Ultraljud är en mycket effektiv metod för att frigöra chitin och chitosan från svampkällor som svampar. Chitin och chitosan måste avacetyleras vid bearbetning av nedströms för att få en biopolymer av hög kvalitet. Ultraljud-assisterad deacetylation är en mycket effektiv, enkel och snabb teknik, vilket resulterar i högkvalitativa chitosans med hög molekylvikt och överlägsen biotillgänglighet.

Svamp-härledd Chitin och Chitosan via ultraljud

Ätliga och medicinska svampar som Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi eller reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (knappsvamp), Hericium erinaceus (lejonman), Cordyceps sinensis (larvsvamp), Grifola frondosa (trähöna), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, turkeytail) och många andra svamparter används ofta som mat och för utvinning av bioaktiva föreningar. Dessa svampar, liksom bearbetningsrester (svampavfall), kan användas för att producera kitosan. Ultraljud främjar inte bara frisättningen av kitin från svampcellväggstrukturen, men driver också omvandlingen av kitin till värdefull kitosan via ultraljud-assisterad depolymerisation och deacetylation.

 

Intensiv ultraljud med hjälp av en sond-typ ultraljud system är en teknik som används för att främja depolymerisation och deacetylering av kitin, vilket leder till bildandet av kitosan. Chitin är en naturligt förekommande polysackarid som finns i exoskelett av kräftdjur, insekter och cellväggarna hos vissa svampar. Chitosan härrör från kitin genom att avlägsna acetylgrupperna från kitinmolekylen.

Ultraljud förfarande för svamp Chitin till Chitosan konvertering

När intensiv ultraljud tillämpas för produktion av kitosan från kitin, en kitin suspension är sonicated med hög intensitet, lågfrekventa ultraljud vågor, vanligtvis i intervallet 20 kHz till 30 kHz. Processen genererar intensiv akustisk kavitation, som hänvisar till bildning, tillväxt och kollaps av mikroskopiska vakuumbubblor i vätskan. Kavitation genererar lokaliserade extremt höga skjuvkrafter, höga temperaturer (upp till flera tusen grader Celsius) och tryck (upp till flera hundra atmosfärer) i vätskan som omger kavitationsbubblorna. Dessa extrema förhållanden bidrar till nedbrytningen av kitinpolymeren och den efterföljande deacetyleringen.
 

 

Ultraljud depolymerisation av kitin

Depolymerisationen av kitin sker genom de kombinerade effekterna av mekaniska krafter, såsom mikroströmning och vätskesprutning, liksom genom ultraljud initierade kemiska reaktioner inducerade av fria radikaler och andra reaktiva arter bildade under kavitation. Högtrycksvågorna som genereras under kavitation orsakar kitinkedjorna att genomgå skjuvspänning, vilket resulterar i att polymeren delas upp i mindre fragment.

Ultraljud deacetylation av Chitin

Förutom depolymerisering främjar intensiv ultraljud också deacetylering av kitin. Deacetylering innebär avlägsnande av acetylgrupper från kitinmolekylen, vilket leder till bildandet av kitosan. Intensiv ultraljud energi, särskilt de höga temperaturer och tryck som genereras under kavitation, påskynda deacetylation reaktion. De reaktiva förhållanden som skapas av kavitation hjälper till att bryta acetylbindningarna i kitin, vilket resulterar i frisättning av ättiksyra och omvandling av kitin till kitosan.
Övergripande, intensiv ultraljud förbättrar både depolymerisation och deacetylation processer genom att tillhandahålla den nödvändiga mekaniska och kemiska energi för att bryta ner kitin polymer och underlätta omvandlingen till kitosan. Denna teknik erbjuder en snabb och effektiv metod för produktion av kitosan från kitin, med många tillämpningar inom olika branscher, inklusive läkemedel, jordbruk och biomedicinsk teknik.

