Xitinni ultratovush yordamida deatsetillab xitozanga aylantirish

Xitozan – xitindan olinadigan biopolimer boʻlib, farmatsevtika, oziq-ovqat, qishloq xoʻjaligi va sanoatda koʻplab qoʻllanilish sohalariga ega. Xitinni ultratovush yordamida deatsetillab xitozanga aylantirish ishlov berishni sezilarli darajada jadallashtiradi – natijada yuqori sifatli xitozanni yuqori unum bilan olish imkonini beradigan samarali va tez jarayon yuzaga keladi.

Ultratovush yordamida xitozan ishlab chiqarish

Xitozan xitinni N-deatsetillash orqali olinadi. Anʼanaviy deatsetillashda xitin suvli ishqoriy erituvchilarda (odatda 40 dan 50% gacha (w/w) NaOH) ivitiladi. Ivitish jarayoni 100 dan 120ºC gacha boʻlgan yuqori haroratlarni talab qiladi va juda koʻp vaqt oladi, har bir ivitish bosqichida olinadigan xitozan unumi esa past boʻladi. Yuqori quvvatli ultratovushni qoʻllash xitinni deatsetillash jarayonini sezilarli darajada jadallashtiradi va pastroq haroratda tez ishlov berish orqali past molekulyar massali xitozanni yuqori unum bilan olishga olib keladi. Ultratovush yordamida deatsetillash natijasida yuqori sifatli xitozan olinadi; u oziq-ovqat va farmatsevtika tarkibiy moddasi, oʻgʻit sifatida hamda boshqa koʻplab sanoat sohalarida ishlatiladi.
Ultratovush bilan ishlov berish xitinning atsetillanish darajasida (DA) alohida natija beradi: xitinning DA≥90 boʻlgan atsetillanish darajasi pasayib, DA≤10 boʻlgan xitozan hosil boʻladi.
Koʻplab tadqiqotlar xitinni ultratovush yordamida deatsetillab xitozanga aylantirish samaradorligini tasdiqlaydi. Weiss J. va boshq. (2008) ultratovush bilan ishlov berish xitinning xitozanga aylanishini keskin yaxshilashini aniqlagan. Xitinga ultratovush bilan ishlov berish vaqtni sezilarli darajada tejaydi va zarur jarayon vaqtini 12–24 soatdan bir necha soatgacha qisqartiradi. Bundan tashqari, toʻliq aylanishga erishish uchun kamroq erituvchi talab qilinadi; bu ishlatilgan yoki reaksiyaga kirishmagan erituvchini, yaʼni konsentrlangan NaOH ni chiqarib tashlash va utilizatsiya qilishning atrof-muhitga taʼsirini kamaytiradi.

Xitinni ultratovush yordamida deatsetillab xitozanga aylantirish

Ultratovush bilan ishlov berish xitinni deatsetillab xitozanga aylantirishga yordam beradi

Sanoatda qoʻllash uchun yuqori unumdor UIP4000hdT ultratovush qurilmasi

UIP4000hdT – 4kW quvvatli ultratovush tizimi

Xitozanga ultratovush bilan ishlov berishning ishlash prinsipi

Yuqori quvvatli, past chastotali ultratovush bilan ishlov berish (∼20–26kHz) suyuqliklar va suspenziyalarda akustik kavitatsiya hosil qiladi. Yuqori quvvatli ultratovush xitinning xitozanga aylanishiga yordam beradi, chunki erituvchi (masalan, NaOH) qattiq xitin zarrachalarini parchalaydi va ularning ichiga kiradi, shu orqali sirt maydonini kengaytiradi va qattiq hamda suyuq fazalar oʻrtasidagi massa almashinuvini yaxshilaydi. Bundan tashqari, ultratovush kavitatsiyasining kuchli siljish kuchlari erkin radikallarni hosil qiladi; ular gidroliz davomida reagentning (yaʼni NaOH ning) reaksiyaga kirishish qobiliyatini oshiradi. Issiqliksiz ishlov berish usuli sifatida ultratovush bilan ishlov berish termik yemirilishning oldini olib, yuqori sifatli xitozan hosil qiladi. Ultratovush qisqichbaqasimonlardan xitin ajratib olish uchun zarur ishlov berish vaqtini qisqartiradi hamda anʼanaviy ishlov berish sharoitlariga nisbatan tozaligi yuqoriroq boʻlgan xitin (va shu orqali keyinchalik xitozan) olish imkonini beradi. Shunday qilib, xitin va xitozan ishlab chiqarishda ultratovush ishlab chiqarish xarajatlarini kamaytirish, ishlov berish vaqtini qisqartirish, ishlab chiqarish jarayonini yaxshiroq nazorat qilish va jarayon chiqindilarining atrof-muhitga taʼsirini kamaytirish imkoniyatiga ega.

