Kitin'in Kitosan Ultrasonik Deasetilasyonu
Ultrasonik Kitosan Üretimi
Kitosan, kitinin N-deasetilasyonu ile elde edilir. Geleneksel deasetilasyonda, kitin sulu alkali çözücülere (tipik olarak @ ila P (a/a) NaOH) batırılır). Islatma işlemi 100 ila 120ºC arasında yüksek sıcaklıklar gerektirir ve çok zaman alıcıdır, ıslatma adımı başına elde edilen kitosan verimi düşüktür. Yüksek güçlü ultrasoniklerin uygulanması, kitin deasetilasyon sürecini önemli ölçüde yoğunlaştırır ve daha düşük sıcaklıkta hızlı bir tedavide yüksek miktarda düşük moleküler ağırlıklı kitosan verimi ile sonuçlanır. Ultrasonik deasetilasyon, gıda ve ilaç bileşeni olarak, gübre olarak ve diğer birçok endüstriyel uygulamada kullanılan üstün kaliteli kitosan ile sonuçlanır.
Ultrasonik tedavi, asetilasyon kitin derecesini DA≥90'dan DA≤10 ile kitosan'a düşüren olağanüstü bir kitin asetilasyonu (DA) derecesi ile sonuçlanır.
Birçok araştırma çalışması, ultrasonik kitin deasetilasyonunun kitosana etkinliğini doğrulamaktadır. Weiss J. ve ark. (2008), sonikasyonun kitinin kitosana dönüşümünü büyük ölçüde geliştirdiğini buldu. Kitin'in ultrasonik tedavisi, gerekli işlem süresini 12-24 saatten birkaç saate düşürerek önemli ölçüde zaman tasarrufu sağlar. Ayrıca, tam bir dönüşüm elde etmek için daha az çözücü gerekir, bu da kullanılmış veya reaksiyona girmemiş çözücüyü, yani konsantre NaOH'yi atmak ve bertaraf etmek zorunda kalmanın çevresel etkisini azaltır.
Kitin'in kitosana deasetilasyonu, sonikasyon ile desteklenir
UIP4000hdT – 4kW güç ultrasonik sistem
Ultrasonik Kitosan Tedavisinin Çalışma Prensibi
Yüksek güçlü, düşük frekanslı ultrasonikasyon (∼20-26kHz) sıvılarda ve bulamaçlarda akustik kavitasyon oluşturur. Yüksek güçlü ultrason, çözücü (örneğin, NaOH) katı kitin parçacıklarını parçalayıp nüfuz ettikçe kitinin kitosana dönüşümünü teşvik eder, böylece yüzey alanını genişletir ve katı ve sıvı faz arasındaki kütle transferini iyileştirir. Ayrıca, ultrasonik kavitasyonun yüksek kesme kuvvetleri, hidroliz sırasında reaktifin (yani NaOH) reaktivitesini artıran serbest radikaller oluşturur. Isıl olmayan bir işleme tekniği olarak, sonikasyon, yüksek kaliteli kitosan üreten termal bozulmayı önler. Ultrasonik, kabuklulardan kitin çıkarmak için gereken işlem sürelerini kısaltır ve geleneksel işleme koşullarına kıyasla daha yüksek saflıkta kitin (ve dolayısıyla kitosan) verir. Kitin ve kitosan üretimi için ultrasonlar bu nedenle üretim maliyetini düşürme, işlem süresini kısaltma, üretim sürecinin daha iyi kontrol edilmesini sağlama ve proses atıklarının çevresel etkisini azaltma potansiyeline sahiptir.
- Daha Yüksek Kitosan Verimi
- Üstün Kalite
- Azaltılmış Zaman
- Düşük Proses Sıcaklığı
- Verimlilik Artışı
- Kolay & Güvenli operasyon
- Çevre dostu
Kitosan için Ultrasonik Kitin Desetilasyonu – protokol
1) Kitini hazırlayın:
Yengeç kabuklarını kaynak materyal olarak kullanarak, yengeç kabukları, toprak ve protein dahil olmak üzere çözünür organikleri ve yapışan safsızlıkları gidermek için iyice yıkanmalıdır. Daha sonra, kabuk malzemesi tamamen kurutulmalıdır (örneğin, bir fırında 24 saat boyunca 60ºC'de). Kurutulmuş kabuklar daha sonra öğütülür (örneğin bir çekiçli değirmen kullanılarak), alkali bir ortamda deproteinize edilir (örneğin, 0.125 ila 5.0 M'lik bir konsantrasyonda NaOH) ve asitte demineralize edilir (örneğin, seyreltik hidroklorik asit).
