Hielscher Echografietechniek

Ultrasone deacetylering van chitine naar Chitosan

Chitosan is een biopolymeer op basis van chitine dat veel toepassingen kent in de farma, voeding, landbouw en industrie. Ultrasone deacetylering van chitine naar chitosan intensiveert de behandeling aanzienlijk. – wat leidt tot een efficiënt en snel proces met een hoge chitosan opbrengst van superieure kwaliteit.

Ultrasone Chitosan productie

Chitosan wordt verkregen door de N-deacetylering van chitine. In conventionele deacetylering wordt chitine gedrenkt in waterige alkalische oplosmiddelen (meestal 40 tot 50% (w/w) NaOH). Het inweken vereist hoge temperaturen van 100 tot 120ºC, terwijl de opbrengst van chitosan per inweekstap zeer tijdrovend is, terwijl de opbrengst van chitosan per inweekstap laag is. De toepassing van hoog vermogen ultrasoon materiaal intensiveert het deacetylatieproces van chitine aanzienlijk en resulteert in een hoge opbrengst van laag-moleculaire chitosan in een snelle behandeling bij lagere temperatuur. Ultrasone deacetylering resulteert in chitosan van superieure kwaliteit dat gebruikt wordt als voedings- en farma-ingrediënt, als meststof en in vele andere industriële toepassingen.
Ultrasone behandeling resulteert in een uitzonderlijke mate van acetylering (DA) van chitine, waardoor de mate van acetylering van DA≥90 tot chitosan met DA≤10 wordt verlaagd.
Veel onderzoeken bevestigen de effectiviteit van ultrasone chitine-deacetylering van chitosan. Weiss J. et al. (2008) ontdekten dat sonificatie de omzetting van chitine naar chitosan drastisch verbetert. De ultrasone behandeling van chitine levert een aanzienlijke tijdsbesparing op, waardoor de benodigde procestijd wordt teruggebracht van 12-24 uur tot een paar uur. Bovendien is er minder oplosmiddel nodig om een volledige omzetting te bereiken, wat de milieueffecten van het weggooien en verwijderen van het gebruikte of niet-gereageerde oplosmiddel, d.w.z. geconcentreerde NaOH, verlaagt.

Ultrasone deacetylering van chitine naar Chitosan

Deacetylering van chitine naar chitosan wordt bevorderd door de sonificatie.

High-performace ultrasoonapparaat UIP4000hdT voor industriële toepassingen

UIP4000hdT – 4 kW vermogen ultrasoon systeem

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


Werkingsprincipe van ultrasone Chitosan behandeling

Hoogvermogen, laagfrequente ultrasoon (∼20-26kHz) zorgt voor akoestische cavitatie in vloeistoffen en slurries. Ultrageluid met hoog vermogen bevordert de omzetting van chitine in chitosan als oplosmiddel (bijv. NaOH) en dringt door in de vaste chitine deeltjes, waardoor het oppervlak wordt vergroot en de massatransfer tussen vaste en vloeibare fase wordt verbeterd. Bovendien creëren de hoge schuifkrachten van ultrasone cavitatie vrije radicalen die de reactiviteit van het reagens (d.w.z. NaOH) tijdens de hydrolyse verhogen. Als een niet-thermische verwerkingstechniek, verhindert sonering de thermische degradatie, waardoor chitosan van hoge kwaliteit ontstaat. Ultrasoon verkort de verwerkingstijd die nodig is om chitine uit schaaldieren te extraheren en chitine (en dus ook chitosan) van een hogere zuiverheid te produceren in vergelijking met traditionele verwerkingsomstandigheden. Voor de productie van chitine en chitosan kunnen echografieën de productiekosten verlagen, de verwerkingstijd verkorten, het productieproces beter onder controle houden en de milieu-impact van het procesafval verminderen.

