Desacetilação ultrassônica de quitina em quitosana
Produção ultrassônica de quitosana
A quitosana é obtida pela N-desacetilação da quitina. Na desacetilação convencional, a quitina é embebida em solventes alcalinos aquosos (normalmente 40 a 50% (p/p) de NaOH). O processo de imersão requer altas temperaturas de 100 a 120ºC é muito demorado, enquanto o rendimento de quitosana obtido por etapa de imersão é baixo. A aplicação de ultrassom de alta potência intensifica significativamente o processo de desacetilação da quitina e resulta em um alto rendimento de quitosana de baixo peso molecular em um tratamento rápido a temperaturas mais baixas. A desacetilação ultrassônica resulta em quitosana de qualidade superior, que é usada como ingrediente alimentício e farmacêutico, como fertilizante e em muitas outras aplicações industriais.
O tratamento ultrassônico resulta em um grau excepcional de acetilação (DA) da quitina, diminuindo o grau de acetilação da quitina de DA≥90 para quitosana com DA≤10.
Muitos estudos de pesquisa confirmam a eficácia da desacetilação ultrassônica de quitina em quitosana. Weiss J. et al. (2008) descobriram que a sonicação melhora drasticamente a conversão de quitina em quitosana. O tratamento ultrassônico da quitina vem com economia de tempo significativa, reduzindo o tempo de processo necessário de 12 a 24 horas para algumas horas. Além disso, é necessário menos solvente para obter uma conversão completa, o que reduz o impacto ambiental de ter que descartar e descartar o solvente gasto ou não reagido, ou seja, NaOH concentrado.
A desacetilação da quitina em quitosana é promovida por sonicação
UIP4000hdT – Sistema ultrassônico de potência de 4kW
Princípio de funcionamento do tratamento ultrassônico de quitosana
A ultrassonografia de alta potência e baixa frequência (∼20-26kHz) cria cavitação acústica em líquidos e lamas. O ultrassom de alta potência promove a conversão de quitina em quitosana à medida que o solvente (por exemplo, NaOH) se fragmenta e penetra nas partículas sólidas de quitina, ampliando assim a área de superfície e melhorando a transferência de massa entre a fase sólida e líquida. Além disso, as altas forças de cisalhamento 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 sonicação evita a degradação térmica produzindo quitosana de alta qualidade. O ultrassom reduz os tempos de processamento necessários para extrair quitina de crustáceos, bem como produz quitina (e, portanto, subsequentemente quitosana) de maior pureza em comparação com as condições de processamento tradicionais. Para a produção de quitina e quitosana, os ultrassons têm o potencial de reduzir o custo de produção, diminuir o tempo de processamento, permitir um melhor controle do processo de produção 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
- Ambientalmente amigável
Decetilação ultrassônica de quitina em quitosana – protocolo
1) Prepare a quitina:
Usando cascas de caranguejo como material de origem, as cascas de caranguejo devem ser bem lavadas para remover quaisquer orgânicos solúveis e impurezas aderentes, incluindo solo e proteína. Em seguida, o material da casca deve ser completamente seco (por exemplo, a 60ºC por 24h em estufa). As cascas secas são então moídas (por exemplo, usando um moinho de martelos), desproteinizadas em meio alcalino (por exemplo, NaOH a uma concentração de 0,125 a 5,0 M) e desmineralizadas em ácido (por exemplo, ácido clorídrico diluído).
2) Desacetilação ultrassônica
Para executar uma reação típica de desacetilação ultrassônica, partículas de beta-quitina (0,125 mm < D < 0.250 mm) são suspensos em NaOH aquoso a 40% (p/p) na proporção de solução aquosa de beta-quitina/NaOH de 1/10 (g mL-1), a suspensão é transferida para um copo de vidro de parede dupla e é sonicada usando um Hielscher UP400St homogeneizador ultrassônico. Os seguintes parâmetros (cf. Fiamingo et al. 2016) são mantidos constantes ao realizar uma reação ultrassônica de desacetilação de quitina: (i) sonda ultrassônica (sonotrodo Hielscher S24d22D, diâmetro da ponta = 22 mm); (ii) modo de pulso de sonicação (IP = 0,5seg); iii) intensidade de superfície ultrassónica
(I = 52,6 W cm-2), (iv) temperatura de reação (60ºC ±1ºC), (v) tempo de reação (50 min), (vi) relação peso/volume de beta-quitina de 40% (m/m) de hidróxido de sódio aquoso (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) volume de suspensão de beta-quitina (50mL).
