Technologia ultradźwiękowa firmy Hielscher

Ultrasonic Deacetylation of Chitin to Chitosan

Chitosan jest biopolimerem pochodzenia chityny, który ma wiele zastosowań w farmacji, żywności, rolnictwie i przemyśle. Ultradźwiękowa deacetylacja chityny do chitozanu znacznie intensyfikuje leczenie. – co prowadzi do wydajnego i szybkiego procesu z wysoką wydajnością chitozanu o najwyższej jakości.

Produkcja chitozanu ultradźwiękowego

Chitozan otrzymuje się przez N-deacetylację chityny. W konwencjonalnej deacetylacji chityna jest namaczana w wodnych rozpuszczalnikach alkalicznych (zazwyczaj 40 do 50% (w/w) NaOH). Proces moczenia wymaga wysokich temperatur od 100 do 120ºC jest bardzo czasochłonny, podczas gdy wydajność chitozanu uzyskanego z jednego stopnia moczenia jest niska. Zastosowanie wysokowydajnych ultradźwięków intensyfikuje proceseacetylacji chityny w znaczący sposób i skutkuje wysoką wydajnością chitozanu o niskiej masie cząsteczkowej w szybkim leczeniu w niższej temperaturze. Deacetylacja ultradźwiękowa prowadzi do uzyskania najwyższej jakości chitozanu, który jest stosowany jako składnik żywności i farmacji, jako nawóz i w wielu innych zastosowaniach przemysłowych.
Leczenie ultradźwiękowe prowadzi do wyjątkowego stopnia acetylacji (DA) chityny obniżającej stopień acetylacji chityny z DA≥90 do chitozanu o DA≤10.
Wiele badań potwierdza skuteczność deacetylacji chityny ultradźwiękowej do chitozanu. Weiss J. et al. (2008) odkrył, że sonizacja znacznie poprawia konwersję chityny do chitozanu. Leczenie ultradźwiękowe chityny przynosi znaczne oszczędności czasu, skracając wymagany czas trwania procesu z 12-24 godzin do kilku godzin. Ponadto, aby uzyskać pełną konwersję, potrzeba mniej rozpuszczalnika, co zmniejsza wpływ na środowisko, wynikający z konieczności wyrzucania i utylizacji zużytego lub nieprzereagowanego rozpuszczalnika, tj. skoncentrowanej NaOH.

Ultrasonic Deacetylation of Chitin to Chitosan

eacetylacja chityny do chitozanu jest promowana przez sonizację.

Wysokowydajny ultrasonikator UIP4000hdT do zastosowań przemysłowych

UIP4000hdT – System ultradźwiękowy o mocy 4kW

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.


Zasada działania ultradźwiękowego leczenia chitozanem.

Wysokowydajna, niskoczęstotliwościowa ultrasonizacja (∼20-26kHz) powoduje kawitację akustyczną w cieczach i szlamach. Wysokowydajny ultradźwięk sprzyja przemianie chityny w chitozan jako rozpuszczalnika (np. NaOH) i przenika przez stałe cząstki chityny, zwiększając tym samym powierzchnię i poprawiając przenoszenie masy między fazą stałą i ciekłą. Ponadto duże siły ścinające kawitacji ultradźwiękowej tworzą wolne rodniki, które zwiększają reaktywność odczynnika (np. NaOH) podczas hydrolizy. Jako nietermiczna technika przetwarzania, sonizacja zapobiega degradacji termicznej, która prowadzi do uzyskania wysokiej jakości chitozanu. Ultradźwięki skracają czas potrzebny do ekstrakcji chityny ze skorupiaków, a także do uzyskania chityny (a tym samym chitozanu) o wyższej czystości w porównaniu z tradycyjnymi warunkami przetwarzania. W przypadku produkcji chityny i chitozanu, ultradźwięki mają potencjał do obniżenia kosztów produkcji, skrócenia czasu przetwarzania, umożliwienia lepszej kontroli procesu produkcyjnego i zmniejszenia wpływu odpadów procesowych na środowisko naturalne.