Industriell kitosanproduktion från svamp med Power Ultraljud

Kommersiell kirtin- och chitosanproduktion baseras huvudsakligen på avfall från den marina industrin (dvs. fiske, skaldjursskörd osv.). Olika råvarukällor resulterar i olika chitin- och chitosankvaliteter, vilket beror på produktion och kvalitetsfluktuationer på grund av säsongsbetonade fiskevariationer. Dessutom erbjuder chitosan som härrör från svampkällor enligt uppgift överlägsna egenskaper som homogen polymerlängd och större löslighet jämfört med chitosan från marina källor. (jfr Ghormade m.fl., 2017) För att leverera enhetlig chitosan har utvinning av kitin från svamparter blivit en stabil alternativ produktion. Chitin och citiosan produktion från svampar kan enkelt och pålitligt uppnås med hjälp av ultraljud extraktion och deacetylation teknik. Intensiv ultraljudsbehandling stör cell strukturer att frigöra kitin och främjar mass överföring i vattenhaltiga lösningsmedel för överlägsen chitin avkastning och extraktion effektivitet. Efterföljande ultraljud deacetylation omvandlar chitin till den värdefulla chitosan. Båda, ultraljud chitin extraktion och deacetylation till chitosan kan skalas linjärt till någon kommersiell produktionsnivå.

Forskningsresultat för ultraljud chitin och chitosan deacetylation

(2018) drar i sin studie slutsatsen att ultraljud deacetylation har visat sig vara ett avgörande genombrott, omvandla β-chitin till chitosan med 83-94% deacetylation vid minskade reaktionstemperaturer. Bilden till vänster visar en SEM-bild av ultraljud deacetylated chitosan (90 W, 15 min, 20 w /v% NaOH, 1:15 (g: mL) (bild och studie: © Zhu et al., 2018)
I deras protokoll framställdes NaOH-lösning (20 w/v%) genom upplösning av NaOH-flingor i DI-vatten. Alkalilösningen tillsattes sedan till GLSP-sediment (0,5 g) vid ett fast-vätskeförhållande av 1:20 (g: ml) i ett centrifugrör. Chitosan tillsattes till NaCl (40 ml, 0,2 M) och ättiksyra (0,1 M) vid ett lösningsvolymförhållande på 1: 1. Suspensionen utsattes sedan för ultraljud vid en mild temperatur på 25 ° C i 60 minuter med hjälp av en sond-typ ultrasonicator (250W, 20kHz). (jfr Zhu et al., 2018)
 
(2021) fann att nedbrytningshastigheten för chitosanlösningar sällan påverkas av koncentrationerna av syra som används för att solubilisera polymeren och beror till stor del på temperaturen, intensiteten hos ultraljudsvågor och jonstyrka hos de medier som används för att lösa upp polymeren. (jfr. Pandit et al., 2021)
 
(2019) använde Ganoderma lucidum sporpulver som svampråvara och undersökte ultraljud-assisterad deacetylering och effekterna av bearbetningsparametrar såsom ultraljudsbehandling tid, fast-till-vätska förhållande, NaOH koncentration, och bestrålning effekt på graden av deacetylation (DD) av kitosan. Det högsta DD-värdet erhölls vid följande ultraljudsparametrar: 20 min ultraljudsbehandling vid 80W, 10% (g: ml) NaOH, 1:25 (g: ml). Ytmorfologin, kemiska grupper, termisk stabilitet och kristallinitet hos ultraljud erhållen chitosan undersöktes med användning av SEM, FTIR, TG och XRD. Forskargruppen rapporterar en signifikant förbättring av graden av deacetylering (DD), dynamisk viskositet ([η]) och molekylvikt (Mv ̄) av ultraljud producerade kitosan. Resultaten underströk ultraljudsdeacetyleringstekniken för svampar, en mycket potent produktionsmetod för kitosan, som är lämplig för biomedicinska tillämpningar. (jfr Zhu et al., 2019)