A primeira reação prossegue por 50 minutos sob agitação magnética constante e é então interrompida pelo resfriamento rápido da suspensão a 0ºC. Em seguida, o ácido clorídrico diluído é adicionado para atingir pH 8,5 e a amostra de CHs1 é isolada por filtração, extensivamente lavada com água deionizada e seca em condições ambientais. Quando a mesma desacetilação ultrassônica é repetida como uma segunda etapa para CHs1, ela produz CHs2 de amostra.
Imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) em uma ampliação de 100× de a) gládio, b) gládio tratado com ultrassom, c) β-quitina, d) β-quitina tratada com ultrassom e e) quitosana (fonte: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. descobriram que a desacetilação ultrassônica da beta-quitina produz eficientemente quitosana de alto peso molecular com baixo grau de acetilação, sem uso de aditivos, atmosfera inerte ou longos tempos de reação. Mesmo que a reação de desacetilação ultrassônica seja realizada em condições mais amenas – ou seja, baixa temperatura de reação quando comparada à maioria das desacetilações termoquímicas. A desacetilação ultrassônica da beta-quitina permite a preparação de quitosana desacetilada aleatoriamente possuindo grau variável de acetilação (4% ≤ DA ≤ 37%), peso molecular médio de alto peso (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) e baixa dispersão (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) através da realização de três reações consecutivas (50 min/passo) a 60ºC.
Processadores ultrassônicos de alta potência do laboratório ao piloto e escala industrial.
Sistemas ultrassônicos de alto desempenho para produção de quitosana
A fragmentação da quitina e a decetilação da quitina em quitosana requerem equipamentos ultrassônicos poderosos e confiáveis que possam fornecer altas amplitudes, ofereçam controlabilidade precisa sobre os parâmetros do processo e possam ser operados 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob carga pesada e em ambientes exigentes. A linha de produtos Hielscher Ultrasonics atende aos requisitos de você e de seu processo. Os ultrassônicos Hielscher são sistemas de alto desempenho que podem ser equipados com acessórios como sonotrodos, boosters, reatores ou células de fluxo para atender às necessidades do seu processo de maneira ideal.
Com display digital colorido, a opção de predefinir execuções de sonicação, gravação automática de dados em um cartão SD integrado, controle remoto do navegador e muitos outros recursos, o mais alto controle de processo e facilidade de uso são garantidos. Emparelhado com robustez e capacidade de carga pesada, os sistemas ultrassônicos Hielscher são o seu cavalo de trabalho confiável na produção.
A fragmentação e desacetilação da quitina requerem um ultrassom poderoso para obter a conversão direcionada e um produto final de quitosana de alta qualidade. Especialmente para a fragmentação dos flocos de quitina, altas amplitudes e pressões elevadas são cruciais. Ultrassom de Hielscher’ Os processadores ultrassônicos industriais fornecem facilmente amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200μm podem ser executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados. A capacidade de potência dos sistemas ultrassônicos Hielscher permite uma desacetilação eficiente e rápida em um processo seguro e fácil de usar.
A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos:
| Volume do lote | Vazão | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500mL | 10 a 200mL/min | UP100H |
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 a 20L | 0.2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | maior | cluster de UIP16000 |
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Literatura/Referências
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu MA, Darie-Nita RN, Bargan A., Vasile C. (2019): Filmes bionanocompósitos à base de 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 extensivamente desacetilada a partir da desacetilação assistida por ultrassom de várias etapas da beta-quitina. Ultrassonismo Sonoquímica 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Conversão Sonoquimicamente Assistida de Quitina em Quitosana, Reunião de Investigadores Principais da Iniciativa Nacional de Pesquisa do USDA, Nova Orleans, LA, 28 de junho.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influência da temperatura durante a desacetilação da quitina em quitosana com ultrassom de alta intensidade como pré-tratamento, Reunião Anual do Instituto de Tecnólogos de Alimentos, Nova Orleans, LA, 30 de junho, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influência do ultrassom de alta intensidade para acelerar a conversão de quitina em 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 I.C., Tessari-Zampieri M.C., Abessa D.M.S., Romero A.F., Bordon I.C. (2017): Gladius e seus derivados como potenciais biossorventes para óleo diesel marítimo. Ciência Ambiental e Pesquisa em Poluição (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Um método para preparação de cima para baixo de nanopartículas e nanofibras de quitosana. Polímeros de carboidratos 117, 2015. 731–738.
