Chitina si Chitosan Productie din ciuperci

Ultrasonication este o metodă extrem de eficientă pentru a elibera chitină și chitosan din surse fungice, cum ar fi ciupercile. Chitina și chitosanul trebuie să fie deacetylated în prelucrarea în flux în jos pentru a obține un biopolimer de înaltă calitate. Deacetilarea asistată ultrasonically este o tehnică extrem de eficientă, simplă și rapidă, care duce la chitosani de înaltă calitate cu greutate moleculară mare și biodisponibilitate superioară.

Mushroom-Derived Chitin and Chitosan via Ultrasonication

Edible and medicinal mushrooms such as Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi or reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (button mushrooms), Hericium erinaceus (lions mane), Cordyceps sinensis (caterpillar fungus), Grifola frondosa (hen-of-the-wood), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, turkeytail) and many other fungus species are widely used as food and for the extraction of bioactive compounds. These mushrooms as well as processing residuals (mushroom waste) can be used to produce chitosan. Ultrasonication not only promotes the release of chitin from the fungal cell wall structure, but also drives the conversion of chitin into valuable chitosan via ultrasonically-assisted depolymerization and deacetylation.

Deacetilation cu ultrasunete de chitin la chitosan

Depolymerization and deacetylation of chitin to chitosan is promoted by sonication

Cerere de informatie





Extractor cu ultrasunete UIP4000hdT pentru extracția en deacetilarea chitinei din ciuperci

Ultrasonication is used to extract chitin from mushrooms. Furthermore, ultrasound promotes the depolymerization and deacetylation of chitin in order to obtain high-quality chitosan.

This video demonstrates the highly efficient extraction of lion's mane mushrooms using the Hielscher UP200Ht ultrasonic homogenizer. Ultrasonic extraction is the perfect technique for producing high-quality, full-spectrum extracts containing polysaccharides such as beta glucans, as well as hericenones and erinacins.

Lion's Mane Mushroom Extraction Using the Ultrasonicator UP200Ht

Miniatură video

 

Intense ultrasonication using a probe-type ultrasonic system is a technique used to promote the depolymerization and deacetylation of chitin, leading to the formation of chitosan. Chitin is a naturally occurring polysaccharide found in the exoskeletons of crustaceans, insects, and the cell walls of certain fungi. Chitosan is derived from chitin by removing the acetyl groups from the chitin molecule.

Ultrasonic Procedure for Fungal Chitin to Chitosan Conversion

When intense ultrasonication is applied for the production of chitosan from chitin, a chitin suspension is sonicated with high-intensity, low-frequency ultrasound waves, typically in the range of 20 kHz to 30 kHz. The process generates intense acoustic cavitation, which refers to the formation, growth, and collapse of microscopic vacuum bubbles in the liquid. Cavitation generates localized extremly high-shear forces, high temperatures (up to several thousand degrees Celsius) and pressures (up to several hundred atmospheres) in the liquid surrounding the cavitation bubbles. These extreme conditions contribute to the breakdown of the chitin polymer and the subsequent deacetylation.
 

Chitine și chitosans din ciuperci pot fi extrase eficient folosind ultrasonication de tip sondă.

Imagini SEM cu chitină și chitosani din două specii de ciuperci: a) Chitină din L. vellereus; b) Chitina din P. ribis; c) Chitosan din L.vellereus; d) chitosan din P. ribis.
imagine și studiu: © Erdoğan et al., 2017

 

Ultrasonic Depolymerization of Chitin

The depolymerization of chitin occurs through the combined effects of mechanical forces, such as microstreaming and liquid jetting, as well as by ultrasonically initiated chemical reactions induced by free radicals and other reactive species formed during cavitation. The high-pressure waves generated during cavitation cause the chitin chains to undergo shear stress, resulting in the scission of the polymer into smaller fragments.

