiden. Glucosamin ass natierlech eng reichend Verbindung déi Deel vun der Struktur vu béide Polysacchariden, Chitosan a Chitin ass, wat Glucosamin zu enger vun de reichste Monosacchariden mécht. De gréissten Deel vum kommerziellen verfügbare Glucosamin gëtt duerch d'Hydrolyse vu Krustaceaen Exoskeleton produzéiert, dh Krab an Hummermuschelen.
Glucosamin gëtt haaptsächlech als Nahrungsergänzung benotzt, wou et a Forme vu Glucosaminsulfat, Glucosaminhydrochlorid oder N-Acetylglucosamin benotzt gëtt. Glucosamin Sulfat Ergänzunge ginn mëndlech verwalt fir e schmerzhafte Zoustand ze behandelen, deen duerch Entzündung, Zerfall an eventuell Verloscht vum Knorpel verursaacht gëtt (Osteoarthritis).