Chitin ultraskaņas deacetilācija uz hitozānu
Ultraskaņas hitozāna ražošana
Hitozānu iegūst, izmantojot hitīna N-deacetilāciju. Parastā deacetilācijā hitīnu iemērc sārmu ūdens šķīdinātājos (parasti 40 līdz 50% (m/m) NaOH). Mērcēšanas procesam nepieciešama augsta temperatūra no 100 līdz 120ºC, kas ir ļoti laikietilpīgs, savukārt vienā mērcēšanas posmā iegūtā hitozāna iznākums ir zems. Augstas jaudas ultraskaņas pielietošana ievērojami pastiprina hitīna deacetilēšanas procesu un rada augstu zemas molekulmasas hitozāna ražu ātrā apstrādē zemākā temperatūrā. Ultraskaņas deacetilācija rada augstākās kvalitātes hitozānu, ko izmanto kā pārtikas un farmācijas sastāvdaļu, kā mēslojumu un daudzos citos rūpnieciskos lietojumos.
Ultraskaņas apstrāde izraisa izcilu hitīna acetilēšanas pakāpi (DA), pazeminot acetilēšanas hitīna pakāpi no DA≥90 līdz hitozānam ar DA≤10.
Daudzi pētījumi apstiprina ultraskaņas hitīna deacetilēšanas efektivitāti uz hitozānu. (2008) konstatēja, ka ultraskaņas apstrāde krasi uzlabo hitīna pārvēršanos par hitozānu. Chitīna ultraskaņas apstrāde nāk ar ievērojamu laika ietaupījumu, samazinot nepieciešamo procesa laiku no 12-24 stundām līdz dažām stundām. Turklāt, lai panāktu pilnīgu pārveidi, ir vajadzīgs mazāk šķīdinātāja, kas samazina ietekmi uz vidi, ko rada nepieciešamība izmest un atbrīvoties no izlietotā vai nereaģējušā šķīdinātāja, t. i., koncentrētā NaOH.
Ultraskaņas hitozāna ārstēšanas darba princips
Lieljaudas, zemas frekvences ultrasonikācija (∼20-26kHz) rada akustisko kavitāciju šķidrumos un vircās. Lieljaudas ultraskaņa veicina hitīna pārvēršanos par hitozānu, jo šķīdinātājs (piemēram, NaOH) fragmentējas un iekļūst cietās hitīna daļiņās, tādējādi palielinot virsmas laukumu un uzlabojot masas pārnesi starp cieto un šķidro fāzi. Turklāt ultraskaņas kavitācijas augstie bīdes spēki rada brīvos radikāļus, kas palielina reaģenta (t.i., NaOH) reaktivitāti hidrolīzes laikā. Kā netermiskās apstrādes tehnika, ultraskaņas apstrāde novērš termisko degradāciju, radot augstas kvalitātes hitozānu. Ultraskaņas saīsināt apstrādes laiku, kas nepieciešams, lai iegūtu hitīnu no vēžveidīgajiem, kā arī iegūtu hitīnu (un tādējādi pēc tam hitozānu) ar augstāku tīrību salīdzinājumā ar tradicionālajiem apstrādes apstākļiem. Chitīna un hitozāna ražošanai ultraskaņas var samazināt ražošanas izmaksas, samazināt apstrādes laiku, ļaut labāk kontrolēt ražošanas procesu un samazināt procesa atkritumu ietekmi uz vidi.
- Augstāka hitozāna raža
- Augstākā kvalitāte
- Samazināts laiks
- zemāka procesa temperatūra
- Paaugstināta efektivitāte
- Viegli & droša ekspluatācija
- videi draudzīgs
Ultraskaņas Chitin Dectilācija līdz hitozānam – Protokols
1) Sagatavojiet hitīnu:
Izmantojot krabju čaumalas kā izejmateriālu, krabju čaumalas rūpīgi jānomazgā, lai atbrīvotos no šķīstošām organiskām vielām un pielipušiem piemaisījumiem, tostarp augsnes un olbaltumvielām. Pēc tam čaumalas materiāls ir pilnībā jāizžāvē (piemēram, 60 °C temperatūrā 24 stundas žāvēšanas skapī). Pēc tam izžāvētās čaumalas samaļ (piemēram, izmantojot āmura dzirnavas), atšķeļ sārmainā vidē (piemēram, NaOH ar koncentrāciju no 0,125 līdz 5,0 M) un demineralizē skābē (piemēram, atšķaidītā sālsskābē).
2) Ultraskaņas deacetilācija
Lai palaistu tipisku ultraskaņas deacetilācijas reakciju, beta-hitīna daļiņas (0,125 mm < D < 0.250 mm) suspendē 40% (m/m) NaOH ūdens šķīdumā ar beta-hitīna/NaOH ūdens šķīdumu 1/10(g ml-1), suspensiju pārnes uz dubultsienu stikla vārglāzi, un to apstrādā ar ultraskaņu, izmantojot Hielscher UP400St ultraskaņas homogenizators. Šādi parametri (sal. Fiamingo et al. 2016) tiek saglabāti nemainīgi, veicot ultraskaņas hitīna deacetilācijas reakciju: (i) ultraskaņas zonde (sonotrode Hielscher S24d22D, gala diametrs = 22 mm); ii) ultraskaņas impulsa režīms (IP = 0,5sec); iii) ultraskaņas virsmas intensitāte
(I = 52,6 W cm-2), iv) reakcijas temperatūra (60ºC ±1°C), v) reakcijas laiks (50 min.), vi) beta-hitīna masas/tilpuma attiecība 40 % (m/m) nātrija hidroksīda ūdens šķīdums (BCHt/NaOH = 1/10 g ml-1); vii) beta-hitīna suspensijas tilpums (50 ml).
Pirmā reakcija turpinās 50 minūtes ar pastāvīgu magnētisko maisīšanu un pēc tam tiek pārtraukta, ātri atdzesējot suspensiju līdz 0 ° C. Pēc tam pievieno atšķaidītu sālsskābi, lai sasniegtu pH 8,5, un paraugu CHs1 izolē filtrējot, plaši mazgā ar dejonizētu ūdeni un žāvē apkārtējās vides apstākļos. Kad to pašu ultraskaņas deacetilāciju atkārto kā otro soli uz CHs1, tas rada paraugu CHs2.
konstatēja, ka beta-hitīna ultraskaņas deacetilācija efektīvi ražo augstas molekulmasas hitozānu ar zemu acetilēšanas pakāpi, neizmantojot piedevas, ne inertu atmosfēru, ne ilgu reakcijas laiku. Pat ja ultraskaņas deacetilācijas reakcija tiek veikta vieglākos apstākļos – t.i. zema reakcijas temperatūra, salīdzinot ar lielāko daļu termoķīmisko deacetilāciju. Beta-hitīna ultraskaņas deacetilēšana ļauj sagatavot nejauši deacetilētu hitozānu, kam ir mainīga acetilēšanas pakāpe (4% ≤ DA ≤ 37%), liela svara vidējā molekulmasa (900 000 g mol-1 ≤ Mēnw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) un zemu dispersiju (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4), veicot trīs secīgas reakcijas (50 min/step) 60 °C temperatūrā.
Augstas veiktspējas ultraskaņas sistēmas hitozāna ražošanai
Chitīna sadrumstalotībai un hitīna decetilācijai uz hitozānu ir nepieciešama jaudīga un uzticama ultraskaņas iekārta, kas var nodrošināt augstas amplitūdas, piedāvā precīzu procesa parametru vadāmību un to var darbināt 24/7 ar lielu slodzi un prasīgā vidē. Hielscher Ultrasonics produktu klāsts nodrošina jūs un jūsu procesa prasības. Hielscher ultrasonikatori ir augstas veiktspējas sistēmas, kuras var aprīkot ar piederumiem, piemēram, sonotrodes, pastiprinātājiem, reaktoriem vai plūsmas šūnām, lai optimāli atbilstu jūsu procesa vajadzībām.
Ar digitālo krāsu displeju tiek nodrošināta iespēja iepriekš iestatīt ultraskaņas apstrādi, automātiska datu ierakstīšana integrētā SD kartē, attālā pārlūka vadība un daudzas citas funkcijas, visaugstākā procesa kontrole un lietotājdraudzīgums. Pārī ar izturību un smagu nestspēju, Hielscher ultraskaņas sistēmas ir jūsu uzticamais darba zirgs ražošanā.