Ultrasonic Deacetylation of Chitin

In addition to depolymerization, intense ultrasonication also promotes the deacetylation of chitin. Deacetylation involves the removal of acetyl groups from the chitin molecule, leading to the formation of chitosan. Intense ultrasonic energy, particularly the high temperatures and pressures generated during cavitation, accelerate the deacetylation reaction. The reactive conditions created by cavitation help break the acetyl linkages in chitin, resulting in the release of acetic acid and the conversion of chitin into chitosan.
Overall, intense ultrasonication enhances both the depolymerization and deacetylation processes by providing the necessary mechanical and chemical energy to break down the chitin polymer and facilitate the conversion to chitosan. This technique offers a rapid and efficient method for the production of chitosan from chitin, with numerous applications in various industries, including pharmaceuticals, agriculture, and biomedical engineering.

Industrial Chitosan Production from Mushroom with Power Ultrasound

Producția comercială de chitină și chitosan se bazează în principal pe deșeurile din industriile marine (de exemplu, pescuitul, recoltarea peștelui de coajă etc.). Diferitele surse de materie primă au ca rezultat calități diferite de chitină și chitosan, rezultând fluctuații de producție și de calitate datorate variațiilor sezoniere de pescuit. În plus, chitosan derivat din surse fungice oferă proprietăți relatărilor superioare cum ar fi lungimea omogenă a polimerului și solubilitate mai mare în comparație cu chitosan din surse marine. (cf. Ghormade et al., 2017) Pentru a furniza chitosan uniform, extracția chitinei din speciile fungice a devenit o producție alternativă stabilă. Producția de chitină și citiosan din ciuperci poate fi realizată cu ușurință și fiabilă folosind tehnologia de extracție și deacetilare cu ultrasunete. Sonicare intensă perturbă structurile celulare pentru a elibera chitina și promovează transferul de masă în solvenți apoși pentru randamente superioare de chitină și eficiența de extracție. Deacetilarea cu ultrasunete ulterioară transformă chitina în chitosan valoros. Ambele, extracția cu ultrasunete chitină și deacetilarea la chitosan pot fi scalate liniar la orice nivel de producție comercială.

Extracția cu ultrasunete și deacetilarea chitinei fungice dau chitosan de înaltă calitate.

Sonicare intensifică producția de chitosan fungic și face producția mai eficientă și mai economică.
(imagine și studiu: © Zhu et al., 2019)

Extracția cu ultrasunete chitină din ciuperci cu ultrasonicator de tip sondă UP400ST (400W, 24kHz)

ultrasonicator UP400St pentru extracția ciupercilor: Sonicare dă randamente ridicate de compuși bioactivi, cum ar fi polizaharidele chitină și chitosan

Rezultatele cercetării pentru chitină cu ultrasunete și deacetilarea Chitosan

Chitina deacetylated sonochimic rezultate în chitosan de înaltă calitate.Zhu et al. (2018) concluzionează în studiul lor că deacetilarea cu ultrasunete sa dovedit a fi o descoperire crucială, transformând β-chitină în chitosan cu deacetilare 83-94% la temperaturi de reacție reduse. Imaginea din stânga arată o imagine SEM de chitosan ultrasonically deacetylated (90 W, 15 min, 20 w / v% NaOH, 1:15 (g: mL) (imagine și studiu: © Zhu et al., 2018)
In their protocol, NaOH solution (20 w/v %) was prepared by dissolving NaOH flakes in DI water. The alkali solution was then added to GLSP sediment (0.5 g) at a solid-liquid ratio of 1:20 (g: mL) into a centrifuge tube. Chitosan was added to NaCl (40 mL, 0.2 M) and acetic acid (0.1 M) at a 1:1 solution volume ratio. The suspension was then subjected to ultrasound at a mild temperature of 25°C for 60 min using a probe-type ultrasonicator (250W, 20kHz). (cf Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) a constatat că rata de degradare pentru soluțiile de chitosan este rareori afectată de concentrațiile de acid utilizate pentru solubilizarea polimerului și depinde în mare măsură de temperatura, intensitatea undelor cu ultrasunete și rezistența ionică a mediilor utilizate pentru dizolvarea polimerului. (cf. Pandit et al., 2021)
 
