Desacetilação ultra-sônica de quitina para quitosana
Produção ultra-sônica de quitosana
A quitosana é obtida pela N-desacetilação da quitina. Na desacetilação convencional, a quitina é embebida em solventes alcalinos aquosos (tipicamente 40 a 50% (w/w) NaOH). O processo de imersão requer altas temperaturas de 100 a 120 º C é muito demorado, enquanto o rendimento de quitosana obtida por imersão é baixo. A aplicação de ultrasonics de alta potência intensifica o processo de desacetilação da quitina significativamente e resulta em um alto rendimento de quitosana de baixo peso molecular em um tratamento rápido a uma temperatura mais baixa. A desacetilação ultra-sônica resulta em quitosana de qualidade superior, que é usada como alimento e ingrediente farmacêutico, como fertilizante e em muitas outras aplicações industriais.
O tratamento ultrassônico resulta em um grau excepcional de acetilação (DA) de quitina diminuindo o grau de quitina de acetilação da ≥ 90 para quitosana com DA ≤ 10.
Muitos estudos de pesquisa confirmam a eficácia da desacetilação de quitina ultra-sônica para quitosana. Weiss J. et al. (2008) descobriram que a sonicação melhora drasticamente a conversão de quitina para quitosana. O tratamento ultra-sônico da quitina vem com economias de tempo significativas reduzindo o tempo exigido do processo de 12-24 horas a algumas horas. Além disso, menos solvente é necessário para alcançar uma conversão completa, o que diminui o impacto ambiental de ter que descartar e descartar o solvente gasto ou não reagido, ou seja, NaOH concentrado.
A desacetilação da quitina à quitosana é promovida por sonicação
UIP4000hdT – sistema ultra-sônico do poder 4kW
Princípio de funcionamento do tratamento ultra-sônico de Chitosan
Ultrassônico de alta potência e baixa frequência (20-26kHz) cria cavitação acústica em líquidos e pastas. O ultrassom de alta potência promove a conversão de citra para chitosano à medida que o solvente (por exemplo, NaOH) fragmenta e penetra as partículas de concina sólida, ampliando assim a área da superfície e melhorando a transferência de massa entre a fase sólida e líquida. Além disso, as forças de cisalhamento elevados da cavitação ultrassônica criam radicais livres que aumentam a reatividade do reagente (ou seja, NaOH) durante a hidrólise. Como uma técnica de processamento não térmico, a sonagem previne a degradação térmica produzindo chitosan de alta qualidade. Tempos de processamento de encurtamento ultrassônico necessários para extrair concheciano dos crustáceos, bem como produzir concheina (e, portanto, posteriormente chitosan) de maior pureza em comparação com as condições tradicionais de processamento. Para a produção de chitin e chitosan, as ultrassonografias têm, assim, o potencial de reduzir o custo de produção, diminuir o tempo de processamento, permitir um melhor controle do processo produtivo e reduzir o impacto ambiental dos resíduos do processo.
- Maior rendimento de quitosana
- Qualidade superior
- Tempo reduzido
- Temperatura de processo mais baixa
- Maior eficiência
- Fácil & operação segura
- favor do meio ambiente
Decetylation ultra-sônico da quitina à quitosana – Protocolo
1) Prepare a quitina:
Usando conchas de caranguejo como material de origem, as conchas de caranguejo deve ser completamente lavada, a fim de remover quaisquer orgânicos solúveis e aderindo impurezas, incluindo o solo e proteínas. Em seguida, o material da casca deve ser completamente seco (por exemplo, a 60 º C por 24h em um forno). As conchas secas são então moídas (por exemplo, usando um moinho de martelo), desproteinizadas em um meio alcalino (por exemplo, NaOH em um conc. de 0,125 a 5,0 M), e desmineralizada em ácido (por exemplo, diluir o ácido clorídrico).