Zalety produkcji ultradźwiękowej Chitosanu

  • Wyższa wydajność Chitosan Yield
  • Najwyższa jakość
  • Skrócony czas
  • Niższa temperatura procesu
  • Zwiększona wydajność
  • Łatwo & bezpieczna operacja
  • przyjazny środowisku

Ultrasonic Chitin Decetylation to Chitosan. – Protokół

1) Przygotuj chitynę:
Wykorzystując muszle kraba jako materiał wyjściowy, muszle kraba należy dokładnie umyć, aby usunąć wszelkie rozpuszczalne substancje organiczne i przylegające do nich zanieczyszczenia, w tym glebę i białko. Następnie materiał muszli musi zostać całkowicie wysuszony (np. w temperaturze 60°C przez 24h w piecu). Wysuszone powłoki są następnie mielone (np. przy użyciu młynka młotkowego), deproteinizowane w środowisku zasadowym (np. NaOH przy stężeniu 0,125 do 5,0 M) i demineralizowane w kwasie (np. rozcieńczony kwas solny).
2) Deacetylacja ultradźwiękowa
Aby przeprowadzić typową reakcję deacetylacji ultradźwiękowej, cząsteczki beta-chityny (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), zawieszenie przenoszone jest do dwuściennej szklanej zlewki oraz jest idźwiękowione przy użyciu Hielschera. UP400St homogenizator ultradźwiękowy. Następujące parametry (por. Fiamingo et al. 2016) są utrzymywane na stałym poziomie podczas przeprowadzania ultradźwiękowej reakcjieacetylacji chityny: (i) sonda ultradźwiękowa (sonotrode Hielscher S24d22D, średnica końcówki = 22 mm); (ii) tryb impulsów dźwiękowych (IP = 0,5sec); (iii) intensywność powierzchni ultradźwiękowej
(I = 52,6 W cm.-2), (iv) temperatura reakcji (60ºC ±1ºC), (v) czas reakcji (50 min), (vi) stosunek masy beta-chityny do objętości 40% (w/w) wodnego wodorotlenku sodu (BCHt/NaOH = 1/10 g ml-1); (vii) objętość zawiesiny beta-chityny (50 ml).
Pierwsza reakcja trwa 50 minut pod ciągłym mieszaniem magnetycznym, a następnie zostaje przerwana przez szybkie schłodzenie zawiesiny do temperatury 0ºC. Następnie dodaje się rozcieńczony kwas solny w celu uzyskania pH 8,5, a próbkę CHs1 izoluje się przez filtrację, intensywnie myje się wodą dejonizowaną i suszy w warunkach otoczenia. Kiedy ta sama deacetylacja ultradźwiękowa jest powtarzana jako drugi krok do CHs1, wytwarza próbkę CHs2.

Ultradźwiękowa deacetylacja chicju do chitozanu

Skaningowe obrazy mikroskopii elektronowej (SEM) w powiększeniu 100 × a) mieczyk, b) mieczyk poddany działaniu ultradźwięków, c) β-chityna, d) β-chityna poddana działaniu ultradźwięków oraz e) chitozan (źródło: Preto i in. 2017).

Fiamingo i wsp. stwierdzili, że deacetylacja ultradźwiękowa beta-chityny skutecznie produkuje chitozan o dużej masie cząsteczkowej i niskim stopniu acetylacji, bez użycia dodatków, bezwładnej atmosfery i długich czasów reakcji. Nawet jeśli reakcja deacetylacji ultradźwiękowej jest przeprowadzana w łagodniejszych warunkach. – tj. niska temperatura reakcji w porównaniu z większością deacetylacji termochemicznych. Ultradźwiękowa deacetylacja beta-chityny pozwala na otrzymanie losowo deacetylowanego chitozanu o zmiennym stopniu acetylacji (4% ≤ DA ≤ 37%), o wysokiej średniej wagowej masie cząsteczkowej (900 000 g mol-1 ≤ MW ≤ 1,200,000 g mol.-1 ) i niska dyspersyjność (1.3 ≤ - ≤ 1.4) poprzez przeprowadzenie trzech następujących po sobie reakcji (50 min/stopniowo) w temperaturze 60 °C.

Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne ultradźwięki do zastosowań sonochemicznych.

Wysokowydajne procesory ultradźwiękowe od laboratorium do skali pilotażowej i przemysłowej.