In another study, Zhu et al. (2019) used Ganoderma lucidum spore powders as fungal raw material and investigated ultrasonically‐assisted deacetylation and the effects of processing parameters such as sonication time, solid‐to‐liquid ratio, NaOH concentration, and irradiation power on the degree of deacetylation (DD) of chitosan. The highest DD value was obtained at the following ultrasonic parameters: 20 min sonication at 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). The surface morphology, chemical groups, thermal stability, and crystallinity of the ultrasonically obtained chitosan were examined using the SEM, FTIR, TG, and XRD. The research team reports a significant enhancement of the degree of deacetylation (DD), dynamic viscosity ([η]) and molecular weight (Mv¯) of the ultrasonically produced chitosan. The results underlined the ultrasonic deacetylation technique of fungi a highly potent production method for chitosan, which is suitable for biomedical applications. (cf. Zhu et al., 2019)

Acest clip video arată extracția eficientă a compușilor bioactivi din ciuperci medicinale. Hielscher omogenizator cu ultrasunete UP400St este utilizat pe scară largă pentru a produce extracte de ciuperci de înaltă calitate.

Extracția cu ultrasunete a compușilor bioactivi din ciuperci medicinale

Miniatură video

Superior Chitosan Quality with Ultrasonic Depolymerization and Deacetylation

Procesele ultrasonically-conduse de extracție chitină / chitosan și depolimerizare sunt controlabile cu precizie și parametrii de proces cu ultrasunete pot fi ajustate la materiile prime și calitatea produsului final vizate (de exemplu, greutate moleculară, gradul de deacetilare). Acest lucru permite adaptarea procesului cu ultrasunete la factorii externi și stabilirea parametrilor optimi pentru un rezultat superior și eficiență.
Chitosan ultrasonically deacetylated prezinta biodisponibilitate excelenta si biocompatibilitate. Când biopolimerii de chitosan preparate ultrasonically sunt comparate cu chitosan derivat termic în ceea ce privește proprietățile biomedicale, chitosan produs cu ultrasunete prezintă semnificativ îmbunătățit fibroblast (celula L929) viabilitatea și activitatea antibacteriană îmbunătățită atât pentru Escherichia coli (E. coli) și Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cf. Zhu et al., 2018)
 

Deacetilation cu ultrasunete de chition la chitosan

Scanarea microscopie electronică (SEM) imagini într-o mărire de 100 × a) Gladius, b) cu ultrasunete-tratate Gladius, c) β-Chitin, d) cu ultrasunete tratate β-Chitin, și e) chitosan (Sursa: Preto et al. 2017)

High-Performance Ultrasonic Equipment for Chitin and Chitosan Processing

Ultrasonicator 4kW pentru prelucrarea chitină industrială / chitosan din crustacee și ciuperciThe fragmentation of chitin and the decetylation of chitin to chitosan requires powerful and reliable ultrasonic equipment that can deliver high amplitudes, offers precise controllability over the process parameters and can be operated 24/7 under heavy load and in demanding environments. Hielscher Ultrasonics product range fulfils these requirements reliably. Besides outstanding ultrasound performance, Hielscher ultrasonicators boast high energy efficiencies, which is a significant economical advantage – în special atunci când sunt utilizate în producția comercială la scară largă.
Hielscher ultrasonicators are high-performance systems that can be equipped with accessories such as sonotrodes, boosters, reactors or flow cells in order to match your process needs in an optimal manner.
With digital color display, the option to preset sonication runs, automatic data recording on an integrated SD card, remote browser control and many more features, highest process control and user-friendliness are ensured. Paired with robustness and heavy load-bearing capacity, Hielscher ultrasonic systems are your reliable work horse in production. 
Chitin fragmentation and deacetylation requires powerful ultrasound to obtain the targeted conversion and a final chitosan product of high-quality. Especially for the fragmentation of the chitin flakes and the depolymerization / deacetylation steps, high amplitudes and elevated pressures are crucial. Hielscher Ultrasonics industrial ultrasonic processors easily deliver very high amplitudes. Amplitudes of up to 200µm can be continuously run in 24/7 operation. For even higher amplitudes, customized ultrasonic sonotrodes are available. The power capacity of Hielscher ultrasonic systems allow for efficient and fast depolymerization and deacetylation in a safe and user-friendly process.
 