2) Ultrasonik Deasetilasyon
Tipik bir ultrasonik deasetilasyon reaksiyonunu çalıştırmak için, beta-kitin parçacıkları (0.125 mm < D < 0.250 mm), 1/10 (g mL) beta-kitin / NaOH sulu çözeltisi oranında% 40 (a / a) sulu NaOH içinde süspanse edilir-1), süspansiyon çift cidarlı bir cam behere aktarılır ve bir Hielscher kullanılarak sonikleştirilir ve sonikleştirilir UP400St ultrasonik homojenizatör. Aşağıdaki parametreler (cf. Fiamingo ve ark. 2016) bir ultrasonik kitin deasetilasyon reaksiyonu gerçekleştirilirken sabit tutulur: (i) ultrasonik prob (sonotrot Hielscher S24d22D, uç çapı = 22 mm); (ii) sonikasyon darbe modu (IP = 0.5sn); (iii) ultrasonik yüzey yoğunluğu
(I = 52.6 W cm-2), (iv) reaksiyon sıcaklığı (60ºC ±1ºC), (v) reaksiyon süresi (50 dakika), (vi) beta-kitin ağırlığı/hacmi @ (a/a) sulu sodyum hidroksit (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) beta-kitin süspansiyon hacmi (50 mL).
İlk reaksiyon, sürekli manyetik karıştırma altında 50 dakika boyunca devam eder ve daha sonra süspansiyonun hızlı bir şekilde 0ºC'ye soğutulmasıyla kesilir. Daha sonra pH 8.5'e ulaşmak için seyreltik hidroklorik asit eklenir ve numune CHs1 filtrasyon ile izole edilir, deiyonize su ile yoğun bir şekilde yıkanır ve ortam koşullarında kurutulur. Aynı ultrasonik deasetilasyon CHs1'e ikinci bir adım olarak tekrarlandığında, numune CHs2 üretir.
10×0 büyütmeli taramalı elektron mikroskobu (SEM) a) gladius, b) ultrason ile tedavi edilmiş gladius, c) β-kitin, d) ultrasonla tedavi edilmiş β-kitin ve e) kitosan (kaynak: Preto ve ark. 2017)
Fiamingo ve ark. beta-kitinin ultrasonik deasetilasyonunun, ne katkı maddeleri ne inert atmosfer ne de uzun reaksiyon süreleri kullanmadan, düşük derecede asetilasyon ile yüksek moleküler ağırlıklı kitosan ürettiğini buldu. Ultrasonik deasetilasyon reaksiyonu daha hafif koşullar altında gerçekleştirilse de – yani çoğu termokimyasal deasetilasyon ile karşılaştırıldığında düşük reaksiyon sıcaklığı. Beta-kitinin ultrasonik deasetilasyonu, değişken derecede asetilasyon (% 4 ≤ DA ≤% 37), yüksek ağırlık ortalama moleküler ağırlığa (900.000 g mol) sahip rastgele deasetillenmiş kitosanın hazırlanmasına izin verir-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) ve 60ºC'de art arda üç reaksiyon (50 dk / adım) gerçekleştirerek düşük dağılım (1.3 ≤ Ð ≤ 1.4).
Laboratuvardan pilota ve endüstriyel ölçeğe kadar yüksek güçlü ultrasonik işlemciler.
Kitosan Üretimi için Yüksek Performanslı Ultrasonik Sistemler
Kitinin parçalanması ve kitinin kitosana desetilasyonu, yüksek genlikler sağlayabilen, proses parametreleri üzerinde hassas kontrol edilebilirlik sunan ve ağır yük altında ve zorlu ortamlarda 7/24 çalıştırılabilen güçlü ve güvenilir ultrasonik ekipman gerektirir. Hielscher Ultrasonik ürün yelpazesi sizi ve süreç gereksinimlerinizi karşılar. Hielscher Ultrasonicators, proses ihtiyaçlarınızı en iyi şekilde karşılamak için sonotrodlar, güçlendiriciler, reaktörler veya akış hücreleri gibi aksesuarlarla donatılabilen yüksek performanslı sistemlerdir.
Dijital renkli ekran, sonikasyon çalışmalarını önceden ayarlama seçeneği, entegre bir SD kartta otomatik veri kaydı, uzaktan tarayıcı kontrolü ve daha birçok özellik, en yüksek işlem kontrolü ve kullanıcı dostu olma sağlanır. Sağlamlık ve ağır yük taşıma kapasitesi ile eşleştirildiğinde, Hielscher ultrasonik sistemler üretimde güvenilir iş gücünüzdür.