Voordelen van ultrasone Chitosan productie van ultrasoon Chitosan

  • Hogere Chitosan-opbrengst
  • Superieure kwaliteit
  • Verminderde tijd
  • Lagere procestemperatuur
  • Verhoogde efficiëntie
  • Gemakkelijk & veilige operatie
  • milieuvriendelijk

Ultrasone chitinedecetylatie aan Chitosan – Protocol

1) Bereid de chitine voor:
Met behulp van krabschalen als bronmateriaal moeten de krabschalen grondig worden gewassen om alle oplosbare organische stoffen en aanhangende onzuiverheden, waaronder aarde en eiwitten, te verwijderen. Daarna moet het schaalmateriaal volledig gedroogd worden (bv. bij 60ºC gedurende 24 uur in een oven). De gedroogde schelpen worden vervolgens gemalen (bv. met behulp van een hamermolen), gedeproteïneerd in een alkalisch medium (bv. NaOH bij een concentratie van 0,125 tot 5,0 M), en gedemineraliseerd in zuur (bv. verdund zoutzuur).
2) Ultrasone Deacetylering
Om een typische ultrasone deacetyleringsreactie uit te voeren, worden bèta-chitine deeltjes (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), wordt de ophanging overgebracht naar een dubbelwandige glazen beker en wordt met behulp van een Hielscher gesoniseerd. UP400St ultrasone homogenisator. De volgende parameters (cf. Fiamingo et al. 2016) worden constant gehouden bij het uitvoeren van een ultrasone chitinedecetyleringsreactie: i) ultrasone sonde (sonotrode Hielscher S24d22D, puntdiameter = 22 mm); ii) sonarpulsmodus (IP = 0,5 sec); iii) ultrasone oppervlaktedrukintensiteit
(I = 52,6 B cm) (I = 52,6 B cm)-2), iv) reactietemperatuur (60 ºC ± 1ºC), v) reactietijd (50 min), vi) verhouding beta-chitine gewicht/volume van 40% (m/m) waterige natriumhydroxide (BCHt/NaOH = 1/10 g mL).-1); vii) volume van de bèta-chitinesuspensie (50 ml).
De eerste reactie verloopt gedurende 50 minuten onder constant magnetisch roeren en wordt vervolgens onderbroken door de suspensie snel te koelen tot 0ºC. Daarna wordt verdund zoutzuur toegevoegd om pH 8,5 te bereiken en wordt het monster CHs1 door filtratie geïsoleerd, uitgebreid gewassen met gedeïoniseerd water en gedroogd bij omgevingsomstandigheden. Wanneer dezelfde ultrasone deacetylering wordt herhaald als een tweede stap naar CHs1, produceert het monster CHs2.

Ultrasone deacetylering van de kieling tot chitosan

Aftasten van elektronenmicroscopie (SEM) beelden in een vergroting van 100× van a) gladius, b) met ultrasound behandelde gladius, c) β-chitine, d) met ultrasound behandelde β-chitine, en e) chitosan (bron: Preto et al. 2017).

Fiamingo et al. vonden dat de ultrasone deacetylering van bèta-chitine op efficiënte wijze chitosan met een hoog moleculair gewicht produceert met een lage graad van acetylering zonder gebruik te maken van additieven of een inerte atmosfeer of lange reactietijden. Ook al wordt de ultrasone deacetyleringsreactie uitgevoerd onder mildere omstandigheden... – d.w.z. lage reactietemperatuur in vergelijking met de meeste thermochemische deacetylaties. De ultrasone deacetylering van bèta-chitine maakt de bereiding mogelijk van willekeurig gedeacetyleerde chitosan met een variabele acetyleringsgraad (4% ≤ DA ≤ 37%) en een hoog gemiddeld moleculair gewicht (900.000 g mol, met een hoog gewicht van 900.000 g).-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) en lage dispersie (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) door drie opeenvolgende reacties (50 min/stap) bij 60ºC uit te voeren.

Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasoonapparatuur voor sonochemische toepassingen.

Krachtige ultrasone processoren van laboratorium tot piloot en industriële schaal.

