Ultraljud deacetylation av chitinen till Chitosan
Ultraljud Chitosan produktion
Chitosan erhålls genom N-deacetyleringen av Chitin. I konventionell deacetylering, är kitin indränkt i vattenhaltiga alkaliska lösningsmedel (typiskt 40 till 50% (w/w) NaOH). Blötläggnings processen kräver höga temperaturer på 100 till 120 º C är mycket tidskrävande, medan avkastningen av Chitosan erhålls per blötläggning steg är låg. Tillämpningen av hög effekt Ultrasonics intensifierar deacetylering processen av chitinen avsevärt och resulterar i en hög avkastning på låg molekylvikt Chitosan i en snabb behandling vid lägre temperatur. Ultraljud deacetylation resulterar i överlägsen kvalitet Chitosan som används som livsmedel och Pharma ingrediens, som gödningsmedel och i många andra industriella tillämpningar.
Ultraljuds behandling resulterar i en exceptionell grad av acetylering (DA) av chitinen sänka graden av acetylering Chitinen från DA ≥ 90 till Chitosan med DA ≤ 10.
Många forskningsstudier bekräftar effektiviteten av ultraljud Chitinen deacetylering till Chitosan. Weiss J. et al. (2008) fann att ultraljudsbehandling förbättrar omvandlingen av chitinen till Chitosan drastiskt. Ultraljuds behandling av chitinen kommer med betydande tidsbesparingar minska den nödvändiga processtiden från 12-24 timmar till några timmar. Dessutom krävs mindre lösningsmedel för att uppnå en fullständig omvandling, vilket sänker miljökonsekvenserna av att behöva kassera och avyttra det förbrukade eller icke-reagerade lösningsmedlet, dvs koncentrerad NaOH.
Deacetylering av chitinen till Chitosan främjas av ultraljudsbehandling
UIP4000hdT – 4kW Power ultraljud system
Funktionsduglig princip av Ultraljuds-Chitosan behandling
Högeffekts, lågfrekvent ultraljud (≥20-26 kHz) skapar akustisk kavitation i vätskor och slam. Hög effekt ultraljud främjar omvandlingen av chitin till chitosan som lösningsmedel (t.ex. NaOH) fragmenterar och tränger in i fasta chitin partiklar, vilket utvidgar ytan och förbättra massöverföringen mellan fast och flytande fas. Dessutom skapar de höga skjuvkrafterna i ultraljudskavitation fria radikaler som ökar reaktiviteten hos reagensen (dvs. NaOH) under hydrolys. Som en icke-termisk bearbetningsteknik förhindrar ultraljudsbehandling den termiska nedbrytningen producerar högkvalitativ chitosan. Ultraljud förkorta bearbetningstider som krävs för att extrahera chitin från kräftdjur samt avkastning chitin (och därmed därefter chitosan) av högre renhet jämfört med traditionella bearbetningsförhållanden. För produktion av chitin och chitosan, ultraljud har därmed potential att sänka produktionskostnaden, minska bearbetningstiden, möjliggöra en bättre kontroll av produktionsprocessen och minska miljöpåverkan av processavfallet.
- Högre Chitosan-avkastning
- Överlägsen kvalitet
- Reducerad tid
- Lägre process temperatur
- Ökad effektivitet
- Lätt & säker drift
- miljövänlig
Ultraljud Chitin Decetylation till Chitosan – Protokollet
1) Förbered kitin:
Med hjälp av krabbskal som källmaterial bör krabbskal tvättas grundligt för att avlägsna alla lösliga organiska ämnen och följa orenheter, inklusive jord och protein. Därefter måste skal materialet torkas helt (t. ex. vid 60 º C för 24h i en ugn). De torkade beskjuter är därefter slipat (e.g. genom att använda en bulta mal), extrakt i ett alkaliskt medel (e.g., NaOH på en conc. av 0,125 till 5,0 M) och demineraliserat i syra (e.g., utspädd saltsyra).
2) ultraljud Deacetylation
Att köra en typisk ultraljud deacetylation reaktion, beta-Chitin partiklar (0,125 mm < D < 0.250 mm) suspenderas i 40 % (w/w) vattenhaltiga NaOH vid en ratio beta-chitin/NaOH-vattenlösning på 1/10 (g ml-1), är suspensionen överförs till en dubbelväggig glasbägare och är och sonicated med hjälp av en Hielscher UP400St ultraljud Homogenisatorer. Följande parametrar (CF. Fiamingo et al. 2016) hålls konstanta när de utför en ultraljud Chitinen deacetylation reaktion: (i) ultraljud sond (sonotrode Hielscher S24d22D, spets diameter = 22 mm); (II) ultraljudsbehandling puls läge (IP = 0,5 SEK); (III) ultraljud ytans intensitet
(I = 52,6 W cm-2), (IV) Reaktionstemperatur (60 º C ± 1 º C), (v) reaktionstid (50 min), (vi) ratio beta-Chitin vikt/volym 40% (w/w) vattenhaltigt natriumhydroxid (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (VII) volym av beta-Chitin suspension (50mL).