Ultratovush yordamida xitozan ishlab chiqarishning afzalliklari

Yuqoriroq xitozan unumi
Yuqori sifat
Qisqartirilgan vaqt
Pastroq jarayon harorati
Oshirilgan samaradorlik
Oson va xavfsiz ishlatish
Atrof-muhitga zararsiz

Xitinni ultratovush yordamida deatsetillab xitozanga aylantirish – protokol

1) Xitinni tayyorlang:
Krab qobiqlaridan boshlangʻich material sifatida foydalanilganda, eruvchan organik moddalar va yopishib qolgan aralashmalarni, jumladan tuproq va oqsilni olib tashlash uchun krab qobiqlarini yaxshilab yuvish kerak. Shundan soʻng qobiq materiali toʻliq quritilishi kerak (masalan, quritish shkafida 60ºC da 24h davomida). Keyin quritilgan qobiqlar maydalanadi (masalan, bolgʻali tegirmon yordamida), ishqoriy muhitda oqsillardan tozalanadi (masalan, konsentratsiyasi 0,125 dan 5,0 M gacha boʻlgan NaOH bilan) va kislotada minerallardan tozalanadi (masalan, suyultirilgan xlorid kislota bilan).
2) Ultratovush yordamida deatsetillash
Odatdagi ultratovush yordamida deatsetillash reaksiyasini oʻtkazish uchun beta-xitin zarrachalari (0,125 mm < d < 0,250 mm) 40% (w/w) suvli NaOH eritmasida beta-xitin/NaOH suvli eritmasi nisbati 1/10(g mL^-1) boʻladigan tarzda suspenziyalanadi, suspenziya ikki devorli shisha stakanga oʻtkaziladi va unga Hielscher UP400St ultratovushli gomogenizatori yordamida ultratovush bilan ishlov beriladi. Xitinni ultratovush yordamida deatsetillash reaksiyasini oʻtkazishda quyidagi parametrlar (qarang: Fiamingo va boshq. 2016) oʻzgarmas saqlanadi: (i) ultratovush zondi (Hielscher S24d22D sonotrodi, uchining diametri = 22 mm); (ii) ultratovush bilan ishlov berishning impuls rejimi (IP = 0,5sec); (iii) ultratovushning sirt intensivligi
(I = 52,6 W cm^-2), (iv) reaksiya harorati (60ºC ±1ºC), (v) reaksiya vaqti (50 min), (vi) beta-xitin massasi/40% (w/w) suvli natriy gidroksid eritmasi hajmi nisbati (BCHt/NaOH = 1/10 g mL^-1); (vii) beta-xitin suspenziyasi hajmi (50mL).
Birinchi reaksiya doimiy magnitli aralashtirish ostida 50min davom etadi, soʻng suspenziyani tezda 0ºC gacha sovitish orqali toʻxtatiladi. Shundan soʻng pH 8,5 ga erishish uchun suyultirilgan xlorid kislota qoʻshiladi va CHs1 namunasi filtrlash orqali ajratib olinadi, deionlangan suv bilan yaxshilab yuviladi va atrof-muhit sharoitida quritiladi. Xuddi shu ultratovush yordamida deatsetillash CHs1 ga ikkinchi bosqich sifatida takrorlanganda, CHs2 namunasi hosil boʻladi.