Kitin parçalanması ve deasetilasyonu, hedeflenen dönüşümü ve yüksek kalitede nihai bir kitosan ürününü elde etmek için güçlü ultrason gerektirir. Özellikle kitin pullarının parçalanması için yüksek genlikler ve yüksek basınçlar çok önemlidir. Hielscher Ultrasonik’ Endüstriyel ultrasonik işlemciler kolayca çok yüksek genlikler sağlar. 200μm'ye kadar genlikler 7/24 çalışmada sürekli olarak çalıştırılabilir. Daha da yüksek genlikler için, özelleştirilmiş ultrasonik sonotrodlar mevcuttur. Hielscher ultrasonik sistemlerin güç kapasitesi, güvenli ve kullanıcı dostu bir süreçte verimli ve hızlı deasetilasyona izin verir.
Aşağıdaki tablo size ultrasonicators'ımızın yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesini verir:
| Numune Hacmi | Akış Oranı | Önerilen Cihaz |
|---|---|---|
| 1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha büyük | grubu UIP16000 |
Bizimle İletişime Geçin! / Bize Sor!
Literatür/Referanslar
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Gıda muhafazası için emülsiyon tekniği ile hazırlanan kitosan bazlı biyonanokompozit filmler. Malzemeler 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Beta-kitinin çok aşamalı ultrason destekli deasetilasyonundan yaygın olarak deasetillenmiş yüksek moleküler ağırlıklı kitosan. Ultrasonik Sonokimya 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Kitin'in Kitosan'a Sonokimyasal Destekli Dönüşümü, USDA Ulusal Araştırma Girişimi Baş Araştırmacılar Toplantısı, New Orleans, LA, 28 Haziran.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Ön tedavi olarak yüksek yoğunluklu ultrason ile kitinin kitosana deasetilasyonu sırasında sıcaklığın etkisi, Gıda Teknologları Enstitüsü Yıllık Toplantısı, New Orleans, LA, 30 Haziran, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Kitinin kitosana dönüşümünü hızlandırmak için yüksek yoğunluklu ultrasonun etkisi, Gıda Teknologları Enstitüsü Yıllık Toplantısı, New Orleans, LA, 30 Haziran, 95-17.
- Preto M.F., Campana-Filho S.P., Fiamingo A., Cosentino I.C., Tessari-Zampieri M.C., Abessa D.M.S., Romero A.F., Bordon I.C. (2017): Deniz dizel yağı için potansiyel biyosorbentler olarak Gladius ve türevleri. Çevre Bilimi ve Kirlilik Araştırmaları (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Kitosan nanopartiküllerinin ve nanofiberlerin yukarıdan aşağıya hazırlanması için bir yöntem. Karbonhidrat Polimerleri 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Yüksek yoğunluklu ultrason ile kitosan moleküler ağırlığının verimli bir şekilde azaltılması: İşleme parametrelerinin altında yatan mekanizma ve etkisi. Tarım ve Gıda Kimyası Dergisi 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritoş K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Deniz ürünleri atıkları: ticari olarak kullanılabilir kitin / kitosan malzemelerinin hazırlanması için bir kaynak. Biyokaynaklar ve Biyoproses 6/8, 2019.
Bilmeye Değer Gerçekler
Ultrasonik Kitin Deaktilasyonu Nasıl Çalışır?
Yüksek güçlü, düşük frekanslı ultrason (örneğin, 20-26kHz) bir sıvıya veya bulamaca bağlandığında, sıvıya alternatif yüksek basınç / düşük basınç döngüleri uygulanır ve sıkıştırma ve seyrekleşme oluşturur. Bu alternatif yüksek basınç / düşük basınç döngüleri sırasında, birkaç basınç döngüsü boyunca büyüyen küçük vakum kabarcıkları üretilir. Vakum kabarcıkları daha fazla enerji ememediği noktada şiddetli bir şekilde çökerler. Bu kabarcık patlaması sırasında, yerel olarak çok yoğun koşullar meydana gelir: 5000K'ya kadar yüksek sıcaklıklar, 2000atm'ye kadar basınçlar, çok yüksek ısıtma/soğutma oranları ve basınç farkları meydana gelir. Kabarcık çökme dinamikleri kütle ve ısı transferinden daha hızlı olduğundan, çöken boşluktaki enerji "sıcak nokta" olarak da adlandırılan çok küçük bir bölgeyle sınırlıdır. Kavitasyon kabarcığının patlaması ayrıca mikro türbülanslara, 280 m/s hıza kadar sıvı jetlerine ve bunun sonucunda ortaya çıkan kesme kuvvetlerine neden olur. Bu fenomen ultrasonik veya akustik kavitasyon olarak bilinir.
