Ultrasone deacetylering van chitine tot chitosan
Ultrasone productie van chitosan
Chitosan wordt verkregen door N-deacetylering van chitine. Bij conventionele deacetylering wordt chitine geweekt in waterige alkalische oplosmiddelen (doorgaans 40 tot 50% (w/w) NaOH). Het weekproces vereist hoge temperaturen van 100 tot 120ºC en is zeer tijdrovend, terwijl de opbrengst aan chitosan per weekstap laag is. De toepassing van ultrasoon geluid met hoog vermogen intensiveert het deacetyleringsproces van chitine aanzienlijk en levert bij een snelle behandeling op een lagere temperatuur een hoge opbrengst aan chitosan met een laag molecuulgewicht op. Ultrasone deacetylering resulteert in chitosan van superieure kwaliteit, dat wordt gebruikt als ingrediënt in voedingsmiddelen en farmaceutische producten, als meststof en in vele andere industriële toepassingen.
Ultrasone behandeling resulteert in een uitzonderlijke acetyleringsgraad (DA) van chitine, waarbij de acetyleringsgraad wordt verlaagd van chitine met DA≥90 tot chitosan met DA≤10.
Veel onderzoeken bevestigen de doeltreffendheid van ultrasone deacetylering van chitine tot chitosan. Weiss J. et al. (2008) ontdekten dat sonicatie de omzetting van chitine in chitosan drastisch verbetert. De ultrasone behandeling van chitine levert aanzienlijke tijdwinst op, doordat de vereiste procestijd wordt teruggebracht van 12–24 uur tot enkele uren. Bovendien is minder oplosmiddel nodig om een volledige omzetting te bereiken, waardoor de milieubelasting door het afvoeren en verwerken van het verbruikte of niet-gereageerde oplosmiddel, d.w.z. geconcentreerd NaOH, afneemt.
Deacetylering van chitine tot chitosan wordt bevorderd door sonicatie
UIP4000hdT – ultrasoon systeem met een vermogen van 4kW
Werkingsprincipe van ultrasone behandeling van chitosan
Ultrasone behandeling met hoog vermogen en lage frequentie (∼20–26kHz) veroorzaakt akoestische cavitatie in vloeistoffen en slurries. Ultrasoon geluid met hoog vermogen bevordert de omzetting van chitine in chitosan doordat het oplosmiddel (bijv. NaOH) de vaste chitinedeeltjes fragmenteert en binnendringt, waardoor het oppervlak wordt vergroot en de massaoverdracht tussen de vaste en de vloeibare fase wordt verbeterd. Bovendien veroorzaken de hoge afschuifkrachten van ultrasone cavitatie vrije radicalen, die de reactiviteit van het reagens (d.w.z. NaOH) tijdens de hydrolyse verhogen. Als niet-thermische verwerkingstechniek voorkomt sonicatie thermische afbraak en produceert zo chitosan van hoge kwaliteit. Ultrasone behandeling verkort de verwerkingstijden die nodig zijn om chitine uit schaaldieren te extraheren en levert tevens chitine (en daardoor vervolgens chitosan) van hogere zuiverheid op dan traditionele verwerkingsomstandigheden. Voor de productie van chitine en chitosan heeft ultrasoon geluid dus het potentieel om de productiekosten te verlagen, de verwerkingstijd te verkorten, een betere beheersing van het productieproces mogelijk te maken en de milieubelasting door het procesafval te verminderen.
- Hogere opbrengst aan chitosan
- Superieure kwaliteit
- Kortere tijd
- Lagere procestemperatuur
- Verhoogde efficiëntie
- Eenvoudige en veilige bediening
- Milieuvriendelijk
Ultrasone deacetylering van chitine tot chitosan – protocol
1) Bereid de chitine voor:
Wanneer krabbenschalen als uitgangsmateriaal worden gebruikt, moeten deze grondig worden gewassen om alle oplosbare organische stoffen en aanhechtende verontreinigingen, waaronder grond en eiwitten, te verwijderen. Vervolgens moet het schaalmateriaal volledig worden gedroogd (bijv. bij 60ºC gedurende 24h in een oven). De gedroogde schalen worden vervolgens gemalen (bijv. met een hamermolen), ontdaan van eiwitten 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 deacetylering
Om een typische ultrasone deacetyleringsreactie uit te voeren, worden bèta-chitinedeeltjes (0,125 mm < d < 0,250 mm) gesuspendeerd in een waterige oplossing van 40% (w/w) NaOH bij een verhouding van bèta-chitine tot waterige NaOH-oplossing van 1/10(g mL-1), waarna de suspensie wordt overgebracht naar een dubbelwandige glazen beker en gesoniceerd met een ultrasone homogenisator van Hielscher UP400St . De volgende parameters (vgl. Fiamingo et al. 2016) worden constant gehouden bij het uitvoeren van een ultrasone deacetyleringsreactie van chitine: (i) ultrasone sonde (sonotrode Hielscher S24d22D, tipdiameter = 22 mm); (ii) pulsmodus voor sonicatie (IP = 0,5sec); (iii) ultrasone oppervlakte-intensiteit
(I = 52,6 W cm-2), (iv) reactietemperatuur (60ºC ±1ºC), (v) reactietijd (50 min), (vi) verhouding van het gewicht aan bèta-chitine tot het volume van een waterige oplossing van 40% (w/w) natriumhydroxide (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) volume van de suspensie van bèta-chitine (50mL).
