Ultrasone deacetylering van chitine tot chitosan
Ultrasone Chitosan Productie
Chitosan wordt verkregen door de N-deacetylering van chitine. Bij conventionele deacetylering wordt chitine geweekt in waterige alkalische oplosmiddelen (meestal 40 tot 50% (m/m) NaOH). Het inweekproces vereist hoge temperaturen van 100 tot 120ºC en is zeer tijdrovend, terwijl de opbrengst van chitosan per inweekstap laag is. De toepassing van krachtige ultrasone trillingen intensiveert het deacetyleringsproces van chitine aanzienlijk en resulteert in een hoge opbrengst van chitosan met een laag moleculair gewicht in een snelle behandeling bij een lagere temperatuur. Ultrasone deacetylering resulteert in chitosan van superieure kwaliteit dat wordt gebruikt als voedings- en farma-ingrediënt, als meststof en in vele andere industriële toepassingen.
Ultrasone behandeling resulteert in een uitzonderlijke acetylatiegraad (DA) van chitine, waardoor de acetylatiegraad van chitine daalt van DA≥90 naar chitosan met DA≤10.
Veel onderzoeken bevestigen de effectiviteit van ultrasone deacetylering van chitine naar chitosan. Weiss J. et al. (2008) ontdekten dat sonicatie de omzetting van chitine in chitosan drastisch verbetert. De ultrasone behandeling van chitine levert een aanzienlijke tijdsbesparing op, waardoor de benodigde procestijd wordt teruggebracht van 12-24 uur naar een paar uur. Bovendien is er minder oplosmiddel nodig voor een volledige omzetting, waardoor het milieu minder wordt belast omdat het gebruikte of niet gereageerde oplosmiddel, d.w.z. geconcentreerde NaOH, moet worden weggegooid en afgevoerd.
Deacetylering van chitine tot chitosan wordt bevorderd door sonicatie
UIP4000hdT – 4kW vermogen ultrasoon systeem
Werkingsprincipe van ultrasone chitosanbehandeling
Ultrasoon geluid met hoog vermogen en lage frequentie (∼20-26kHz) creëert akoestische cavitatie in vloeistoffen en slurries. Ultrasoon geluid met een hoog vermogen bevordert de omzetting van chitine in chitosan doordat het oplosmiddel (bijv. NaOH) de vaste chitine deeltjes fragmenteert en penetreert, waardoor het oppervlak wordt vergroot en de massaoverdracht tussen vaste en vloeibare fase verbetert. 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 niet-thermische verwerkingstechniek voorkomt ultrasone trillingen thermische degradatie, waardoor chitosan van hoge kwaliteit wordt geproduceerd. Ultrasoon verkort de verwerkingstijd die nodig is om chitine uit schaaldieren te extraheren en levert chitine (en dus chitosan) op met een hogere zuiverheid in vergelijking met traditionele verwerkingsomstandigheden. Voor de productie van chitine en chitosan heeft ultrasoon dus het potentieel om de productiekosten te verlagen, de verwerkingstijd te verkorten, een betere controle van het productieproces mogelijk te maken en de milieueffecten van het procesafval te verminderen.
- Hogere chitosan opbrengst
- Superieure kwaliteit
- Verkorte tijd
- Lagere procestemperatuur
- Verhoogde efficiëntie
- Gemakkelijk & veilige werking
- milieuvriendelijk
Ultrasone decetylering van chitine tot chitosan – protocol
1) Bereid de chitine:
Wanneer krabschalen als bronmateriaal worden gebruikt, moeten de krabschalen grondig worden gewassen om alle oplosbare organische stoffen en aanhangende onzuiverheden, waaronder aarde en eiwit, te verwijderen. Daarna moet het schelpmateriaal volledig worden gedroogd (bijvoorbeeld bij 60ºC gedurende 24 uur in een oven). De gedroogde schelpen worden dan gemalen (bijv. met een hamermolen), eiwitvrij gemaakt in een alkalisch medium (bijv. NaOH met een concentratie van 0,125 tot 5,0 M) en gedemineraliseerd in zuur (bijv. verdund zoutzuur).
2) Ultrasone deacetylatie
Om een typische ultrasone deacetylatiereactie uit te voeren, worden bèta-chitine deeltjes (0,125 mm < D < 0.250 mm) worden gesuspendeerd in 40% (m/m) waterige NaOH in een verhouding beta-chitine/NaOH waterige oplossing van 1/10 (g mL-1), wordt de suspensie overgebracht in een dubbelwandig glazen bekerglas en gesoneerd met behulp van een Hielscher UP400St ultrasone homogenisator. De volgende parameters (cf. Fiamingo et al. 2016) worden constant gehouden bij het uitvoeren van een ultrasone chitine deacetyleringsreactie: (i) ultrasone sonde (sonotrode Hielscher S24d22D, tipdiameter = 22 mm); (ii) sonicatiepulsmodus (IP = 0,5sec); (iii) ultrasone oppervlakte-intensiteit
(I = 52,6 W cm-2), iv) reactietemperatuur (60 ± 1ºC), v) reactietijd (50 min), vi) verhouding bèta-chitinegewicht/volume 40% (m/m) waterig 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 dan onderbroken door de suspensie snel af te koelen tot 0 ºC. Daarna wordt verdund zoutzuur toegevoegd om pH 8,5 te bereiken en wordt monster CHs1 geïsoleerd door filtratie, uitgebreid gewassen met gedeïoniseerd water en gedroogd bij omgevingscondities. Wanneer dezelfde ultrasone deacetylering als tweede stap wordt herhaald voor CHs1, ontstaat monster CHs2.