Den första reaktionen fortsätter i 50min under konstant magnetisk omrörning och avbryts sedan genom att snabbt kyla fjädringen till 0 º C. Efteråt späds saltsyra tillsätts för att uppnå pH 8,5 och provet CHs1 isoleras genom filtrering, i stor utsträckning tvättas med avjoniserat vatten och torkas vid omgivningsförhållanden. När samma ultraljud deacetylering upprepas som ett andra steg till CHs1, det ger prov CHs2.
Scanning elektronmikroskopi (SEM) bilder i en förstoring av 100 × a) gladius, b) ultraljud-behandlade gladius, c) β-Chitin, d) ultraljud-behandlade β-Chitin, och e) Chitosan (Källa: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. fann att ultraljud deacetylering av beta-Chitin effektivt producerar hög molekylvikt Chitosan med en låg grad av acetylering varken använder tillsatser eller inert atmosfär eller långa reaktionstider. Även om ultraljud deacetylering reaktionen utförs under mildare förhållanden – dvs låg Reaktionstemperatur jämfört med de flesta termokemiska deacetyleringar. Ultraljud deacetylering av beta-Chitin tillåter beredning av slumpmässigt deacetylerade Chitosan besitter varierande grad av acetylering (4% ≤ DA ≤ 37%), hög vikt genomsnittlig molekylvikt (900 000 g mol-1 ≤ MW ≤ 1 200 000 g mol-1 ) och låg dispersitet (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) genom att utföra tre på varandra följande reaktioner (50 min/steg) vid 60 º C.
Hög effekt ultraljud processorer från Lab till pilot och industriell skala.
Högpresterande ultraljud system för Chitosan produktion
Fragmenteringen av chitinen och decetylation av chitinen till Chitosan kräver kraftfull och pålitlig ultraljudsutrustning som kan leverera höga amplituder, erbjuder exakt manövrerbarhet över processparametrarna och kan drivas 24/7 under tung belastning och i krävande miljöer. Hielscher Ultrasonics produktsortiment få dig och din processkrav omfattas. Hielscher ultrasonicators är högpresterande system som kan utrustas med tillbehör som sonotrodes, boosters, reaktorer eller flöde celler för att matcha din processbehov på ett optimalt sätt.
Med digital färgskärm, möjlighet att förinställda ultraljudsbehandling körningar, automatisk datainspelning på ett integrerat SD-kort, fjärrkontroll webbläsare och många fler funktioner, högsta processtyrning och användarvänlighet säkerställs. Paras ihop med robusthet och tung bärförmåga, Hielscher ultrasonic system är din pålitliga arbetshäst i produktion.
Chitin fragmentering och deacetylering kräver kraftfull ultraljud för att få riktade omvandlingen och en sista Chitosan produkt av hög kvalitet. Speciellt för fragmentering av chitinen flingor, höga amplituder och förhöjt tryck är 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. Kraften kapacitet Hielscher ultraljud system möjliggör effektiv och snabb deacetylation i en säker och användarvänlig process.
Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera:
| batch Volym | Flödeshastighet | Rekommenderade Devices |
|---|---|---|
| 1 till 500 ml | 10 till 200 ml / min | UP100H |
| 10 till 2000 ml | 20 till 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 till 20L | 0.2 till 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 till 100 liter | 2 till 10 1 / min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 till 100 l / min | UIP16000 |
| n.a. | större | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Litteratur / Referenser
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., bargan A., Vasile C. (2019): Chitosan-baserade Bionanocomposite filmer som utarbetats av emulsion teknik för mat bevarande. Material 2019, 12 (3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Omfattande deacetylerad hög molekylvikt Chitosan från i flera steg ultraljud-Assisted deacetylering av beta-Chitin. Ultrasonics sonochemistry 32, 2016. 79 – 85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): sonochemically-assisterad omvandling av Chitin till Chitosan, USDA nationella forskningsinitiativ Principal utredare möte, New Orleans, LA, 28 juni.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): påverkan av temperaturen under deacetylering av chitinen till Chitosan med hög intensitet ultraljud som en förbehandling, årsmöte för Institutet för mat teknologer, New Orleans, LA, 30 juni, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): påverkan av hög intensitet ultraljud för att påskynda omvandlingen av chitinen till Chitosan, årsmöte för Institutet för mat teknologer, New Orleans, LA, 30 juni, 95-17.
- Preto M.F., Campana-Filho S.P., Fiamingo A., Cosentino IC, Tessari-Zampieri M.C., Abessa D.M.S., Romero AF, Bordon IC (2017): gladius och dess derivat som potentiella biosorbenter för marin dieselolja. Miljövetenskap och förorenings forskning (2017) 24:22932 – 22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): En metod för uppifrån och ned beredning av Chitosan nanopartiklar och nanofibrer. Kolhydrat polymerer 117, 2015. 731 – 738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Effektiv reduktion av Chitosan molekylvikt med hög intensitet ultraljud: bakomliggande mekanism och effekt av bearbetning parametrar. Tidning jordbruks-och livsmedels kemi 56 (13): 5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Mikael M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Skaldjur avfall: en källa för beredning av kommersiellt anställbar Chitin/Chitosan material. Bioresurser och bio bearbetning 6/8, 2019.