De eerste reactie verloopt gedurende 50min onder voortdurend magnetisch roeren en wordt vervolgens onderbroken door de suspensie snel af te koelen tot 0ºC. Daarna wordt verdund zoutzuur toegevoegd om pH 8,5 te bereiken en wordt monster CHs1 door filtratie geïsoleerd, grondig gewassen met gedeïoniseerd water en gedroogd onder omgevingscondities. Wanneer dezelfde ultrasone deacetylering als tweede stap op CHs1 wordt herhaald, ontstaat monster CHs2.
Beelden van scanning-elektronenmicroscopie (SEM) bij 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 ultrasone deacetylering van bèta-chitine efficiënt chitosan met een hoog molecuulgewicht en een lage acetyleringsgraad produceert, zonder gebruik van additieven, een inerte atmosfeer of lange reactietijden. Hoewel de ultrasone deacetyleringsreactie onder mildere omstandigheden wordt uitgevoerd – d.w.z. bij een lage reactietemperatuur vergeleken met de meeste thermochemische deacetyleringen. Ultrasone deacetylering van bèta-chitine maakt de bereiding mogelijk van willekeurig gedeacetyleerd chitosan met een variabele acetyleringsgraad (4% ≤ DA ≤ 37%), een hoog gewichtsgemiddeld molecuulgewicht (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) en een lage dispersiteit (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) door drie opeenvolgende reacties (50 min/stap) bij 60ºC uit te voeren.
Ultrasone processoren met hoog vermogen, van laboratorium- tot pilot- en industriële schaal.
Ultrasone systemen met hoge prestaties voor de productie van chitosan
De fragmentatie van chitine en de deacetylering van chitine tot chitosan vereisen krachtige en betrouwbare ultrasone apparatuur die hoge amplitudes kan leveren, nauwkeurige beheersing van de procesparameters biedt en 24/7 kan worden gebruikt onder zware belasting en in veeleisende omgevingen. Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics voorziet in uw behoeften en die van uw proces. De sonicatoren van Hielscher zijn systemen met hoge prestaties die kunnen worden uitgerust met accessoires zoals sonotroden, boosters, reactoren of doorstroomcellen om optimaal op uw procesbehoeften aan te sluiten.
Een digitaal kleurendisplay, de mogelijkheid om sonicatiecycli vooraf in te stellen, automatische gegevensregistratie op een geïntegreerde SD-kaart, bediening op afstand via een browser en vele andere functies garanderen de hoogste mate van procesbeheersing en gebruiksvriendelijkheid. Dankzij hun robuustheid en grote belastbaarheid zijn de ultrasone systemen van Hielscher uw betrouwbare werkpaard in de productie.
Fragmentatie en deacetylering van chitine vereisen krachtig ultrasoon geluid om de beoogde omzetting en een eindproduct van chitosan van hoge kwaliteit te verkrijgen. Vooral voor de fragmentatie van de chitinevlokken zijn hoge amplitudes en verhoogde drukken cruciaal. De industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics leveren moeiteloos zeer hoge amplitudes. Amplitudes tot 200µm kunnen continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. Het vermogen van de ultrasone systemen van Hielscher maakt efficiënte en snelle deacetylering mogelijk in een veilig en gebruiksvriendelijk proces.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren bij benadering:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500mL | 10 tot 200mL/min | UP100H |
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | hoger | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!
Literatuur/referenties
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Bionanocomposietfilms op basis van chitosan, bereid met een emulsietechniek voor voedselconservering. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Vergaand gedeacetyleerd chitosan met een hoog molecuulgewicht uit ultrasoon ondersteunde deacetylering van bèta-chitine in meerdere stappen. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonochemisch ondersteunde omzetting van chitine in chitosan, USDA National Research Initiative Principal Investigators Meeting, New Orleans, LA, 28 juni.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Invloed van temperatuur tijdens de deacetylering van chitine tot chitosan met ultrasoon geluid van hoge intensiteit als voorbehandeling, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, 30 juni, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Invloed van ultrasoon geluid van hoge intensiteit op het versnellen van de omzetting van chitine in chitosan, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, 30 juni, 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 scheepsdieselolie. Environmental Science and Pollution Research (2017) 24:22.932–22.939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Een methode voor de bereiding van nanodeeltjes en nanovezels van chitosan via een top-downbenadering. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Efficiënte verlaging van het molecuulgewicht van chitosan door ultrasoon geluid van 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 vis en zeevruchten: een bron voor de bereiding van commercieel toepasbare chitine-/chitosanmaterialen. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Wetenswaardigheden
Hoe werkt ultrasone deacetylering van chitine?
Wanneer ultrasoon geluid met hoog vermogen en lage frequentie (bijv. 20–26kHz) in een vloeistof of slurry wordt gekoppeld, wordt de vloeistof blootgesteld aan afwisselende cycli van hoge en lage druk, die compressie en verdunning veroorzaken. Tijdens deze afwisselende cycli van hoge en lage druk ontstaan kleine vacuümbellen, die gedurende meerdere drukcycli groeien. Op het moment dat de vacuümbellen geen energie meer kunnen opnemen, storten ze met geweld in. Tijdens deze implosie van de bellen treden lokaal zeer intense omstandigheden op: hoge temperaturen tot 5000K, drukken tot 2000atm, zeer hoge verwarmings-/afkoelsnelheden en drukverschillen. Omdat de dynamiek van het instorten van de bellen sneller is dan massa- en warmteoverdracht, blijft de energie in de instortende holte beperkt tot een zeer kleine zone, ook wel een ‘hotspot’ genoemd. De implosie van de cavitatiebel veroorzaakt tevens microturbulenties, vloeistofstralen met snelheden tot 280m/s en de daaruit voortvloeiende afschuifkrachten. Dit verschijnsel staat bekend als ultrasone of akoestische cavitatie.
Druppels en deeltjes in de gesoniceerde vloeistof worden getroffen door deze cavitatiekrachten. Wanneer de versnelde deeltjes met elkaar botsen, worden ze door deze onderlinge botsingen verbrijzeld. Akoestische cavitatie is het werkingsprincipe van ultrasoon malen, dispergeren, emulgeren en sonochemie.
Bij deacetylering van chitine vergroot ultrasoon geluid van 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 die wordt gevormd door β-(1,4)-glucosamine-eenheden als hoofdbestanddeel (>80%) en N-acetylglucosamine-eenheden (<20%), die willekeurig over de keten zijn verdeeld. Chitosan wordt uit chitine verkregen door chemische of enzymatische deacetylering. De deacetyleringsgraad (DA) bepaalt het gehalte aan vrije aminogroepen in de structuur en wordt gebruikt om onderscheid te maken tussen chitine en chitosan. Chitosan vertoont een goede oplosbaarheid in milde oplosmiddelen zoals verdund azijnzuur en biedt verschillende vrije aminegroepen als actieve plaatsen. Dit geeft chitosan in veel chemische reacties een voordeel ten opzichte van chitine.
Chitosan wordt gewaardeerd om zijn uitstekende biocompatibiliteit en biologische afbreekbaarheid, niet-toxiciteit, goede antimicrobiële activiteit (tegen bacteriën en schimmels), ondoordringbaarheid voor zuurstof en filmvormende eigenschappen. In tegenstelling tot chitine heeft chitosan het voordeel dat het wateroplosbaar is, waardoor het gemakkelijker te hanteren en in formuleringen te gebruiken is.
Chitine is na cellulose het op één na meest voorkomende polysacharide. Doordat het in zulke grote hoeveelheden voorkomt, is het een goedkope en duurzame grondstof.
Productie van chitosan
Chitosan wordt geproduceerd in een proces van twee stappen. In de eerste stap wordt de grondstof, zoals schalen van schaaldieren (d.w.z. garnalen, krabben, kreeften), ontdaan van eiwitten, 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 zo chitosan te verkrijgen. Het is bekend dat conventionele productie van chitosan zeer tijdrovend en kostbaar is.
Chitine
Chitine (C8H13O5N)n is een polymeer met een rechte keten van β-1,4-N-acetylglucosamine en wordt ingedeeld in α-, β- en γ-chitine. Als derivaat van glucose is chitine 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 Lissamphibia. Het 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 het meest voorkomende polysacharide ter wereld, gevolgd door chitine als het op één na meest voorkomende polysacharide.
Glucosamine
Glucosamine (C6H13NO5) is een aminosuiker en een belangrijke precursor bij de biochemische synthese van geglycosyleerde eiwitten en lipiden. Glucosamine is van nature een veelvoorkomende verbinding die deel uitmaakt van de structuur van beide polysachariden, chitosan en chitine, waardoor glucosamine een van de meest voorkomende monosachariden is. Het grootste deel van de commercieel verkrijgbare glucosamine wordt geproduceerd door hydrolyse van exoskeletten van schaaldieren, d.w.z. krabben- en kreeftenschalen.
Glucosamine wordt voornamelijk gebruikt als voedingssupplement, in de vorm van glucosaminesulfaat, glucosaminehydrochloride of N-acetylglucosamine. Supplementen met glucosaminesulfaat worden oraal toegediend om een pijnlijke aandoening te behandelen die wordt veroorzaakt door ontsteking, afbraak en uiteindelijk verlies van kraakbeen (artrose).