Scanning electron microscopy (SEM) beelden in een vergroting van 100× van a) gladius, b) ultrasoon behandelde gladius, c) β-chitine, d) ultrasoon behandelde β-chitine, en e) chitosan (bron: Preto et al. 2017).
Fiamingo et al. ontdekten dat de ultrasone deacetylering van bèta-chitine efficiënt chitosan met een hoog molecuulgewicht en een lage acetyleringsgraad produceert, zonder additieven, inerte atmosfeer of lange reactietijden te gebruiken. Hoewel de ultrasone deacetyleringsreactie onder mildere omstandigheden wordt uitgevoerd – D.w.z. een lage reactietemperatuur in vergelijking met de meeste thermochemische deacetyleringen. De ultrasone deacetylering van bètachitine maakt de bereiding mogelijk van willekeurig gedeacetyleerd chitosan met een variabele acetyleringsgraad (4% ≤ DA ≤ 37%), een hoog gemiddeld molecuulgewicht (900.000 g mol-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.
Krachtige ultrasone processors van laboratorium- tot pilot- en industriële schaal.
Ultrasone systemen met hoge prestaties voor de productie van chitosan
Voor het fragmenteren van chitine en het decetyleren van chitine tot chitosan is krachtige en betrouwbare ultrasone apparatuur nodig die hoge amplitudes kan leveren, de procesparameters nauwkeurig kan regelen en 24/7 kan werken onder zware belasting en in veeleisende omgevingen. Hielscher ultrasoonapparatuur voldoet aan al uw proceseisen. Hielscher ultrasone apparaten zijn hoogwaardige systemen die kunnen worden uitgerust met accessoires zoals sonotroden, boosters, reactoren of flowcellen om optimaal aan uw procesbehoeften te voldoen.
Met het digitale kleurendisplay, de optie om sonicatieruns vooraf in te stellen, automatische gegevensregistratie op een geïntegreerde SD-kaart, browserbediening op afstand en nog veel meer functies zijn de hoogste procescontrole en gebruiksvriendelijkheid verzekerd. In combinatie met hun robuustheid en zware belastbaarheid zijn de Hielscher ultrasone systemen uw betrouwbare werkpaard in de productie.
Voor chitinefragmentatie en deacetylatie is krachtig ultrageluid nodig om de gerichte conversie en een chitosan eindproduct van hoge kwaliteit te verkrijgen. Vooral voor het fragmenteren van de chitinevlokken zijn hoge amplitudes en hoge drukken cruciaal. Hielscher Ultrasoon’ industriële ultrasone processors leveren gemakkelijk zeer hoge amplitudes. Amplituden tot 200 µm kunnen continu worden gebruikt, 24/7. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden verkrijgbaar. Het vermogen van de Hielscher ultrasone systemen maakt efficiënte en snelle deacetylering mogelijk in een veilig en gebruiksvriendelijk proces.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Literatuur/referenties
- 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): Uitgebreid gedeacetyleerd hoogmoleculair gewicht chitosan uit de meerstaps ultrasone deacetylering van bèta-chitine. Ultrasonica Sonochemie 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 en zijn derivaten als potentiële biosorbenten voor mariene dieselolie. 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): Een methode voor top-down bereiding van chitosan nanodeeltjes en nanovezels. Koolhydraatpolymeren 117, 2015. 731-738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Efficiënte verlaging van het moleculaire gewicht van chitosan door ultrageluid met hoge intensiteit: Onderliggend mechanisme en effect van verwerkingsparameters. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Afval van zeevruchten: een bron voor de bereiding van commercieel bruikbare chitine/chitosan materialen. Bioresources en bioprocessing 6/8, 2019.
Wetenswaardigheden
Hoe werkt ultrasone chitine-deactylering?