Hoogwaardige ultrasone systemen voor Chitosan-productie

UIP4000hdT - 4 kilowatt krachtig ultrasoon systeem voor de extractie en malaxxatie van extra olijfolie van eerste persing.De versnippering van chitine en de decetylering van chitine naar chitosan vereist krachtige en betrouwbare ultrasone apparatuur die grote amplitudes kan leveren, een nauwkeurige controleerbaarheid van de procesparameters biedt en 24/7 onder zware belasting en in veeleisende omgevingen kan worden gebruikt. Hielscher Ultrasonics productassortiment biedt u en uw procesvereisten aan. Hielscher ultrasoonapparaten zijn krachtige systemen die kunnen worden uitgerust met accessoires zoals sonotrodes, boosters, reactoren of stromingscellen om optimaal aan uw procesbehoeften te kunnen voldoen.
Met het digitale kleurendisplay, de mogelijkheid om vooraf ingestelde geluidsopnamen te maken, automatische gegevensregistratie op een geïntegreerde SD-kaart, afstandsbediening en nog veel meer functies, de hoogste procescontrole en gebruiksvriendelijkheid zijn gegarandeerd. In combinatie met de robuustheid en het zware draagvermogen zijn de ultrasone systemen van Hielscher uw betrouwbare werkpaard in de productie.
Chitinefragmentatie en deacetylering vereisen een krachtige ultrasone klank om de gerichte omzetting en een eindproduct van hoge kwaliteit te verkrijgen. Vooral voor de fragmentatie van de chitinevlokken zijn hoge amplitudes en verhoogde druk van cruciaal belang. Hielscher Ultrasonics’ industriële ultrasone processoren leveren gemakkelijk zeer hoge amplitudes. Amplituden tot 200µm kunnen continu worden gebruikt in 24/7 werking. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes beschikbaar. De vermogenscapaciteit van de ultrasone systemen van Hielscher maakt een efficiënte en snelle deacetylering in een veilig en gebruiksvriendelijk proces mogelijk.

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:

batch Volume Stroomsnelheid Aanbevolen apparaten
1 tot 500 ml 10 tot 200 ml / min UP100H
10 tot 2000 ml 20 tot 400 ml / min Uf200 ः t, UP400St
0.1 tot 20L 0.2 tot 4L / min UIP2000hdT
10 tot 100L 2 tot 10 l / min UIP4000hdT
na 10 tot 100 l / min UIP16000
na grotere cluster van UIP16000

Neem contact met ons op! / Vraag ons!

Vraag voor meer informatie

Gebruik het onderstaande formulier als u aanvullende informatie wilt over ultrasone homogenisatie. We zullen u graag een ultrasoon systeem aanbieden dat aan uw eisen voldoet.









Let op onze Privacybeleid.


Literatuur / Referenties

  • Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Chitosan-Based Bionanocomposietfilms, bereid door middel van emulsietechniek voor de conservering van voedsel. Materialen 2019, 12, lid 3, 373.
  • Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Extensief gedeacetyleerde chitosan met een hoog moleculair gewicht, afkomstig van de meerstapse echo-ondersteunde deacetylering van bèta-chitine.. Ultrasone Sonochemie 32, 2016. 79–85.
  • Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonochemisch-ondersteunde conversie van Chitin naar Chitosan, USDA National Research Initiative Principal Investigators Meeting, New Orleans, LA, 28 juni.
  • Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Invloed van de temperatuur tijdens de deacetylering van chitine naar chitosan met hoge intensiteit echografie als voorbehandeling, jaarlijkse bijeenkomst van het Instituut voor Voedingstechnici, New Orleans, LA, 30 juni 95-18 juni.
  • Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Invloed van hoge intensiteit echografie om de omzetting van chitine naar chitosan te versnellen, Jaarvergadering van het Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, 30 juni, 95-17 juni.
  • 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 en zijn derivaten als potentiële biosorbentia voor mariene dieselolie. Milieukunde en onderzoek naar vervuiling (2017) 24:22932-22939.
  • Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Een methode voor de top-down voorbereiding van chitosan nanodeeltjes en nanovezels.. Koolhydraatpolymeren 117, 2015. 731–738.
  • Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Efficiënte vermindering van het moleculaire gewicht van chitosan door middel van hoge intensiteit echografie: Onderliggend mechanisme en effect van de verwerkingsparameters. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112-5119.
  • Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Zeevruchtenafval: een bron voor de bereiding van commercieel inzetbare chitine-/chitosanmaterialen. Bioresources en Bioprocessing 6/8, 2019.


Feiten die de moeite waard zijn om te weten

Hoe werkt ultrasone chitine-deactylering?