Chitīna sadrumstalotībai un deacetilācijai nepieciešama spēcīga ultraskaņa, lai iegūtu mērķtiecīgu konversiju un augstas kvalitātes galīgo hitozāna produktu. Īpaši hitīna pārslu sadrumstalotībai izšķiroša nozīme ir augstām amplitūdām un paaugstinātam spiedienam. Hielscher Ultrasonics’ Rūpnieciskie ultraskaņas procesori viegli nodrošina ļoti augstas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200 μm var nepārtraukti darbināt 24/7 darbībā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodes. Hielscher ultraskaņas sistēmu jauda ļauj efektīvi un ātri noārdīt drošā un lietotājam draudzīgā procesā.
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:
Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
---|---|---|
1 līdz 500 ml | 10 līdz 200 ml/min | UP100H |
10 līdz 2000 ml | 20 līdz 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Literatūra/Atsauces
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Uz hitozāna bāzes veidotas bionanokompozītu plēves, kas sagatavotas ar emulsijas tehniku pārtikas konservēšanai. Materiāli 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Ekstensīvi deacetilēts augstas molekulmasas hitozāns no daudzpakāpju ultraskaņas atbalstītas beta-hitīna deacetilēšanas. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonochemically-Assisted Conversion of Chitin to Chitosan, USDA Nacionālās pētniecības iniciatīvas galveno pētnieku sanāksme, Ņūorleāna, LA, 28. jūnijs.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Temperatūras ietekme hitīna deacetilēšanas laikā ar hitozānu ar augstas intensitātes ultraskaņu kā pirmapstrādi, Pārtikas tehnologu institūta ikgadējā sanāksme, Ņūorleāna, LA, 30. jūnijs, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Augstas intensitātes ultraskaņas ietekme, lai paātrinātu hitīna pārvēršanos par hitozānu, Pārtikas tehnologu institūta ikgadējā sanāksme, Ņūorleāna, LA, 30. jūnijs, 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 un tā atvasinājumi kā potenciālie biosorbenti jūras dīzeļdegvielai. Vides zinātne un piesārņojuma pētījumi (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Metode hitozāna nanodaļiņu un nanošķiedru sagatavošanai no augšas uz leju. Ogļhidrātu polimēri 117, 2015. 731–738.
- Vu, T., Zivanovičs, S., Heiss, D.G., Veiss, J. (2008). Efektīva hitozāna molekulmasas samazināšana ar augstas intensitātes ultraskaņu: Apstrādes parametru pamatā esošais mehānisms un ietekme. Lauksaimniecības un pārtikas ķīmijas žurnāls 56(13):5112-5119.
- Jadavs M.; Gosvami P.; Paritošs K.; Kumars M.; Pareek N.; Vivekanands V. (2019): Jūras velšu atkritumi: avots, no kura sagatavo komerciāli izmantojamus hitīna/hitozāna materiālus. Bioresursi un bioapstrāde 6/8, 2019.
Fakti, kurus ir vērts zināt
Kā darbojas ultraskaņas hitīna deaktilācija?
Kad lieljaudas, zemas frekvences ultraskaņa (piemēram, 20-26kHz) tiek savienota šķidrumā vai vircā, šķidrumam tiek piemēroti mainīgi augstspiediena / zema spiediena cikli, radot saspiešanu un retināšanu. Šo mainīgo augstspiediena / zema spiediena ciklu laikā rodas mazi vakuuma burbuļi, kas aug vairākos spiediena ciklos. Tajā brīdī, kad vakuuma burbuļi nevar absorbēt vairāk enerģijas, tie vardarbīgi sabrūk. Šīs burbuļu implosijas laikā rodas lokāli ļoti intensīvi apstākļi: augsta temperatūra līdz 5000K, spiediens līdz 2000atm, ļoti augsts sildīšanas/dzesēšanas ātrums un spiediena starpības. Tā kā burbuļu sabrukuma dinamika ir ātrāka nekā masas un siltuma pārnese, enerģija sabrukušajā dobumā ir ierobežota ar ļoti mazu zonu, ko sauc arī par "karsto punktu". Kavitācijas burbuļa implosija izraisa arī mikroturbulences, šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 280m / s un no tā izrietošos bīdes spēkus. Šī parādība ir pazīstama kā ultraskaņas vai akustiskā kavitācija.
Pilienus un daļiņas ultraskaņas šķidrumā ietekmē šie kavitācijas spēki, un, kad paātrinātās daļiņas saduras viena ar otru, tās satricina starpdaļiņu sadursme. Akustiskā kavitācija ir ultraskaņas frēzēšanas, izkliedēšanas, emulgācijas un sonoķīmijas darba princips.