Wanneer ultrasoon geluid met een hoog vermogen en een lage frequentie (bijv. 20-26 kHz) wordt gekoppeld aan een vloeistof of slurry, worden afwisselend hoge- en lagedrukcycli toegepast op de vloeistof, waardoor compressie en verdamping ontstaat. Tijdens deze afwisselende hogedruk-/lagedrukcycli worden kleine vacuümbellen gegenereerd die gedurende meerdere drukcycli groeien. Op het moment dat de vacuümbellen niet meer energie kunnen absorberen, storten ze heftig in. Tijdens deze implosie van de bellen doen zich plaatselijk zeer intense omstandigheden voor: hoge temperaturen tot 5000 K, drukken tot 2000 micrometer, zeer hoge opwarmings- en afkoelsnelheden en drukverschillen. Aangezien de dynamica van de ineenstorting van de luchtbel sneller verloopt dan de massa en warmteoverdracht, blijft 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 met een snelheid tot 280 m/s en resulterende schuifkrachten. Dit fenomeen staat bekend als ultrasone of akoestische cavitatie.
Druppels en deeltjes in de gesoniseerde vloeistof worden geraakt door deze cavitatiekrachten en wanneer de versnelde deeltjes met elkaar in botsing komen, worden ze verbrijzeld door botsing tussen de deeltjes. Akoestische cavitatie is het werkingsprincipe van ultrasoon malen, dispergeren, emulgeren en sonochemie.
Voor chitinedacetylatie vergroot ultrageluid met hoge intensiteit het oppervlak door het oppervlak te activeren en de massaoverdracht tussen deeltjes en reagens te bevorderen.
chitosan
Chitosan is een gemodificeerd, kationisch, niet-toxisch koolhydraatpolymeer met een complexe chemische structuur gevormd door β-(1,4) glucosamine-eenheden als hoofdbestanddeel (>80%) en N-acetylglucosamine-eenheden (<20%), willekeurig verdeeld over de keten. Chitosan wordt afgeleid van chitine door chemische of enzymatische deacetylering. De mate van deacetylatie (DA) bepaalt het gehalte vrije aminogroepen in de structuur en wordt gebruikt om onderscheid te maken tussen chitine en chitosan. Chitosan is goed oplosbaar in gematigde oplosmiddelen zoals verdund azijnzuur en biedt verschillende vrije aminegroepen als actieve sites. Dit maakt chitosan voordeliger dan chitine in veel chemische reacties.
Chitosan wordt gewaardeerd om zijn uitstekende biocompatibiliteit en biologische afbreekbaarheid, niet-giftigheid, goede antimicrobiële activiteit (tegen bacteriën en schimmels), zuurstofdichtheid en filmvormende eigenschappen. In tegenstelling tot chitine heeft chitosan het voordeel dat het oplosbaar is in water en daardoor gemakkelijker te hanteren en te gebruiken is in formules.
Chitine is na cellulose de meest voorkomende polysacharide en door de enorme overvloed aan chitine is het een goedkope en duurzame grondstof.
Chitosan productie
Chitosan wordt in twee stappen geproduceerd. In de eerste stap wordt de grondstof, zoals schalen van schaaldieren (bijv. garnalen, krab, kreeft), eiwitvrij gemaakt, gedemineraliseerd en gezuiverd om chitine te verkrijgen. In de tweede stap wordt chitine behandeld met een sterke base (bijv. NaOH) om acetylzijketens te verwijderen en chitosan te verkrijgen. Het is bekend dat het proces van conventionele chitosanproductie zeer tijdrovend en kostenintensief is.
chitine
Chitine (C8H13O5N)N is een rechte-ketenpolymeer van β-1,4-N-acetylglucosamine en wordt ingedeeld in α-, β- en γ-chitine. Chitine is een derivaat van glucose en is een hoofdbestanddeel van de exoskeletten van geleedpotigen, zoals schaaldieren en insecten, de radulae van weekdieren, de snavels van koppotigen en de schubben van vissen en lissamphibieën en komt ook voor in de celwanden van schimmels. De structuur van chitine is vergelijkbaar met die van cellulose en vormt kristallijne nanofibrillen of whiskers. Cellulose is de meest voorkomende polysacharide ter wereld, gevolgd door chitine als tweede meest voorkomende polysacharide.
glucosamine
Glucosamine (C6H13GEEN5) is een aminosuiker en een belangrijke precursor in de biochemische synthese van geglycosyleerde eiwitten en lipiden. Glucosamine is van nature een overvloedige verbinding die deel uitmaakt van de structuur van zowel polysachariden, chitosan, als chitine, waardoor glucosamine een van de meest voorkomende monosachariden is. Het grootste deel van de commercieel beschikbare glucosamine wordt geproduceerd door de hydrolyse van exoskeletten van schaaldieren, zoals schelpen van krabben en kreeften.
Glucosamine wordt voornamelijk gebruikt als voedingssupplement in de vorm van glucosaminesulfaat, glucosaminehydrochloride of N-acetylglucosamine. Glucosaminesulfaat supplementen worden oraal toegediend om een pijnlijke aandoening te behandelen die wordt veroorzaakt door ontsteking, afbraak en uiteindelijk verlies van kraakbeen (artrose).