Överlägsen Chitosan kvalitet med ultraljud depolymerisation och deacetylation

Ultraljudsdrivna processer av chitin / chitosan extraktion och depolymerisering är exakt kontrollerbara och ultraljud processparametrar kan justeras till råvarorna och den riktade slutproduktkvaliteten (t.ex. molekylvikt, grad av deacetylation). Detta gör det möjligt att anpassa ultraljudsprocessen till externa faktorer och ställa in optimala parametrar för överlägset resultat och effektivitet.
Ultraljud deacetylated chitosan visar utmärkt biotillgänglighet och biokompatibilitet. När ultraljud beredda chitosan biopolymerer jämförs med termiskt härledda chitosan när det gäller biomedicinska egenskaper, den ultraljudsproducerade chitosan uppvisar avsevärt förbättrad fibroblast (L929 cell) livskraft och förbättrad antibakteriell aktivitet för både Escherichia coli (E. coli) och Staphylococcus aureus (S. aureus).
(jfr Zhu et al., 2018)
 

Högpresterande ultraljudsutrustning för Chitin och Chitosan bearbetning

Fragmenteringen av kitin och decetylering av kitin till kitosan kräver kraftfull och pålitlig ultraljudsutrustning som kan leverera höga amplituder, erbjuder exakt kontrollerbarhet över processparametrarna och kan användas 24/7 under tung belastning och i krävande miljöer. Hielscher Ultrasonics produktsortiment uppfyller dessa krav på ett tillförlitligt sätt. Förutom enastående ultraljud prestanda, Hielscher ultrasonicators skryta hög energi effektivitet, vilket är en betydande ekonomisk fördel – särskilt när de används i kommersiell storskalig produktion.
Hielscher ultrasonicators är högpresterande system som kan utrustas med tillbehör som sonotrodes, boosters, reaktorer eller flödesceller för att matcha dina processbehov på ett optimalt sätt. Med digital färgdisplay, möjlighet att förinställa ultraljudsbehandling körningar, automatisk datainspelning på ett integrerat SD-kort, fjärrkontroll webbläsare kontroll och många fler funktioner, högsta processkontroll och användarvänlighet säkerställs. Parat med robusthet och tung bärförmåga är Hielscher ultraljudssystem din pålitliga arbetshäst i produktionen. 
Chitinfragmentering och deacetylering kräver kraftfull ultraljud för att erhålla den riktade omvandlingen och en slutlig kitosanprodukt av hög kvalitet. Speciellt för fragmenteringen av kitinflingorna och depolymerisations- / deacetyleringsstegen är höga amplituder och förhöjda tryck avgörande. Hielscher Ultrasonics industriella ultraljud processorer levererar enkelt mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder, anpassade ultraljud sonotrodes finns tillgängliga. Kraftkapaciteten hos Hielscher ultraljudssystem möjliggör effektiv och snabb depolymerisation och deacetylering i en säker och användarvänlig process.
 

Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera:

---

---

Synergistisk Chitin behandling förbättras av ultraljud

För att övervinna nackdelarna (dvs. låg effektivitet, hög energikostnad, lång bearbetningstid, giftiga lösningsmedel) av traditionell kemisk och enzymatisk kitindiaktion har högintensiv ultraljud integrerats i kitin- och kitosanbehandling. Högintensiv ultraljudsbehandling och de resulterande effekterna av akustisk kavitation leder till en snabb uppdelning av polymerkedjor och minskar polydispersiteten, vilket främjar syntesen av kitosan. Dessutom intensifierar ultraljudsskjuvkrafter massöverföringen i lösningen så att kemisk, hydrolytisk eller enzymatisk reaktion förbättras. Ultraljud kitin behandling kan kombineras med redan befintliga chitin bearbetningstekniker såsom kemiska metoder, hydrolys eller enzymatiska förfaranden.