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- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Resíduos de frutos do mar: uma fonte para a preparação de materiais de quitina/quitosana comercialmente empregáveis. Biorrecursos e Bioprocessamento 6/8, 2019.
Fatos, vale a pena conhecer
Como funciona a desativação ultrassônica de quitina?
Quando o ultrassom de alta potência e baixa frequência (por exemplo, 20-26kHz) é acoplado a um líquido ou pasta, ciclos alternados de alta / baixa pressão são aplicados ao líquido, criando compressão e rarefação. Durante esses ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão, pequenas bolhas de vácuo são geradas, que crescem ao longo de vários ciclos de pressão. No ponto, quando as bolhas de vácuo não conseguem absorver mais energia, elas entram em colapso violentamente. Durante esta implosão de bolhas, ocorrem condições localmente muito intensas: altas temperaturas de até 5000K, pressões de até 2000atm, taxas de aquecimento/resfriamento muito altas e diferenciais de pressão ocorrem. Como a dinâmica de colapso da bolha é mais rápida do que a transferência de massa e calor, a energia na cavidade em colapso está confinada a uma zona muito pequena, também chamada de "ponto quente". A implosão da bolha de cavitação também resulta em microturbulências, jatos de líquido de até 280 m/s de velocidade e forças de cisalhamento resultantes. Esse fenômeno é conhecido como cavitação ultrassônica ou acústica.
Gotículas e partículas no líquido sonicado são impactadas por essas forças cavitacionais e quando as partículas aceleradas colidem umas com as outras, elas são quebradas por colisão entre partículas. A cavitação acústica é o princípio de funcionamento da moagem ultrassônica, dispersão, emulsificação e sonoquímica.
Para a desacetilação da quitina, o ultrassom de alta intensidade aumenta a área de superfície, ativando a superfície e promovendo a transferência de massa entre as partículas e o reagente.
Quitosana
A quitosana é um polímero de carboidratos modificado, catiônico e não tóxico com uma estrutura química complexa formada por unidades de β-(1,4) glucosamina como seu principal componente (>80%) e N-acetilglucosamina (<20%), distribuídos aleatoriamente ao longo da cadeia. A quitosana é derivada da quitina por meio de desacetilação química ou enzimática. O grau de desacetilação (DA) determina o conteúdo de grupos amino livres na estrutura e é usado para distinguir entre quitina e quitosana. A quitosana apresenta boa solubilidade em solventes moderados, como ácido acético diluído, e oferece vários grupos aminas livres como sítios ativos. Isso torna a quitosana vantajosa sobre a quitina em muitas reações químicas.
A quitosana é valorizada por sua excelente biocompatibilidade e biodegradabilidade, não toxicidade, boa atividade antimicrobiana (contra bactérias e fungos), impermeabilidade ao oxigênio e propriedades formadoras de filme. Em contraste com a quitina, a quitosana tem a vantagem de ser solúvel em água e, portanto, mais fácil de manusear e usar em formulações.
Como o segundo polissacarídeo mais abundante depois da celulose, a enorme abundância de quitina o torna 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 cascas 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 do acetil a fim de obter quitosana. O processo de produção de quitosana convencional é conhecido por ser muito demorado e caro.
quitina
Quitina (C8H13O5N)N é um polímero de cadeia linear de β-1,4-N-acetilglucosamina e é classificado em α, β e γ-quitina. Sendo derivada da glicose, a quitina é um componente principal dos exoesqueletos de artrópodes, como crustáceos e insetos, as rádulas de moluscos, bicos de cefalópodes e escamas de peixes e lissanfíbios e também pode ser encontrada nas paredes celulares dos fungos. A estrutura da quitina é comparável à celulose, formando nanofibrilas cristalinas ou bigodes. A celulose é o polissacarídeo mais abundante do mundo, seguida pela quitina como o segundo polissacarídeo 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 dos polissacarídeos, quitosana e quitina, o que torna a glucosamina um dos monossacarídeos mais abundantes. A maior parte da glucosamina disponível comercialmente é produzida pela hidrólise de exoesqueletos de crustáceos, ou seja, cascas de caranguejo e lagosta.
A glucosamina é usada principalmente como suplemento dietético, onde é usada nas formas de sulfato de glucosamina, cloridrato de glucosamina ou N-acetil glucosamina. Os suplementos de sulfato de glucosamina são administrados por via oral para tratar uma condição dolorosa causada pela inflamação, quebra e eventual perda de cartilagem (osteoartrite).