Wanneer hoogvermogen, laagfrequent ultrasoon geluid (bijv. 20-26kHz) wordt gekoppeld in een vloeistof of slurry, worden afwisselend hoge druk / lage druk cycli toegepast op de vloeistof waardoor compressie en rarefaction ontstaat. Tijdens deze afwisselende hogedruk-/lagedrukcycli worden kleine vacuümbelletjes gegenereerd, die over meerdere drukcycli heen groeien. Op het moment dat de vacuümbellen niet meer energie kunnen absorberen, storten ze heftig in. Tijdens deze implosie van de luchtbel treden plaatselijk zeer intense omstandigheden op: hoge temperaturen tot 5000K, drukken tot 2000atm, zeer hoge verwarmings-/koelsnelheden en drukverschillen treden op. Omdat de dynamiek van de instorting van de luchtbellen sneller is dan de massa- en warmteoverdracht, is de energie in de instortende holte beperkt tot een zeer kleine zone, ook wel "hot spot" genoemd. De implosie van de cavitatiebel resulteert ook in microturbulenties, vloeistofstralen tot 280m/s en de daaruit voortvloeiende schuifkrachten. Dit fenomeen staat bekend als ultrasone of akoestische cavitatie.
Druppels en deeltjes in de gezongen vloeistof worden door die cavitatiekrachten beïnvloed en wanneer de versnelde deeltjes met elkaar botsen, worden ze door interdepartikelbotsing verbrijzeld. Akoestische cavitatie is het werkingsprincipe van ultrasoon frezen, dispergeren, emulgeren en sonochemie.
Voor chitine-deacetylatie wordt de oppervlakte van de chitine met hoge intensiteit vergroot door het oppervlak te activeren en de massa-overdracht tussen de deeltjes en het reagens te bevorderen.

chitosan

Chitosan is een gemodificeerd, kationisch, niet-giftig koolhydraatpolymeer met een complexe chemische structuur die wordt gevormd door β-(1,4)-glucosamine-eenheden als hoofdbestanddeel (>80%) en N-acetylglucosamine-eenheden (<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.

Chitosan productie

Chitosan wordt in twee stappen geproduceerd. In de eerste stap wordt de grondstof, zoals schelpen van schaaldieren (garnalen, krab, kreeft), gedeprotesteerd, gedemineraliseerd en gezuiverd om chitine te verkrijgen. In de tweede stap wordt chitine behandeld met een sterke basis (bv. NaOH) om acetyl nevenkettingen te verwijderen om chitosan te verkrijgen. Het proces van de conventionele chitosanproductie staat bekend als zeer tijdrovend en kostenintensief.

chitine

Chitine (C8H13de5N)n is een rechte-ketenpolymeer van β-1,4-N-acetylglucosamine en is ingedeeld in α-, β- en γ-chitine. Chitine is afgeleid van glucose en is een hoofdbestanddeel van het exoskelet van geleedpotigen, zoals kreeftachtigen en insecten, de radula van weekdieren, de radula van koppotigen, de schubben van vissen en lissamphibianen en kan ook in de celwanden van schimmels worden gevonden. De structuur van chitine is vergelijkbaar met die van cellulose en vormt kristallijne nanofibrillen of snorharen. Cellulose is het meest voorkomende polysacharide ter wereld, gevolgd door chitine als tweede meest voorkomende polysacharide.

glucosamine

Glucosamine (C6H13NEE5) is een aminosuiker en een belangrijke voorloper in de biochemische synthese van glycosyl-eiwitten en lipiden. Glucosamine is van nature een overvloedige verbinding die deel uitmaakt van de structuur van zowel polysachariden, chitosan en chitine, waardoor glucosamine een van de meest voorkomende monosachariden is. De meeste in de handel verkrijgbare glucosamine wordt geproduceerd door de hydrolyse van exoskeletten van schaaldieren, d.w.z. krab- en kreeftschelpen.
Glucosamine wordt voornamelijk gebruikt als voedingssupplement in de vorm van glucosaminesulfaat, glucosaminehydrochloride of N-acetylglucosamine. Glucosaminesulfaatsupplementen worden oraal toegediend om een pijnlijke aandoening te behandelen die wordt veroorzaakt door de ontsteking, afbraak en eventueel kraakbeenverlies (artrose).