2) Desacetilação ultra-sônica
Para executar uma reação de desacetilação ultra-sônica típica, partículas de beta-quitina (0,125 mm < D < 0.250 mm) estão suspensos em 40% (w/w) NaOH aquoso em uma razão beta-chitin/NaOH solução aquosa de 1/10 (g mL-1 de), a suspensão é transferida para uma taça de vidro de parede dupla e é e sonicated usando um Hielscher UP400St homogeneizador ultra-sônico. Os seguintes parâmetros (cf. Fiamingo et al. 2016) são mantidos constantes na realização de uma reação ultra-sônica de desacetilação de quitina: (i) sonda ultrassônica (sonotrodo Hielscher S24d22D, diâmetro da ponta = 22 mm); (II) modo de pulso sonication (IP = 0,5 seg); (III) intensidade de superfície ultra-sônica
(I = 52,6 W cm-2), (IV) temperatura de reação (60 º C ± 1º C), (v) tempo de reação (50 min), (vi) relação peso/volume de beta-quitina de 40% (p/p) hidróxido de sódio aquoso (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1 de); (VII) volume de suspensão de beta-quitina (50mL).
A primeira reacção prossegue para 50m agitação magnética constante e é então interrompida por arrefecimento rápido da suspensão a 0º C. Depois de diluir o ácido clorídrico é adicionado para atingir pH 8,5 e amostra CHs1 é isolado por filtração, extensivamente lavado com água deionizada e secas em condições ambientais. Quando a mesma desacetilação ultra-sônica é repetida como um segundo passo para CHs1, ele produz amostra CHs2.
Imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) em uma ampliação de 100 × de a) gladius, b) gladius tratados por ultrassom, c) β-quitina, d) β-quitina tratada por ultrassom e e) quitosana (fonte: preto et al. 2017)
Fiamingo et al. descobriram que a desacetilação ultra-sônica da beta-quitina produz eficientemente quitosana de alto peso molecular com um baixo grau de acetilação nem usando aditivos nem atmosfera inerte nem tempos de reação longos. Embora a reação de desacetilação ultra-sônica seja realizada condições mais leves – ou seja, baixa temperatura de reação quando comparada com a maioria das deacetilações termoquímicas. A desacetilação ultra-sônica da beta-quitina permite a preparação de quitosana aleatoriamente desacetilada possuindo grau variável de acetilação (4% ≤ DA ≤ 37%), peso molecular médio de alto peso (900.000 g mol-1 de ≤ MW ≤ 1,2 milhões g mol-1 de ) e baixa dispersão (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) realizando três reações consecutivas (50 min/passo) a 60 º C.
Processadores ultra-sônicos de alta potência do laboratório à escala piloto e industrial.
Sistemas ultrassônicos de alto desempenho para produção de quitosana
A fragmentação da quitina e a decetilação da quitina à quitosana requerem equipamentos ultrassônicos poderosos e confiáveis que podem oferecer altas amplitudes, oferecem controlabilidade precisa sobre os parâmetros do processo e podem ser operados 24/7 carga pesada e em ambientes exigentes. Hielscher ultrasonics gama de produtos obter você e seus requisitos de processo cobertos. Hielscher ultrasonicators são sistemas de alto desempenho que podem ser equipados com acessórios como sonotrodes, boosters, reatores ou células de fluxo, a fim de corresponder às suas necessidades de processo de uma forma ideal.
Com display colorido digital, a opção de PRESET funciona sonication, gravação automática de dados em um cartão SD integrado, controle remoto do navegador e muitos mais recursos, maior controle de processo e facilidade de uso são assegurados. Emparelhado com robustez e capacidade de carga pesada, os sistemas ultra-sônicos Hielscher são o seu cavalo de trabalho confiável na produção.