Cerere de informatie





Industrial ultrasonic tank reactor with high-performance ultrasonic probe (sonotrode) for chitin deacetylation

Reactor cu ultrasunete cu 2000W ultrasound probe UIP2000hdT for chitin extraction from mushrooms and subsequent depolymerization / deacetylation

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității de procesare aproximativă a ultrasonicators noastre:

volum lot Debit Aparate recomandate
1 la 500mL 10 până la 200 ml / min UP100H
10 la 2000ml 20 până la 400ml / min Uf200 ः t. UP400St
0.1 la 20L 0.2 4L / min UIP2000hdT
10 100L 2 până la 10L / min UIP4000hdT
N / A. 10 la 100L / min UIP16000
N / A. mai mare grup de UIP16000

Contacteaza-ne! / Intreaba-ne!

Cere mai multe informații

Vă rugăm să folosiți formularul de mai jos pentru a solicita informații suplimentare despre procesoare cu ultrasunete, aplicații și preț. Vom fi bucuroși să discutăm procesul cu tine și să vă oferim un sistem cu ultrasunete care îndeplinește cerințele dumneavoastră!









Vă rugăm să rețineți Politica de confidentialitate.




Synergistic Chitin Treatment Improved by Ultrasonication

In order to overcome the drawbacks (i.e., low efficiency, high energy cost, long processing time, toxic solvents) of traditional chemical and enzymatic chitin deacetlytion, high-intensity ultrasound has been integrated into chitin and chitosan processing. High intensity sonication and the resulting effects of acoustic cavitation lead to a rapid scission of polymer chains and reduce the polydispersity, thereby promoting the synthesis of chitosan. Furthermore, ultrasonic shear forces intensify mass transfer in the solution so that chemical, hydrolytic, or enzymatic reaction are enhanced. Ultrasonic chitin treatment can be combined with already existing chitin processing techniques such as chemical methods, hydrolysis or enzymatic procedures.

Ultrasonically-asistată chimice Deacetylation și Depolymerization

Deoarece chitina este un biopolimer non-reactiv și insolubil, acesta trebuie să treacă prin etapele procesului de demineralizare, deproteinizare și depolimerizare / deacetilare pentru a obține chitosan solubil și bioacesibil. Acești pași de proces implică tratamente cu acizi puternici, cum ar fi HCl și baze puternice, cum ar fi NaOH și KOH. Deoarece aceste etape de proces convenționale sunt ineficiente, lente, și necesită energii mari, intensificarea procesului prin sonicare îmbunătățește producția de chitosan în mod semnificativ. Aplicarea puterii cu ultrasunete crește randamentele și calitatea chitosanului, reduce procesul de la zile la câteva ore, permite solvenți mai blânzi și face întregul proces mai eficient din punct de vedere energetic.

Ultrasonically îmbunătățită Deproteinization de Chitina

Vallejo-Dominguez et al. (2021) found in their investigation of chitin deproteinization that theapplication of ultrasound for the production of biopolymers reduced the protein content as well as the particle size of chitin. Chitosan of high deacetylation degree and medium molecular weight was produced through ultrasound assistance.