Wysokowydajne systemy ultradźwiękowe do produkcji Chitosan

UIP4000hdT - 4 kW mocny system ultradźwiękowy do ekstrakcji i malaksacji oliwy z oliwek z pierwszego tłoczenia ekstra.Rozdrobnienie chityny i zwodzenie chityny do chitozanu wymaga wydajnego i niezawodnego sprzętu ultradźwiękowego, który może dostarczać dużych amplitud, zapewnia precyzyjną kontrolę parametrów procesu i może pracować 24 godziny na dobę przez 7 dni w tygodniu pod dużym obciążeniem i w wymagających środowiskach. Asortyment produktów firmy Hielscher Ultrasonics zaspokoi Twoje wymagania procesowe. Ultradźwięki firmy Hielscher to wysokowydajne systemy, które można wyposażyć w akcesoria takie jak sonotrody, boostery, reaktory lub ogniwa przepływowe, aby optymalnie dopasować je do potrzeb procesu.
Dzięki cyfrowemu kolorowemu wyświetlaczowi, możliwości zaprogramowania przebiegu sonizacji, automatyczne zapisywanie danych na zintegrowanej karcie SD, zdalne sterowanie przeglądarką i wiele innych funkcji, najwyższa kontrola procesu i łatwość obsługi są zapewnione. W połączeniu z wytrzymałością i dużą nośnością, systemy ultradźwiękowe firmy Hielscher są niezawodnym koniem roboczym w produkcji.
Fragmentacja chityny i deacetylacja wymaga silnego ultradźwięków, aby uzyskać ukierunkowaną konwersję i końcowy produkt chitozanu o wysokiej jakości. Szczególnie w przypadku fragmentacji płatków chityny kluczowe znaczenie mają duże amplitudy i podwyższone ciśnienia. Hielscher Ultrasonics’ przemysłowe procesory ultradźwiękowe łatwo dostarczają bardzo duże amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być stale wykorzystywane w trybie 24/7. Dla jeszcze większych amplitud, dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do potrzeb klienta. Pojemność energetyczna systemów ultradźwiękowych firmy Hielscher pozwala na sprawne i szybkie uspokojenie w bezpiecznym i przyjaznym dla użytkownika procesie.

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:

Wielkość partii natężenie przepływu Polecane urządzenia
1 do 500mL 10-200mL/min UP100H
10 do 2000mL 20-400mL/min UP200Ht, UP400St
0.1 do 20L 0.2 do 4L/min UIP2000hdT
10-100L 2 do 10L/min UIP4000hdT
b.d. 10-100L/min UIP16000
b.d. większe klaster UIP16000

Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!

Poproś o więcej informacji

Skorzystaj z formularza poniżej, jeśli chcesz zażądać dodatkowych informacji na temat ultradźwiękowej homogenizacji. Chętnie zaoferujemy Państwu system ultradźwiękowy, spełniający Państwa wymagań.









Proszę zwrócić uwagę na nasze Polityka prywatności.


Literatura / Referencje

  • Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Filmy bionokompozytowe na bazie chitozanu przygotowane przez Emulsion Technique for Food Preservation. Materiały 2019, 12(3), 373.
  • Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Ekstensywnie deacetylowany chitozan o dużej masie cząsteczkowej z wieloetapowej deacetylacji beta-chityny wspomaganej ultradźwiękami.. 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 czerwca.
  • Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Wpływ temperatury podczaseacetylacji chityny do chitozanu z ultradźwiękami o wysokiej intensywności jako obróbka wstępna, Walne Zgromadzenie Instytutu Technologii Żywności, Nowy Orlean, LA, 30 czerwca, 95-18.
  • Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Wpływ wysokiej intensywności ultradźwięków na przyspieszenie konwersji chityny do chitozanu, Walne Zebranie Instytutu Technologii Żywności, Nowy Orlean, LA, 30 czerwca, 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 i jego pochodne jako potencjalne biosorbenty do oleju napędowego do statków. Badania nad środowiskiem i zanieczyszczeniem (2017) 24:22932-22939.
  • Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Metoda przygotowania z góry na dół nanocząsteczek chitozanu i nanowłókien.. Polimery węglowodanowe 117, 2015 r. 731–738.
  • Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Skuteczna redukcja masy cząsteczkowej chitozanu za pomocą ultradźwięków o wysokiej intensywności: Mechanizm leżący u podstaw i efekt parametrów przetwarzania. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112-5119.
  • Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Odpady owoców morza: źródło przygotowania materiałów chityny/chitozanu nadających się do wykorzystania w handlu. Biozasoby i biotechnologia 6/8, 2019 r.


Fakty Warto wiedzieć

Jak działa dezaktylacja chityny ultradźwiękowej?