A fragmentação e a desacetilação de quitina requerem ultra-som potente para obter a conversão direcionada e um produto de quitosana final de alta qualidade. Especialmente para a fragmentação dos flocos de quitina, altas amplitudes e pressões elevadas são cruciais. Hielscher ultrasonics’ os processadores ultra-sônicos industriais entregam facilmente amplitudes muito elevadas. As amplitudes de até 200 μm podem continuamente ser executadas na operação 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, os sonotrodes ultra-sônicos personalizados estão disponíveis. A capacidade de poder de sistemas ultra-sônicos de Hielscher permite a desacetilação eficiente e rápida em um processo seguro e de fácil utilização.
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators:
| Volume batch | Quociente de vazão | Dispositivos Recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500mL | 10 a 200 mL / min | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 a 20L | 00,2 a 4 L / min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 de 10L / min | UIP4000hdT |
| n / D. | 10 a 100L / min | UIP16000 |
| n / D. | maior | aglomerado de UIP16000 |
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Literatura / Referências
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., darie-Nita enfermeiro, Bargan A., Vasile C. (2019): filmes Bionanocomposite baseados em quitosana preparados por técnica de emulsão para preservação de alimentos. Materiais 2019, 12 (3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-filho S.P. (2016): Quitosana de alto peso molecular desacetilado extensivamente da desacetilação multipasso assistida por ultrassom de beta-quitina. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79 – 85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonoquimicamente-assistida conversão de quitina para quitosana, USDA pesquisa nacional iniciativa investigadores principal reunião, Nova Orleans, LA, 28 de junho.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): influência da temperatura durante a desacetilação de quitina para quitosana com ultra-som de alta intensidade como um pré-tratamento, reunião anual do Instituto de tecnólogos de alimentos, Nova Orleans, LA, 30 de junho de 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): influência do ultra-som de alta intensidade para acelerar a conversão de quitina para quitosana, reunião anual do Instituto de tecnólogos de alimentos, Nova Orleans, LA, 30 de junho, 95-17.
- Preto M.F., Campana-filho S.P., Fiamingo A., Cosentino DIC, Tessari-Zampieri M.C., abessa D.M.S., Romero AF, Bordon DIC (2017): gladius e seus derivados como potenciais biossorventes para o óleo diesel marinho. Pesquisa em ciência ambiental e poluição (2017) 24:22932 – 22939.
- Wijesena enfermeiro, Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Um método para A preparação de cima para baixo de nanopartículas de quitosana e nanofibras. Polímeros de carboidratos 117, 2015. 731 – 738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Redução eficiente do peso molecular da quitosana por ultrassom de alta intensidade: mecanismo subjacente e efeito dos parâmetros de processamento. Revista de química agrícola e alimentar 56 (13): 5112-5119.
- M. Yadav; Goswami P.; Paritosh K.; M. Kumar; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Resíduos de frutos do mar: uma fonte para a preparação de materiais de quitina/quitosana comercialmente empregáveis. Bioresources e Bioprocessing 6/8, 2019.
Fatos, vale a pena conhecer
Como funciona o Deactylation ultra-sônico do chitin?
Quando o ultra-som de alta potência, de baixa frequência (por exemplo, 20-26kHz) é acoplado em um líquido ou em uma pasta, os ciclos de alta pressão/baixa pressão alternados são aplicados ao líquido que cria a compressão e o rarefaction. Durante estes ciclos de alta pressão/baixa pressão alternados, pequenas bolhas de vácuo são geradas, que crescem ao longo de vários ciclos de pressão. No momento, quando as bolhas de vácuo não conseguem absorver mais energia, elas colam violentamente. Durante esta implosão da bolha, as circunstâncias localmente muito intensas ocorrem: altas temperaturas de até 5000K, pressões de até 2000atm, taxas muito elevadas do aquecimento/refrigerar e os diferenciais da pressão ocorrem. Uma vez que a dinâmica de colapso da bolha são mais rápidas do que a transferência de massa e calor, a energia na cavidade colapsando é confinada a uma zona muito pequena, também chamado de "ponto quente". A implosão da bolha da cavitação igualmente conduz aos microturbulences, aos jatos líquidos de até a velocidade 280m/s e às forças de tesoura resultantes. Este fenômeno é conhecido como cavitação ultra-sônica ou acústica.