Ultraljudsassisterad kemisk deacetylering och depolymerisering

Eftersom chitin är en icke-reaktiv och olöslig biopolymer, måste den genomgå processstegen för demineralisering, deproteinisering och depolymerisering / deacetylation för att få löslig och bioacessible chitosan. Dessa processteg innebär behandlingar med starka syror som HCl och starka baser som NaOH och KOH. Eftersom dessa konventionella process steg är ineffektiva, långsam och kräver höga energier, process intensifiering genom ultraljudsbehandling förbättrar chitosan produktion avsevärt. Tillämpningen av effekt-ultraljud ökar chitosanutbyten och kvalitet, minskar processen från dagar till några timmar, möjliggör mildare lösningsmedel och gör hela processen mer energieffektiv.

Ultraljud förbättrad deproteinisering av chitin

Vallejo-Dominguez et al. (2021) fann i sin undersökning av kitindeproteinisering att “Applicering av ultraljud för produktion av biopolymerer minskade proteininnehållet såväl som partikelstorleken hos kitin. Chitosan med hög deacetyleringsgrad och medelmolekylvikt producerades genom ultraljudshjälp.”

Ultraljud Hydrolys för Chitin Depolymerization

För kemisk hydrolys används antingen syror eller alkalier för att avacetylat chitin, men alkaliavacetylering (t.ex. natriumhydroxid NaOH) används i större utsträckning. Syrahydrolys är en alternativmetod för traditionell kemisk deacetylering, där organiska syralösningar används för att avpolymerisera chitin och chitosan. Metoden för syrahydrolys används främst när molekylvikten för chitin och chitosan måste vara homogen. Denna konventionella hydrolysprocess kallas långsam och energi- och kostnadsintensiv. Kravet på starka syror, höga temperaturer och tryck är faktorer som förvandlar den hydrolytiska chitosprocessen till ett mycket dyrt och tidskrävande förfarande. De syror som används kräver nedströmsprocesser som neutralisering och avsaltning.
Med integrationen av högeffekt ultraljud i hydrolysprocessen kan temperatur- och tryckkraven för den hydrolytiska klyvningen av chitin och chitosan sänkas avsevärt. Dessutom möjliggör ultraljudsbehandling lägre syrakoncentrationer eller användning av mildare syror. Detta gör processen mer hållbar, effektiv, kostnadseffektiv och miljövänligare.

Ultraljudsassisterad kemisk deacetylering

Kemisk upplösning och deacteylation av chitin och chitosan uppnås främst genom behandling av chitin eller chitosan med mineralsyror (t.ex. saltsyra HCl), natriumnitrit (NaNO₂), eller väteperoxid (H₂den₂). Ultraljud förbättrar deacetylationshastigheten och förkortar därmed den reaktionstid som krävs för att erhålla den riktade graden av deacetylation. Detta innebär ultraljudsbehandling minskar den erforderliga behandlingstiden på 12-24 timmar till några timmar. Dessutom möjliggör ultraljudsbehandling betydligt lägre kemiska koncentrationer, till exempel 40% (w/w) natriumhydroxid med ultraljudsbehandling medan 65% (w/w) krävs utan användning av ultraljud.

Ultraljud-enzymatisk deacetylering

Medan enzymatisk deacetylering är en mild, miljövänlig bearbetningsform, är dess effektivitet och kostnader oekonomiska. På grund av komplex, arbetsintensiv och dyr nedströms isolering och rening av enzymer från slutprodukten, genomförs enzymatisk chitindeacetylering inte i kommersiell produktion, utan används endast i vetenskapligt forskningslabb.
Ultraljud förbehandling före enzymatiska deacetlytation fragment chitin molekyler därmed utvidga ytan och göra mer yta tillgänglig för enzymerna. Högpresterande ultraljudsbehandling bidrar till att förbättra enzymatiska deacetylation och gör processen mer ekonomisk.