100× kattalashtirishda olingan skanerlovchi elektron mikroskopiya (SEM) tasvirlari: a) gladius, b) ultratovush bilan ishlov berilgan gladius, c) β-xitin, d) ultratovush bilan ishlov berilgan β-xitin va e) xitozan (manba: Preto va boshq. 2017)

Fiamingo va boshq. beta-xitinni ultratovush yordamida deatsetillash qoʻshimchalar, inert atmosfera yoki uzoq reaksiya vaqtlaridan foydalanmasdan, atsetillanish darajasi past boʻlgan yuqori molekulyar massali xitozanni samarali hosil qilishini aniqlagan. Ultratovush yordamida deatsetillash reaksiyasi yumshoqroq sharoitlarda – yaʼni aksariyat termokimyoviy deatsetillash jarayonlariga nisbatan past reaksiya haroratida oʻtkazilishiga qaramay. Beta-xitinni ultratovush yordamida deatsetillash atsetillanish darajasi oʻzgaruvchan (4% ≤ DA ≤ 37%), massa boʻyicha oʻrtacha molekulyar massasi yuqori (900 000 g mol^-1 ≤ M_w ≤ 1 200 000 g mol^-1 ) va dispersligi past (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) boʻlgan, tasodifiy deatsetillangan xitozanni 60ºC da ketma-ket uchta reaksiya (50 min/bosqich) oʻtkazish orqali tayyorlash imkonini beradi.

Hielscher Ultrasonics sonokimyoviy qoʻllanishlar uchun yuqori unumdor ultratovush qurilmalarini ishlab chiqaradi.

Laboratoriya miqyosidan tajriba va sanoat miqyosigacha boʻlgan yuqori quvvatli ultratovush protsessorlari.

Xitozan ishlab chiqarish uchun yuqori unumdor ultratovush tizimlari

Xitinni parchalash va xitinni deatsetillab xitozanga aylantirish yuqori amplitudalarni taʼminlay oladigan, jarayon parametrlarini aniq boshqarish imkonini beradigan hamda katta yuklama ostida va ogʻir sharoitlarda 24/7 ishlay oladigan kuchli va ishonchli ultratovush uskunasini talab qiladi. Hielscher Ultrasonics mahsulot assortimenti sizning va jarayoningizning talablarini qondiradi. Hielscher ultratovush qurilmalari – jarayoningiz ehtiyojlariga eng maqbul tarzda moslash uchun sonotrodlar, amplituda kuchaytirgichlari, reaktorlar yoki oqim hujayralari kabi aksessuarlar bilan jihozlanishi mumkin boʻlgan yuqori unumdor tizimlar.
Raqamli rangli displey, ultratovush bilan ishlov berish sikllarini oldindan sozlash imkoniyati, oʻrnatilgan SD kartaga maʼlumotlarni avtomatik qayd etish, brauzer orqali masofadan boshqarish va boshqa koʻplab funksiyalar jarayonni eng yuqori darajada nazorat qilishni va foydalanuvchi uchun eng yuqori darajadagi qulaylikni taʼminlaydi. Mustahkamlik va katta yuklamaga bardosh berish qobiliyati bilan birgalikda Hielscher ultratovush tizimlari ishlab chiqarishdagi ishonchli ishchi uskunangizdir.
Xitinni parchalash va deatsetillash koʻzlangan aylanishga va yuqori sifatli yakuniy xitozan mahsulotiga erishish uchun kuchli ultratovushni talab qiladi. Ayniqsa, xitin tangachalarini parchalash uchun yuqori amplitudalar va oshirilgan bosimlar hal qiluvchi ahamiyatga ega. Hielscher Ultrasonics sanoat ultratovush protsessorlari juda yuqori amplitudalarni osongina taʼminlaydi. 200µm gacha boʻlgan amplitudalarda 24/7 rejimida uzluksiz ishlash mumkin. Bundan ham yuqori amplitudalar uchun buyurtma asosida tayyorlanadigan ultratovush sonotrodlari mavjud. Hielscher ultratovush tizimlarining quvvat imkoniyati xavfsiz va foydalanuvchi uchun qulay jarayonda samarali va tez deatsetillash imkonini beradi.