Hidroliză cu ultrasunete pentru depolimerizarea chitinei

Pentru hidroliza chimică, fie acizii, fie alcaliile sunt utilizate pentru a deacetila chitina, cu toate acestea deacetilarea alcalină (de exemplu, hidroxidul de sodiu NaOH) este utilizată pe scară mai largă. Hidroliza acidă este o metodă alternativa la deacetilarea chimica traditionala, unde se folosesc solutii de acid organic pentru depolimerizarea chitinei si chitosanului. Metoda hidrolizei acide este utilizată în cea mai mare parte atunci când masa moleculară a chitinei și chitosanului trebuie să fie omogenă. Acest proces convențional de hidroliză este cunoscut sub numele de lent și intensiv din punct de vedere energetic și al costurilor. Necesarul de acizi puternici, temperaturile ridicate și presiunile sunt factori care transformă procesul hidrolitic de chitosan într-o procedură foarte costisitoare și consumatoare de timp. Acizii utilizați necesită procese în aval, cum ar fi neutralizarea și desaltarea.
Odată cu integrarea ultrasunetelor de mare putere în procesul de hidroliză, cerințele de temperatură și presiune pentru scindarea hidrolitică a chitinei și chitosanului pot fi reduse semnificativ. În plus, Sonicare permite concentrații mai mici de acid sau utilizarea de acizi mai blande. Acest lucru face ca procesul să fie mai durabil, mai eficient, mai eficient din punctul de vedere al costurilor și mai ecologic.

Ultrasonically-asistată chimice Deacetylation

Dezintegrarea chimică și deacteilarea chitinei și chitosanului se realizează în principal prin tratarea chitinei sau chitosanului cu acizi minerali (de exemplu, acid clorhidric HCl), nitrit de sodiu (NaNO2), sau peroxid de hidrogen (H2O2). Ecografia îmbunătățește rata de deacetilare, scurtând astfel timpul de reacție necesar pentru a obține gradul țintă de deacetilare. Acest lucru înseamnă sonicare reduce timpul necesar de procesare de 12-24 ore la câteva ore. În plus, sonicare permite concentrații chimice semnificativ mai mici, de exemplu 40% (w / g) hidroxid de sodiu folosind sonicare în timp ce 65% (w / w) sunt necesare fără utilizarea ultrasunetelor.

Deacetilarea cu ultrasunete-enzimatică

În timp ce deacetilarea enzimatică este o formă de prelucrare ușoară, benignă din punct de vedere ecologic, eficiența și costurile sale sunt neeconomice. Datorită izolării și purificării complexe, intense a forței de muncă și costisitoare în aval a enzimelor din produsul final, deacetilarea enzimatică a chitinei nu este implementată în producția comercială, ci este utilizată numai în laboratorul de cercetare științifică.
Pre-tratament cu ultrasunete înainte de fragmente de deceletare enzimatică molecule de chitină, lărgind astfel suprafața și făcând mai multă suprafață disponibilă pentru enzime. Sonicare de înaltă performanță ajută la îmbunătățirea deacetilării enzimatice și face procesul mai economic.

Omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă forfecare sunt utilizate în laborator, banc-top, pilot și prelucrare industrială.

Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru amestecarea aplicațiilor, dispersie, emulsificare și extracție pe scară de laborator, pilot și industrial.

Literatură / Referințe

 
 
 

Ce trebuie să știți

Cum funcționează extracția cu ultrasunete și deacetilarea chitinei?

When power ultrasound waves are couples into a liquid or slurry (e.g., a suspension consisting of chitin in a solvent), the ultrasonic waves travel through the liquid causing alternating high-pressure / low-pressure cycles. During low-pressure cycles, minute vacuum bubbles (so-called cavitation bubbles) are created, which grow over several pressure cycles. At a certain size, when the bubbles cannot absorb more energy, they implode violently during a high-pressure cycle. The bubble implosion is characterised by intense cavitational (so-called sonomechanical) forces. These sonomechanical conditions occur locally in the cavitational hot-spot and are characterized by very high temperatures and pressures of up to 4000K and 1000atm, respectively; as well as corresponding high temperature and pressure differentials. Furtehrmore, micro-turbulences and liquid streams with velocities of up to 100m/s are generated. Ultrasonic extraction of chitin and chitosan from fungi and crustaceans as well as chitin depolymerization and deacetylation are mainly caused by sonomechanical effects: the agitation and turbulences disrupt cells and promote mass transfer and can also cut polymer chains in combination with acidic or alkaline solvents.