As gotas e as partículas no líquido sonicated são afetou por aquelas forças cavitacional e quando as partículas aceleradas colidir com se, começ quebradas pela colisão do alta. A cavitação acústica é o princípio de funcionamento da trituração ultra-sônica, dispersando, emulsificação e sonochemistry.
Para a desacetilação de quitina, o ultra-som de alta intensidade aumenta na área de superfície ativando a superfície e promovendo a transferência de massa entre as partículas e o reagente.
Quitosana
Chitosan é um polímero de carboidratos modificado, catiônico e não tóxico com uma estrutura química complexa formada por unidades β-(1,4) de glucosamina como seu principal componente (>80%) e unidades de glucosamina n-acetil (<20%), distribuídos aleatoriamente ao longo da cadeia. Chitosan é derivado da concisão através de deacetilação química ou enzimática. O grau de deacetilação (DA) determina o conteúdo de grupos amino livres na estrutura e é usado para distinguir entre chitin e chitosan. Chitosan mostra boa solubilidade em solventes moderados como ácido acético diluído e oferece vários grupos de amina livre como locais ativos. Isso torna o chitosan vantajoso sobre a conjuntina em muitas reações químicas.
Chitosan é valorizado por sua excelente biocompatibilidade e biodegradabilidade, não toxicidade, boa atividade antimicrobiana (contra bactérias e fungos), impermeabilidade de oxigênio e propriedades de formação de filmes. Em contraste com a chitina, o chitosan tem a vantagem de ser solúvel em água e, assim, mais fácil de manusear e usar em formulações.
Como o segundo polissacarídeo mais abundante após a celulose, a enorme abundância de conchina torna-a uma matéria-prima barata e sustentável.
Produção de quitosana
A quitosana é produzida em um processo de duas etapas. Na primeira etapa, a matéria-prima, como conchas de crustáceos (ou seja, camarão, caranguejo, lagosta), é desproteinizada, desmineralizada e purificada para obter quitina. Na segunda etapa, a quitina é tratada com uma base forte (por exemplo, NaOH) para remover as cadeias laterais de acetil, a fim de obter quitosana. O processo de produção convencional de quitosana é conhecido por ser muito demorado e de custo intensivo.
Quitina
Quitina (C8H13O5NN é um polímero de cadeia reta de β-1,4-N-acetilglucosamina e é classificado em α-, β-e γ-quitina. Sendo derivado da glicose, a quitina é um componente principal dos exoesqueleto dos artrópodes, como crustáceos e insetos, as radulae dos moluscos, os bicos cefalópodes e as escalas de peixes e lissamphibios e também podem ser encontradas nas paredes celulares em fungos. A estrutura da quitina é comparável à celulose, formando nanofibrilas cristalinas ou bigodes. A celulose é o polissacárido mais abundante do mundo, seguido de quitina como segundo polissacarde mais abundante.
Glucosamina
Glucosamina (C6H13NÃO5) é um aminoaçúcar e um importante precursor na síntese bioquímica de proteínas glicosiladas e lipídios. A glucosamina é naturalmente um composto abundante que faz parte da estrutura de ambos os polissacarídeos, quitosana e quitina, o que torna a glucosamina um dos monossacarídeos mais abundantes. A maioria do glucosamina comercialmente disponível é produzida pela hidrólise de exooskeletons do crustáceo da, isto é. escudos do caranguejo e da lagosta.
Glucosamina é usado principalmente como suplemento dietético onde é usado nas formas de sulfato de glucosamina, cloridrato de glucosamina ou N-acetil glucosamina. Suplementos de sulfato de glucosamina são administrados por via oral para tratar uma condição dolorosa causada pela inflamação, colapso e eventual perda de cartilagem (osteoartrite).