Ultraljud Deacetylering av kitin till kitosan

Kitosan är en biopolymer från kitin som har många tillämpningar inom läkemedel, livsmedel, jordbruk och industri. Ultraljud deacetylering av kitin till kitosan intensifierar behandlingen avsevärt – vilket leder till en effektiv och snabb process med ett högt kitosanutbyte av överlägsen kvalitet.

Ultraljud kitosan produktion

Kitosan erhålls genom N-deacetylering av kitin. Vid konventionell deacetylering blötläggs kitin i vattenhaltiga alkalilösningsmedel (vanligtvis 40 till 50 % (w/w) NaOH). Blötläggningsprocessen som kräver höga temperaturer på 100 till 120 °C är mycket tidskrävande, medan utbytet av kitosan som erhålls per blötläggningssteg är lågt. Tillämpningen av ultraljud med hög effekt intensifierar deacetylerprocessen av kitin avsevärt och resulterar i ett högt utbyte av lågmolekylär kitosan i en snabb behandling vid lägre temperatur. Ultraljud deacetylering resulterar i överlägsen kvalitet kitosan som används som livsmedel och pharma ingrediens, som gödningsmedel och i många andra industriella tillämpningar.
Ultraljudsbehandling resulterar i en exceptionell grad av acetylering (DA) av kitin, vilket sänker graden av acetylering kitin från DA≥90 till kitosan med DA≤10.
Många forskningsstudier bekräftar effektiviteten av ultraljud kitin deacetylering till kitosan. Weiss, J. et al. (2008) fann att ultraljudsbehandling förbättrar omvandlingen av kitin till kitosan drastiskt. Ultraljudsbehandlingen av kitin kommer med betydande tidsbesparingar, vilket minskar den nödvändiga processtiden från 12-24 timmar till några timmar. Dessutom krävs mindre lösningsmedel för att uppnå en fullständig omvandling, vilket minskar miljöpåverkan av att behöva kassera och kassera det förbrukade eller oreagerade lösningsmedlet, dvs. koncentrerad NaOH.

Arbetsprincip för ultraljud kitosan behandling

Högeffekt, lågfrekvent ultraljud (∼20-26kHz) skapar akustisk kavitation i vätskor och uppslamningar. Ultraljud med hög effekt främjar omvandlingen av kitin till kitosan eftersom lösningsmedlet (t.ex. NaOH) fragmenterar och tränger in i de fasta kitinpartiklarna, vilket förstorar ytan och förbättrar massöverföringen mellan fast och flytande fas. Dessutom skapar de höga skjuvkrafterna vid ultraljudskavitation fria radikaler som ökar reaktiviteten hos reagenset (dvs. NaOH) under hydrolys. Som en icke-termisk bearbetningsteknik, ultraljudsbehandling förhindrar den termiska nedbrytningen som producerar kitosan av hög kvalitet. Ultraljud förkorta bearbetningstiderna som krävs för att extrahera kitin från kräftdjur samt ge kitin (och därmed därefter kitosan) av högre renhet jämfört med traditionella bearbetningsförhållanden. För produktion av kitin och kitosan har ultraljud således potential att sänka produktionskostnaderna, minska bearbetningstiden, möjliggöra en bättre kontroll av produktionsprocessen och minska miljöpåverkan från processavfallet.

Ultraljud kitin decetylering till kitosan – protokoll

1) Förbered kitinen:
Med krabbskal som utgångsmaterial bör krabbskalen tvättas noggrant för att avlägsna alla lösliga organiska ämnen och vidhäftande föroreningar, inklusive jord och protein. Efteråt måste skalmaterialet torkas helt (t.ex. vid 60 °C i 24 timmar i en ugn). De torkade skalen mals sedan (t.ex. med hjälp av en hammarkvarn), avproteiniseras i ett alkaliskt medium (t.ex. NaOH vid en koncentration på 0,125 till 5,0 M) och demineraliseras i syra (t.ex. utspädd saltsyra).
2) Ultraljud deacetylering
För att köra en typisk ultraljudsdeacetyleringreaktion ska beta-kitinpartiklar (0,125 mm < D < 0.250 mm) är suspenderade i 40 % (vikt/vikt) vattenhaltig NaOH i förhållandet beta-kitin/NaOH vattenlösning av 1/10 (g ml)^-1), överförs suspensionen till en dubbelväggig glasbägare och är och sonikerad med hjälp av en Hielscher UP400St homogenisator med ultraljud. Följande parametrar (jfr. Fiamingo et al. 2016) hålls konstanta vid utförande av en ultraljudsreaktion av kitindeacetylering: (i) ultraljudssond (sonotrode Hielscher S24d22D, spetsdiameter = 22 mm); (ii) ultraljudsbehandling pulsläge (IP = 0,5 sek); iii) Ultraljuds ytintensitet
(I = 52,6 W cm^-2), iv) reaktionstemperatur (60 °C ±1 °C), v) reaktionstid (50 min), vi) förhållandet beta-kitinvikt/volym på 40 % (w/w) vattenhaltig natriumhydroxid (BCHt/NaOH = 1/10 g ml)^-1); vii) Volym beta-kitinsuspension (50 ml).
Den första reaktionen pågår i 50 minuter under konstant magnetisk omrörning och avbryts sedan genom snabb kylning av suspensionen till 0 °C. Därefter tillsätts utspädd saltsyra för att uppnå pH 8,5 och prov CHs1 isoleras genom filtrering, tvättas noggrant med avjoniserat vatten och torkas vid omgivningsförhållanden. När samma ultraljudsdeacetylering upprepas som ett andra steg till CHs1, producerar den prov CHs2.

Fiamingo et al. fann att ultraljudsdeacetylering av beta-kitin effektivt producerar kitosan med hög molekylvikt med en låg grad av acetylering, varken med hjälp av tillsatser eller inert atmosfär eller långa reaktionstider. Även om ultraljudsdeacetyleringreaktionen utförs under mildare förhållanden – d.v.s. låg reaktionstemperatur jämfört med de flesta termokemiska deacetyleringar. Ultraljudsdeacetyleringen av beta-kitin gör det möjligt att framställa slumpmässigt deacetylerad kitosan med varierande grad av acetylering (4% ≤ DA ≤ 37%), högvikt genomsnittlig molekylvikt (900 000 g mol^-1 ≤ m_w ≤ 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 °C.

Högpresterande ultraljudssystem för kitosanproduktion

Fragmenteringen av kitin och deketyleringen 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 får dig och dina processkrav täckta. Hielscher ultraljudsapparater är högpresterande system som kan utrustas med tillbehör som sonotroder, boosters, reaktorer eller flödesceller för att matcha dina processbehov på ett optimalt sätt.
Med digital färgdisplay, möjlighet att förinställa ultraljudsbehandling, automatisk datainspelning på ett integrerat SD-kort, fjärrkontroll webbläsare och många fler funktioner, högsta processkontroll och användarvänlighet säkerställs. I kombination med robusthet och tung bärförmåga är Hielschers ultraljudssystem din pålitliga arbetshäst i produktionen.
Kitinfragmentering och deacetylering kräver kraftfullt ultraljud för att erhålla den riktade omvandlingen och en slutlig kitosanprodukt av hög kvalitet. Speciellt för fragmenteringen av kitinflingorna är höga amplituder och förhöjda tryck avgörande. Hielscher Ultraljud’ Industriella ultraljudsprocessorer levererar lätt mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Effektkapaciteten hos Hielscher ultraljudssystem möjliggör effektiv och snabb deacetylering i en säker och användarvänlig process.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: