Ултразвучна деацетилација хитина у хитозан
Ултразвучна производња хитозана
Хитозан се добија Н-деацетилацијом хитина. У конвенционалној деацетилацији, хитин је натопљен у воденим алкалним растварачима (обично 40 до 50% (в/в) НаОХ). Процес намакања захтева високе температуре од 100 до 120ºЦ је веома дуготрајан, док је принос хитозана добијен по кораку намакања низак. Примена ултразвука велике снаге значајно интензивира процес деацетилације хитина и резултира високим приносом хитозана ниске молекуларне тежине у брзом третману на нижим температурама. Ултразвучна деацетилација резултира хитозаном врхунског квалитета који се користи као прехрамбени и фармацеутски састојак, као ђубриво и у многим другим индустријским апликацијама.
Ултразвучни третман доводи до изузетног степена ацетилације (ДА) хитина, снижавајући степен ацетилације хитина са ДА≥90 на хитозан са ДА≤10.
Многа истраживања потврђују ефикасност ултразвучне деацетилације хитина у хитозан. Веисс Ј. ет ал. (2008) открили су да соникација драстично побољшава конверзију хитина у хитозан. Ултразвучни третман хитина долази са значајним уштедама времена смањујући потребно време процеса са 12-24 сата на неколико сати. Штавише, потребно је мање растварача да би се постигла потпуна конверзија, што смањује утицај на животну средину због потребе за одлагањем и одлагањем истрошеног или неизреагованог растварача, односно концентрованог НаОХ.
Деацетилација хитина у хитозан се промовише ултразвуком
УИП4000хдТ – Ултразвучни систем снаге 4кВ
Принцип рада ултразвучног третмана хитозаном
Ултразвук велике снаге, ниске фреквенције (∼20-26кХз) ствара акустичну кавитацију у течностима и кашама. Ултразвук велике снаге промовише конверзију хитина у хитозан док се растварач (нпр. НаОХ) фрагментира и продире у чврсте честице хитина, чиме се повећава површина и побољшава пренос масе између чврсте и течне фазе. Штавише, велике силе смицања ултразвучне кавитације стварају слободне радикале који повећавају реактивност реагенса (тј. НаОХ) током хидролизе. Као техника нетермалне обраде, соникација спречава термичку деградацију дајући висококвалитетни хитозан. Ултразвук скраћује време обраде потребно за екстракцију хитина из ракова, као и добијање хитина (а самим тим и хитозана) веће чистоће у поређењу са традиционалним условима обраде. За производњу хитина и хитозана, ултразвук стога има потенцијал да снизи трошкове производње, скрати време обраде, омогући бољу контролу производног процеса и смањи утицај процесног отпада на животну средину.
- Већи принос хитозана
- Врхунског квалитета
- Редуцед Тиме
- Нижа температура процеса
- Повећана ефикасност
- Лако & безбедан рад
- еколошки
Ултразвучна децитилација хитина у хитозан – протокола
1) Припремите хитин:
Користећи љуске ракова као изворни материјал, љуске ракова треба темељно опрати како би се уклониле све растворљиве органске материје и приањајуће нечистоће, укључујући земљу и протеине. Након тога, материјал љуске мора бити потпуно осушен (нпр. на 60ºЦ 24х у рерни). Осушене љуске се затим мељу (нпр. коришћењем млина са чекићем), депротеинизују у алкалном медијуму (нпр. НаОХ у концентрацији од 0,125 до 5,0 М) и деминерализују у киселини (нпр. разблажена хлороводонична киселина).
2) Ултразвучна деацетилација
Да би се покренула типична ултразвучна реакција деацетилације, честице бета-хитина (0,125 мм < Д < 0.250 мм) су суспендовани у 40% (в/в) воденом раствору НаОХ у односу бета-хитин/НаОХ водени раствор од 1/10 (г мЛ).-1), суспензија се преноси у стаклену чашу са двоструким зидовима и обрађује ултразвуком помоћу Хиелсцхер-а УП400Ст ултразвучни хомогенизатор. Следећи параметри (упореди Фиаминго ет ал. 2016) се одржавају константним када се спроводи ултразвучна реакција деацетилације хитина: (и) ултразвучна сонда (сонотроде Хиелсцхер С24д22Д, пречник врха = 22 мм); (ии) пулсни режим соникације (ИП = 0,5 сец); (иии) ултразвучни површински интензитет
(И = 52,6 В цм-2), (ив) температура реакције (60ºЦ ±1ºЦ), (в) време реакције (50 мин), (ви) однос маса бета-хитина/запремина 40% (в/в) водени раствор натријум хидроксида (БЦХт/НаОХ = 1?10 г мл-1); (вии) запремину суспензије бета-хитина (50 мЛ).
Прва реакција се одвија 50 мин уз стално магнетно мешање, а затим се прекида брзим хлађењем суспензије на 0ºЦ. Након тога се додаје разблажена хлороводонична киселина да би се постигао пХ 8,5 и узорак ЦХс1 је изолован филтрацијом, опсежно испран дејонизованом водом и осушен у амбијенталним условима. Када се иста ултразвучна деацетилација понови као други корак до ЦХс1, производи се узорак ЦХс2.