Working Principle of Chitin Extraction via Ultrasonication

Extracția cu ultrasunete rupe eficient structura celulară a ciupercilor și eliberează compușii intracelulari din peretele celular și interiorul celular (adică polizaharide, cum ar fi chitina și chitosanul și alte fitochimicale bioactive) în solvent. Extracția cu ultrasunete se bazează pe principiul de lucru al cavitației acustice. Efectele cavitației cu ultrasunete / acustice sunt forțe de forfecare ridicate, turbulențe și diferențiale de presiune intensă. Aceste forțe sonomecanice sparg structurile celulare, cum ar fi pereții celulelor de ciuperci chitinoase, promovează transferul de masă între biomaterialul ciupercilor și solventul și duc la randamente foarte mari ale extractului într-un proces rapid. În plus, Sonicare promovează sterilizarea extractelor prin uciderea bacteriilor și microbilor. Inactivarea microbiană prin sonicare este un rezultat al forțelor cavitaționale distructive la membrana celulară, producția de radicali liberi, și încălzirea localizată.

Working Principle of Depolymerization and Deacetylation via Ultrasonication

The polymer chains are caught in the ultrasonically generated shear field around a cavitation bubble and the chain segments of the polymer coil near a collapsing cavity will move at a higher velocity than those further away. Stresses are then produced on the polymer chain due to the relative motion of the polymer segments and solvents and these are sufficient to cause cleavage. The process is thus similar to other shearing effects in polymer solutions ~2° and gives very similar results. (cf. Price et al., 1994)

chitină

Chitin is an N-acetylglucosamine polymer (poly-(β-(1–4)-N-acetyl-D-glucosamine), is a naturally occurring polysaccharide widely found in the exoskeleton of invertebrates such as crustacean and insects, the inner skeleton of squid and cuttlefish as well as the cell walls of fungi. Embedded into the structure of mushroom cell walls, chitin is responsible for the shape and rigidity of the fungal cell wall. For many applications, chitin is converted to its deacetylated derivative, known as chitosan via a depolymerization process.
Chitosan este cel mai comun și cel mai valoros derivat al chitinei. Este o polizaharidă cu greutate moleculară mare legată de glicozida b-1,4, compusă din N-acetil-glucozamină și glucozamină.
Chitosan poate fi derivat prin chimice sau enzimatice N-deacetilarea. În procesul de deacetilare condus chimic, grupul acetil (R-NHCOCH3) is cleaved off by strong alkali at high temperatures. Alternatively, chitosan can be synthesized via enzymatic deacetylation. However, on industrial production scale chemical deacetylation is the preferred technique, since enzymatic deacetylation is significantly less efficient due to the high cost of the deacetylase enzymes and the low chitosan yields obtained. Ultrasonication is used to intensify the chemical degradation of the (1→4)-/β-linkage (depolymerization) and effect the deacetylation of chitin to obtain high-quality chitosan.
Când sonicare este aplicat ca pre-tratament pentru deacetilarea enzimatică, randamentul chitosan și calitatea este îmbunătățită, de asemenea.


Ultrasunete de înaltă performanță! Gama de produse Hielscher acoperă întregul spectru de la ultrasonicator de laborator compact peste unități de banc-top la sisteme cu ultrasunete complet industriale.

Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la laborator la dimensiunea industrială.


Vom fi bucuroși să discutăm despre procesul dvs.

Să intrăm în contact.