Fakta Värt att veta
Hur fungerar ultraljud Chitin Deactylation?
När hög effekt, lågfrekventa ultraljud (t. ex., 20-26kHz) är kopplad till en vätska eller flytgödsel, alternerande högtrycks/lågtrycks cykler appliceras på vätskan skapa kompression och förrarande. Under dessa alternerande högtrycks-/lågtrycks cykler genereras små vakuum bubblor, som växer över flera tryck cykler. Vid den punkt, när vakuum bubblor inte kan absorbera mer energi, kolla de våldsamt. Under denna bubbla implosion, lokalt mycket intensivt villkorar uppstår: höga temperaturer av upp till 5000K, pressar av upp till 2000atm, mycket kick uppvärmning/kyla klassar och pressar differentialer uppstår. Eftersom bubblan kollaps dynamik är snabbare än massa och värmeöverföring, energin i den kollapsande håligheten är begränsad till en mycket liten zon, även kallad "hot spot". Implosionen av kavitation bubblan resulterar också i mikroturbulenser, flytande jets av upp till 280m/s hastighet och resulterande skjuvkrafter. Detta fenomen är känt som ultraljud eller akustisk kavitation.
Droppar och partiklar i sonicated vätskan är träffas av dessa cavitational styrkor och när accelererade partiklar kolliderar med varandra, de får krossades av interparticle kollision. Akustisk kavitation är arbetsprincipen för ultraljud fräsning, dispergering, emulgering och sonochemistry.
För Chitinen deacetylering, hög intensitet ultraljud ökar i ytan genom att aktivera ytan och främja massöverföring mellan partiklar och reagens.
Chitosan
Chitosan är en modifierad, katjonisk, giftfri kolhydratpolymer med en komplex kemisk struktur som bildas av β-(1,4) glukosaminenheter som huvudkomponent (>80%) och N-acetylglukosaminenheter (<20%), slumpmässigt fördelat längs kedjan. Chitosan kommer från chitin genom kemisk eller enzymatisk deacetylation. Graden av deacetylation (DA) bestämmer innehållet av fria aminogrupper i strukturen och används för att skilja mellan chitin och chitosan. Chitosan visar god löslighet i måttliga lösningsmedel såsom utspädd ättiksyra och erbjuder flera fria amingrupper som aktiva platser. Detta gör chitosan fördelaktigt jämfört med chitin i många kemiska reaktioner.
Chitosan värderas för sin utmärkta biokompatibilitet och biologisk nedbrytbarhet, icke-toxicitet, god antimikrobiell aktivitet (mot bakterier och svampar), syreimpermeabilitet och filmbildande egenskaper. I motsats till chitin, chitosan har fördelen av att vara vattenlöslig och därmed lättare att hantera och använda i formuleringar.
Som den näst vanligaste polysackarid efter cellulosa, gör det enorma överflöd av chitin det en billig och hållbar råvara.
Chitosan produktion
Chitosan produceras i en tvåstegsprocess. I det första steget, är råvaran, såsom kräftdjur skal (dvs. räkor, krabba, hummer), deproteinized, avmineraliseras och renas för att få Chitin. I det andra steget, är Chitinen behandlas med en stark bas (t. ex., NaOH) för att ta bort acetyl sidokedjor för att få Chitosan. Processen med konventionell Chitosan produktion är känd för att vara mycket tidskrävande och kostnadskrävande.
Chitinen
Chitin (C8H13den5NN är en rak-kedjar polymer av β-1,4-N-acetylglucosamine och klassificeras in i α-, β-och γ-Chitin. Att vara derivat av glukos, är Chitinen en viktig del av exoskelett av leddjur, såsom kräftdjur och insekter, radulae av blötdjur, bläckfisk nävar, och skalor av fisk och lissamfibier och kan hittas i cellväggarna i svampar, alltför. Strukturen av chitinen är jämförbar med cellulosa, bildar kristallint nanofibriller eller whiskers. Cellulosa är den vanligast förekommande polysackarid av världen, följt av chitinen som näst vanligast förekommande polysackarid.
Glukosamin
Glukosamin (C6H13Nej5) är ett amino socker och en viktig föregångare i den biokemiska syntesen av glykosylerat proteiner och lipider. Glukosamin är naturligtvis en riklig förening som är en del av strukturen hos både polysackarider, Chitosan, och Chitin, vilket gör glukosamin en av de vanligast förekommande monosackariderna. De flesta av de kommersiellt tillgängliga glukosamin produceras av hydrolys av kräftdjur exoskelett, dvs krabba och hummerskal.
Glukosamin används främst som kosttillskott där det används i form av glukosamin Sulfate, glukosamin hydroklorid eller N-Acetyl Glukosamin. Glukosamin sulfate kosttillskott administreras oralt för att behandla ett smärtsamt tillstånd som orsakas av inflammation, nedbrytning och eventuell förlust av brosk (artros).