Sonikasyonlu sıvıdaki damlacıklar ve parçacıklar bu kavitasyon kuvvetleri tarafından etkilenir ve hızlandırılmış parçacıklar birbiriyle çarpıştığında, parçacıklar arası çarpışma ile parçalanır. Akustik kavitasyon, ultrasonik frezeleme, dispersiyon, emülsifikasyon ve sonochemistry'nin çalışma prensibidir.
Kitin deasetilasyonu için, yüksek yoğunluklu ultrason, yüzeyi aktive ederek ve partiküller ile reaktif arasındaki kütle transferini teşvik ederek yüzey alanında artar.
Kitosan
Kitosan, ana bileşeni olarak β-(1,4) glukozamin birimlerinin oluşturduğu karmaşık bir kimyasal yapıya sahip, modifiye edilmiş, katyonik, toksik olmayan bir karbonhidrat polimeridir (>% 80) ve N-asetil glukozamin birimleri (<% 20), zincir boyunca rastgele dağıtılır. Kitosan, kimyasal veya enzimatik deasetilasyon yoluyla kitinden elde edilir. Deasetilasyon derecesi (DA), yapıdaki serbest amino gruplarının içeriğini belirler ve kitin ile kitosan arasında ayrım yapmak için kullanılır. Kitosan, seyreltilmiş asetik asit gibi orta dereceli çözücülerde iyi çözünürlük gösterir ve aktif bölgeler olarak birkaç serbest amin grubu sunar. Bu, kitosan'ı birçok kimyasal reaksiyonda kitin üzerinde avantajlı kılar.
Kitosan mükemmel biyouyumluluğu ve biyolojik olarak parçalanabilirliği, toksik olmaması, iyi antimikrobiyal aktivitesi (bakteri ve mantarlara karşı), oksijen geçirimsizliği ve film oluşturma özellikleri nedeniyle değerlidir. Kitinin aksine, kitosan suda çözünür olma avantajına sahiptir ve bu nedenle formülasyonlarda kullanımı ve kullanımı daha kolaydır.
Selülozdan sonra en bol bulunan ikinci polisakkarit olan kitin, büyük miktarda bulunması onu ucuz ve sürdürülebilir bir hammadde haline getirir.
Kitosan Üretimi
Kitosan iki aşamalı bir işlemle üretilir. İlk adımda, kabuklu deniz kabukları (yani karides, yengeç, ıstakoz) gibi ham madde deproteinize edilir, demineralize edilir ve kitin elde etmek için saflaştırılır. İkinci adımda, kitin, kitosan elde etmek için asetil yan zincirlerini çıkarmak için güçlü bir baz (örneğin, NaOH) ile muamele edilir. Konvansiyonel kitosan üretim sürecinin çok zaman alıcı ve maliyet yoğun olduğu bilinmektedir.
kitin
Kitin (C8H13O5N)N β-1,4-N-asetilglukozaminin düz zincirli bir polimeridir ve α, β- ve γ-kitin olarak sınıflandırılır. Glikozun türevi olan kitin, kabuklular ve böcekler, yumuşakçaların radulaları, kafadanbacaklı gagaları ve balık ve lissamphibilerin pulları gibi eklembacaklıların dış iskeletlerinin ana bileşenidir ve mantarlarda hücre duvarlarında da bulunabilir. Kitinin yapısı, kristalin nanofibriller veya bıyıklar oluşturan selüloz ile karşılaştırılabilir. Selüloz, dünyanın en bol bulunan polisakkaritidir ve bunu en bol bulunan ikinci polisakkarit olarak kitin takip eder.
Glukozamin
Glukozamin (C6H13HAYIR5) bir amino şekerdir ve glikosile edilmiş proteinlerin ve lipitlerin biyokimyasal sentezinde önemli bir öncüdür. Glukozamin doğal olarak hem polisakkaritlerin, kitosanın hem de kitinin yapısının bir parçası olan bol miktarda bulunan bir bileşiktir ve bu da glukozamini en bol bulunan monosakkaritlerden biri yapar. Ticari olarak temin edilebilen glukozaminin çoğu, kabuklu dış iskeletlerinin, yani yengeç ve ıstakoz kabuklarının hidrolizi ile üretilir.
Glukozamin esas olarak glukozamin sülfat, glukozamin hidroklorür veya N-asetil glukozamin formlarında kullanıldığı yerlerde besin takviyesi olarak kullanılır. Glukozamin sülfat takviyeleri, kıkırdağın iltihaplanması, parçalanması ve nihayetinde kıkırdak kaybının (osteoartrit) neden olduğu ağrılı bir durumu tedavi etmek için ağızdan uygulanır.