Kiedy wysoka moc, ultradźwięki o niskiej częstotliwości (np. 20-26 kHz) są sprzężone z cieczą lub gnojowicą, zmienne cykle wysokociśnieniowe / niskociśnieniowe są stosowane do cieczy, tworząc kompresję i rzadką czynność. Podczas tych naprzemiennych cykli wysokociśnieniowych / niskociśnieniowych powstają małe pęcherzyki podciśnienia, które rosną w ciągu kilku cykli ciśnieniowych. W momencie, gdy bąbelki próżniowe nie są w stanie wchłonąć więcej energii, gwałtownie się zapadają. Podczas implozji pęcherzyków występują lokalnie bardzo intensywne warunki: wysokie temperatury do 5000K, ciśnienia do 2000atm, bardzo wysokie szybkości ogrzewania/chłodzenia i różnice ciśnień. Ponieważ dynamika zawalenia się pęcherzyka jest szybsza niż przenoszenie masy i ciepła, energia w zawalającej się jamie jest ograniczona do bardzo małej strefy, zwanej również "gorącym punktem". Implozja pęcherzyka kawitacyjnego skutkuje również mikroturbulencjami, dyszami cieczy o prędkości do 280 m/s i wynikającymi z tego siłami ścinającymi. Zjawisko to znane jest jako kawitacja ultradźwiękowa lub akustyczna.
Kropelki i cząstki w sonikowanej cieczy są zakłócane przez te siły kawitacyjne, a gdy przyspieszone cząstki zderzają się ze sobą, ulegają zniszczeniu w wyniku zderzenia międzycząsteczkowego. Akustyczna kawitacja jest zasadą działania przemiału ultradźwiękowego, dyspersji, emulsyfikacji i sonochemii.
W przypadkueacetylacji chityny, ultradźwięki o wysokiej intensywności zwiększają powierzchnię poprzez aktywację powierzchni i promowanie przenoszenia masy pomiędzy cząstkami i odczynnikiem.

chitozan

Chitozan jest zmodyfikowanym, kationowym, nietoksycznym polimerem węglowodanowym o złożonej budowie chemicznej, utworzonym przez jednostki β-(1,4) glukozaminy jako główny składnik (>80%) i jednostki N-acetylo-glukozaminy (<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.

Produkcja Chitosan

Chitosan jest produkowany w dwuetapowym procesie. W pierwszym etapie surowiec, taki jak skorupiaki (np. krewetki, kraby, homary), zostaje zdeproteinizowany, zdemineralizowany i oczyszczony w celu uzyskania chityny. W drugim etapie, chityna jest poddawana działaniu silnej podstawy (np. NaOH) w celu usunięcia bocznych łańcuchów acetylowych w celu uzyskania chitozanu. Proces konwencjonalnej produkcji chitozanu jest bardzo czasochłonny i kosztowny.

chityna

Chityna (C8H13O5N)n jest polimerem o łańcuchu prostym β-1,4-N-acetyloglukozaminy i jest klasyfikowany do α-, β- i γ-chityny. Będąc pochodną glukozy, chityna jest głównym składnikiem egzoszkieletów stawonogów, takich jak skorupiaki i owady, radulae mięczaków, dziobów głowonogów, a także łuski ryb i płazów i można je znaleźć w ścianach komórkowych w grzybach. Struktura chityny jest porównywalna do celulozy, tworząc krystaliczne nanofibryle lub wiskery. Celuloza jest najobfitszym polisacharydem na świecie, a następnie chityna jako drugi co do wielkości polisacharyd.

glukozamina

Glukozamina (C6H13NIE5) jest aminocukrem i ważnym prekursorem w biochemicznej syntezie białek glikozylowanych i lipidów. Glukozamina jest naturalnie obfitym związkiem wchodzącym w skład struktury zarówno polisacharydów, chitozanu, jak i chityny, co sprawia, że glukozamina jest jednym z najobfitszych monosacharydów. Większość dostępnej na rynku glukozaminy wytwarzana jest w procesie hydrolizy egzoszkieletów skorupiaków, tj. muszli krabów i homarów.
Glukozamina jest stosowana głównie jako suplement diety, gdzie jest stosowana w postaci siarczanu glukozaminy, chlorowodorku glukozaminy lub glukozaminy N-acetylowej. Suplementy siarczanu glukozaminy są podawane doustnie w celu leczenia bolesnych dolegliwości spowodowanych zapaleniem, załamaniem i ewentualną utratą chrząstki (osteoarthritis).