Слике скенирајуће електронске микроскопије (СЕМ) у увећању од 100× а) гладијуса, б) гладијуса третираног ултразвуком, ц) β-хитина, д) β-хитина третираног ултразвуком и е) хитозана (извор: Прето ет ал. 2017)
Фиаминго и др. открили су да ултразвучна деацетилација бета-хитина ефикасно производи хитозан високе молекуларне тежине са ниским степеном ацетилације, ни уз употребу адитива, ни инертне атмосфере нити дугог времена реакције. Иако се ултразвучна реакција деацетилације одвија у блажим условима – односно ниска температура реакције у поређењу са већином термохемијских деацетилација. Ултразвучна деацетилација бета-хитина омогућава припрему насумично деацетилисаног хитозана који поседује променљив степен ацетилације (4% ≤ ДА ≤ 37%), високу просечну молекулску тежину (900.000 г мол-1 ≤ Мв ≤ 1.200.000 г мол-1 ) и ниске дисперзности (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) извођењем три узастопне реакције (50 мин/корак) на 60ºЦ.
Ултразвучни процесори велике снаге од лабораторијских до пилотских и индустријских размера.
Ултразвучни системи високих перформанси за производњу хитозана
Фрагментација хитина и децетилација хитина у хитозан захтева моћну и поуздану ултразвучну опрему која може да испоручи високе амплитуде, нуди прецизну контролу над параметрима процеса и може да ради 24/7 под великим оптерећењем и у захтевним окружењима. Хиелсцхер Ултрасоницс асортиман производа покрива вас и ваше захтеве процеса. Хиелсцхер ултрасоникатори су системи високих перформанси који могу бити опремљени додацима као што су сонотроде, појачивачи, реактори или проточне ћелије како би на оптималан начин одговарали вашим потребама процеса.
Са дигиталним дисплејом у боји, обезбеђена је опција за унапред подешена соникација, аутоматско снимање података на интегрисану СД картицу, даљинска контрола претраживача и многе друге функције, највећа контрола процеса и једноставност за корисника. Упарени са робусношћу и великим капацитетом носивости, Хиелсцхер ултразвучни системи су ваш поуздан радни коњ у производњи.
Фрагментација и деацетилација хитина захтева снажан ултразвук да би се добила циљана конверзија и финални хитозан производ високог квалитета. Посебно за фрагментацију хитинских љуспица, велике амплитуде и повишени притисци су кључни. Хиелсцхер Ултрасоницс’ индустријски ултразвучни процесори лако испоручују веома високе амплитуде. Амплитуде до 200 µм могу се континуирано покретати у раду 24/7. За још веће амплитуде, доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде. Капацитет снаге Хиелсцхер ултразвучних система омогућава ефикасну и брзу деацетилацију у безбедном и кориснику прилагођеном процесу.
Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата:
| Батцх Волуме | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | УП100Х |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20Л | 0.2 до 4Л/мин | УИП2000хдТ |
| 10 до 100 л | 2 до 10 л/мин | УИП4000хдТ |
| на | 10 до 100 л/мин | УИП16000 |
| на | већи | кластер оф УИП16000 |
Контактирајте нас!? Питајте нас!
Литература/Референце
- Бутнару Е., Столеру Е., Бребу МА, Дарие-Нита РН, Барган А., Василе Ц. (2019): Бионанокомпозитни филмови на бази хитозана припремљени техником емулзије за очување хране. Грађа 2019, 12(3), 373.
- Фиаминго А., де Моура Делезук ЈА, Тромботто Ст. Давид Л., Цампана-Филхо СП (2016): Екстензивно деацетиловани хитозан високе молекулске тежине из вишестепене ултразвучне деацетилације бета-хитина. Ултрасоницс Соноцхемистри 32, 2016. 79–85.
- Кјартанссон, Г., Ву, Т., Живановић, С., Веисс, Ј. (2008): Сонохемијски потпомогнута конверзија хитина у хитосан, састанак главних истраживача Националне истраживачке иницијативе УСДА, Њу Орлеанс, ЛА, 28. јун.
- Кјартанссон, Г., Кристбергссон, К. Живановић, С., Веисс, Ј. (2008): Утицај температуре током деацетилације хитина у хитозан ултразвуком високог интензитета као предтретман, Годишњи састанак Института за прехрамбене технологе , Нев Орлеанс, ЛА, 30. јун, 95-18.
- Кјартансон, Г., Кристбергссон, К., Живановић, С., Веисс, Ј. (2008): Утицај ултразвука високог интензитета на убрзање конверзије хитина у хитозан, Годишњи састанак Института прехрамбених технолога, Њу Орлеанс, ЛА, 30. јун, 95-17.
- Прето МФ, Цампана-Филхо СП, Фиаминго А., Цосентино ИЦ, Тессари-Зампиери МЦ, Абесса ДМС, Ромеро АФ, Бордон ИЦ (2017): Гладиус и његови деривати као потенцијални биосорбенти за бродско дизел уље. Наука о животној средини и истраживање загађења (2017) 24:22932–22939.