Hitīna deacetilācijai augstas intensitātes ultraskaņa palielinās virsmas laukumā, aktivizējot virsmu un veicinot masas pārnesi starp daļiņām un reaģentu.
hitozāns
Hitozāns ir modificēts, katjonisks, netoksisks ogļhidrātu polimērs ar sarežģītu ķīmisko struktūru, ko veido β-(1,4) glikozamīna vienības kā tā galvenā sastāvdaļa (>80 %) un N-acetilglikozamīna vienības (<20%), nejauši sadalīts pa ķēdi. Hitozāns ir iegūts no hitīna, izmantojot ķīmisku vai fermentatīvu deacetilāciju. Deacetilēšanas pakāpe (DA) nosaka brīvo aminogrupu saturu struktūrā un tiek izmantota, lai atšķirtu hitīnu un hitozānu. Hitozāns uzrāda labu šķīdību mērenos šķīdinātājos, piemēram, atšķaidītā etiķskābē, un kā aktīvās vietas piedāvā vairākas brīvas amīnu grupas. Tas padara hitozānu izdevīgu salīdzinājumā ar hitīnu daudzās ķīmiskās reakcijās.
Hitozāns tiek novērtēts, ņemot vērā tā lielisko bioloģisko saderību un bionoārdīšanos, netoksiskumu, labu pretmikrobu aktivitāti (pret baktērijām un sēnēm), skābekļa necaurlaidību un plēves veidošanas īpašības. Atšķirībā no hitīna, hitozāna priekšrocība ir tā, ka tas ir ūdenī šķīstošs un tādējādi vieglāk lietojams un lietojams preparātos.
Kā otrais bagātīgākais polisaharīds pēc celulozes, milzīgais hitīna daudzums padara to par lētu un ilgtspējīgu izejvielu.
Hitozāna ražošana
Hitozāns tiek ražots divpakāpju procesā. Pirmajā posmā izejviela, piemēram, vēžveidīgo čaumalas (ti, garneles, krabji, omāri), tiek deproteinizēta, demineralizēta un attīrīta, lai iegūtu hitīnu. Otrajā solī hitīnu apstrādā ar spēcīgu pamatni (piemēram, NaOH), lai noņemtu acetila sānu ķēdes, lai iegūtu hitozānu. Ir zināms, ka parastā hitozāna ražošanas process ir ļoti laikietilpīgs un izmaksu ietilpīgs.
hitīns
Chitin (C8H13O5N)N ir β-1,4-N-acetilglukosamīna polimērs ar taisnu ķēdi un ir klasificēts α-, β- un γ-hitīnā. Tā kā hitīns ir glikozes atvasinājums, tas ir posmkāju eksoskeletu, piemēram, vēžveidīgo un kukaiņu, gliemju, galvkāju knābju, kā arī zivju un lissamphibians svaru, galvenā sastāvdaļa, un to var atrast arī sēņu šūnu sienās. Hitīna struktūra ir salīdzināma ar celulozi, veidojot kristāliskus nanofibrilus vai ūsas. Celuloze ir visbagātākais polisaharīds pasaulē, kam seko hitīns kā otrais bagātīgākais polisaharīds.
Glikozamīns
Glikozamīns (C6H13NĒ5) ir aminocukurs un svarīgs prekursors glikozilēto proteīnu un lipīdu bioķīmiskajā sintēzē. Glikozamīns dabiski ir bagātīgs savienojums, kas ir daļa no polisaharīdu, hitozāna un hitīna struktūras, kas padara glikozamīnu par vienu no bagātīgākajiem monosaharīdiem. Lielāko daļu komerciāli pieejamā glikozamīna iegūst vēžveidīgo eksoskeletu, t.i., krabju un omāru čaumalu, hidrolīzē.
Glikozamīnu galvenokārt izmanto kā uztura bagātinātāju, ja to lieto glikozamīna sulfāta, glikozamīna hidrohlorīda vai N-acetilglikozamīna formās. Glikozamīna sulfāta piedevas tiek ievadītas perorāli, lai ārstētu sāpīgu stāvokli, ko izraisa iekaisums, sabrukums un iespējamais skrimšļa zudums (osteoartrīts).