Ultrasonic Deacetylation of Chitin to Chitosan
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.
eacetylacja chityny do chitozanu jest promowana przez sonizację.
UIP4000hdT – System ultradźwiękowy o mocy 4kW
Zasada działania ultradźwiękowego leczenia chitozanem.
Ultradźwięki o wysokiej mocy i niskiej częstotliwości (∼20-26kHz) tworzą kawitację akustyczną w cieczach i zawiesinach. Ultradźwięki o wysokiej mocy sprzyjają konwersji chityny w chitozan, ponieważ rozpuszczalnik (np. NaOH) ulega fragmentacji i przenika do cząstek chityny stałej, powiększając w ten sposób powierzchnię i poprawiając przenoszenie masy pomiędzy fazą stałą a ciekłą. Ponadto, wysokie siły ścinające w kawitacji ultradźwiękowej powodują powstawanie wolnych rodników, które zwiększają reaktywność odczynnika (np. NaOH) podczas hydrolizy. Jako nietermiczna technika przetwarzania, sonikacja zapobiega degradacji termicznej, wytwarzając wysokiej jakości chitozan. Ultradźwięki skracają czas potrzebny do ekstrakcji chityny ze skorupiaków, jak również dają chitynę (a tym samym chitozan) o większej czystości w porównaniu z tradycyjnymi warunkami przetwarzania. W przypadku produkcji chityny i chitozanu, ultradźwięki mają zatem potencjał obniżenia kosztów produkcji, skrócenia czasu przetwarzania, pozwalają na lepszą kontrolę procesu produkcji i zmniejszenie wpływu odpadów procesowych na środowisko.
- 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). < re < 0.250 mm) są zawieszone w 40% (w/w) wodnym roztworze NaOH w proporcji beta-chityna/roztwór wodny NaOH 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.
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.
Wysokowydajne procesory ultradźwiękowe od laboratorium do skali pilotażowej i przemysłowej.
Wysokowydajne systemy ultradźwiękowe do produkcji Chitosan
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!
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, którego głównym składnikiem są jednostki β-(1,4) glukozaminy (>80%) i jednostki N-acetylo-glukozaminy (<20%), losowo rozmieszczone wzdłuż łańcucha. Chitozan jest otrzymywany z chityny poprzez chemiczną lub enzymatyczną deacetylację. Stopień deacetylacji (DA) określa zawartość wolnych grup aminowych w strukturze i służy do rozróżnienia chityny od chitozanu. Chitozan wykazuje dobrą rozpuszczalność w umiarkowanych rozpuszczalnikach, takich jak rozcieńczony kwas octowy i oferuje kilka wolnych grup aminowych jako miejsca aktywne. Dzięki temu chitozan ma przewagę nad chitozanem w wielu reakcjach chemicznych.
Chitosan jest ceniony za doskonałą biokompatybilność i biodegradację, nietoksyczność, dobre działanie antybakteryjne (przeciw bakteriom i grzybom), nieprzepuszczalność tlenu i właściwości tworzenia się warstw. W przeciwieństwie do chityny, chitozan ma tę zaletę, że jest rozpuszczalny w wodzie, a tym samym łatwiejszy w obsłudze i stosowaniu w recepturach.
Jako drugi po celulozie najobfitszy polisacharyd, ogromna ilość chityny sprawia, że jest to tani i zrównoważony surowiec.
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).