- Вијесена РН, Тиссера Н., Каннангара ИИ, Лин И., Амаратунга ГАЈ, де Силва КМН (2015): Метода за припрему наночестица и нановлакна хитозана одозго према доле. Полимери угљених хидрата 117, 2015. 731–738.
- Ву, Т., Живановић, С., Хаиес, ДГ, Веисс, Ј. (2008). Ефикасно смањење молекулске тежине хитозана ултразвуком високог интензитета: основни механизам и ефекат параметара обраде. Јоурнал оф Агрицултурал анд Фоод Цхемистри 56(13):5112-5119.
- Иадав М.; Госвами П.; Паритосх К.; Кумар М.; Пареек Н.; Вивекананд В. (2019): Отпад од морских плодова: извор за припрему комерцијално употребљивих хитин/хитозана материјала. Биоресурси и биообрада 6/8, 2019.
Чињенице које вреди знати
Како функционише ултразвучна деактилација хитина?
When high-power, low-frequency ultrasound (e.g., 20-26kHz) is coupled into a liquid or slurry, alternating high-pressure? low-pressure cycles are applied to the liquid creating compression and rarefaction. During these alternating high-pressure? low-pressure cycles, small vacuum bubbles are generated, which grow over several pressure cycles. At the point, when the vacuum bubbles cannot absorb more energy, they collaps violently. During this bubble implosion, locally very intense conditions occur: high temperatures of up to 5000K, pressures of up to 2000atm, very high heating/cooling rates and pressure differentials occur. Since the bubble collapse dynamics are faster than mass and heat transfer, the energy in the collapsing cavity is confined to a very small zone, also called “жариште”. The implosion of the cavitation bubble also results in microturbulences, liquid jets of up to 280m/s velocity and resulting shear forces. This phenomenon is known as ultrasonic or acoustic cavitation.
Капљице и честице у соницираној течности ометају те кавитационе силе и када се убрзане честице сударе једна са другом, разбијају се сударом између честица. Акустична кавитација је принцип рада ултразвучног млевења, дисперговања, емулговања и сонохемије.
За деацетилацију хитина, ултразвук високог интензитета повећава површину тако што активира површину и промовише пренос масе између честица и реагенса.
хитозан
Хитозан је модификован, катјонски, нетоксични полимер угљених хидрата са сложеном хемијском структуром формираном од β-(1,4) глукозаминских јединица као његове главне компоненте (>80%) и јединице Н-ацетил глукозамина (<20%), насумично распоређених дуж ланца. Хитозан се добија из хитина хемијском или ензимском деацетилацијом. Степен деацетилације (ДА) одређује садржај слободних амино група у структури и користи се за разликовање хитина и хитозана. Хитозан показује добру растворљивост у умереним растварачима као што је разблажена сирћетна киселина и нуди неколико слободних аминских група као активна места. Ово чини хитозан бољим од хитина у многим хемијским реакцијама.
Хитозан је цењен због своје одличне биокомпатибилности и биоразградљивости, нетоксичности, добре антимикробне активности (против бактерија и гљивица), непропусности кисеоника и својстава стварања филма. За разлику од хитина, хитозан има предност што је растворљив у води и самим тим лакши за руковање и употребу у формулацијама.
Као други најзаступљенији полисахарид после целулозе, огромна количина хитина чини га јефтином и одрживом сировином.
Цхитосан Продуцтион
Хитозан се производи у два корака. У првом кораку, сировина, као што су шкољке ракова (тј. шкампи, ракови, јастози), се депротеинизује, деминерализује и пречишћава да би се добио хитин. У другом кораку, хитин се третира са јаком базом (нпр. НаОХ) да би се уклонили ацетилни бочни ланци како би се добио хитозан. Познато је да је процес конвенционалне производње хитозана веома дуготрајан и интензиван.
хитин
Хитин (Ц8Х13О5Н)Н је праволанчани полимер β-1,4-Н-ацетилглукозамина и класификован је у α-, β- и γ-хитин. Као дериват глукозе, хитин је главна компонента егзоскелета зглавкара, као што су ракови и инсекти, радуле мекушаца, кљунови главоножаца и крљушти риба и лисамфибија, а може се наћи иу ћелијским зидовима гљива. Структура хитина је упоредива са целулозом, формирајући кристалне нанофибриле или бркове. Целулоза је најзаступљенији полисахарид на свету, а затим хитин као други најзаступљенији полисахарид.
глукозамин
Глукозамин (Ц6Х13НЕ5) је амино шећер и важан прекурсор у биохемијској синтези гликозилованих протеина и липида. Глукозамин је природно богато једињење које је део структуре и полисахарида, хитозана и хитина, што глукозамин чини једним од најзаступљенијих моносахарида. Већина комерцијално доступног глукозамина се производи хидролизом егзоскелета ракова, односно шкољки ракова и јастога.
Глукозамин се углавном користи као додатак исхрани где се користи у облицима глукозамин сулфата, глукозамин хидрохлорида или Н-ацетил глукозамина. Суплементи глукозамин сулфата се дају орално за лечење болног стања узрокованог упалом, распадом и евентуалним губитком хрскавице (остеоартритис).