Quyidagi jadval ultratovush qurilmalarimizning taxminiy ishlov berish quvvati haqida tasavvur beradi:

Partiya hajmi	Hajmiy oqim tezligi	Tavsiya etiladigan qurilmalar
1 dan 500mL gacha	10 dan 200mL/min gacha	UP100H
10 dan 2000mL gacha	20 dan 400mL/min gacha	UP200Ht, UP400St
0,1 dan 20L gacha	0,2 dan 4L/min gacha	UIP2000hdT
10 dan 100L gacha	2 dan 10L/min gacha	UIP4000hdT
n.a.	10 dan 100L/min gacha	UIP16000
n.a.	kattaroq	quyidagi qurilmalardan tashkil topgan klaster: UIP16000

Biz bilan bogʻlaning! / Bizga savol bering!

Adabiyotlar/Manbalar

Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Oziq-ovqatni saqlash uchun emulsiya usuli bilan tayyorlangan xitozan asosidagi bionanokompozit plyonkalar. Materials 2019, 12(3), 373.
Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Beta-xitinni ultratovush yordamida koʻp bosqichli deatsetillash orqali olingan, yuqori darajada deatsetillangan yuqori molekulyar massali xitozan. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Xitinni sonokimyoviy yordam bilan xitozanga aylantirish, USDA Milliy tadqiqot tashabbusining bosh tadqiqotchilar yigʻilishi, New Orleans, LA, June 28th.
Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Dastlabki ishlov sifatida yuqori intensivlikdagi ultratovush qoʻllanib, xitin deatsetillanish orqali xitozanga aylantirilganda haroratning taʼsiri, Oziq-ovqat texnologlari institutining yillik yigʻilishi, New Orleans, LA, June 30th, 95-18.
Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Xitinning xitozanga aylanishini tezlashtirishga yuqori intensivlikdagi ultratovushning taʼsiri, Oziq-ovqat texnologlari institutining yillik yigʻilishi, New Orleans, LA, June 30th, 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): Gladius va uning hosilalari dengiz dizel yoqilgʻisi uchun potensial biosorbentlar sifatida. Environmental Science and Pollution Research (2017) 24:22 932–22 939.
Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Xitozan nanozarrachalari va nanotolalarini yuqoridan pastga yondashuv orqali tayyorlash usuli. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Yuqori intensivlikdagi ultratovush yordamida xitozanning molekulyar massasini samarali kamaytirish: asosiy mexanizm va ishlov berish parametrlarining taʼsiri. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112–5119.
Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Dengiz mahsulotlari chiqindilari: tijoriy qoʻllashga yaroqli xitin/xitozan materiallarini tayyorlash manbai. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.

Tegishli mavzular

Bilishga arziydigan faktlar

Xitinni ultratovush yordamida deatsetillash qanday ishlaydi?

Yuqori quvvatli, past chastotali ultratovush (masalan, 20–26kHz) suyuqlik yoki suspenziyaga uzatilganda, suyuqlikka navbatma-navbat yuqori bosim / past bosim sikllari taʼsir qiladi va siqilish hamda siyraklashishni yuzaga keltiradi. Ushbu navbatma-navbat yuqori bosim / past bosim sikllari davomida kichik vakuum pufakchalari hosil boʻladi va ular bir necha bosim sikli davomida oʻsadi. Vakuum pufakchalari boshqa energiya yuta olmay qolgan paytda ular shiddat bilan qulaydi. Pufakchaning ichkariga qarab bunday qulashi davomida mahalliy darajada oʻta kuchli sharoitlar yuzaga keladi: 5000K gacha boʻlgan yuqori haroratlar, 2000atm gacha boʻlgan bosimlar, juda yuqori qizish/sovish tezliklari va bosim farqlari hosil boʻladi. Pufakcha qulashi dinamikasi massa va issiqlik almashinuvidan tezroq boʻlgani uchun qulayotgan boʻshliqdagi energiya juda kichik zonada cheklanadi; bu zona “qaynoq nuqta” deb ham ataladi. Kavitatsiya pufakchasining ichkariga qulashi, shuningdek, mikroturbulentlik, tezligi 280m/s gacha boʻlgan suyuqlik oqimchalari va ulardan kelib chiqadigan siljish kuchlarini hosil qiladi. Ushbu hodisa ultratovush yoki akustik kavitatsiya deb ataladi.
Ultratovush bilan ishlov berilayotgan suyuqlikdagi tomchilar va zarrachalarga ushbu kavitatsiya kuchlari taʼsir qiladi; tezlashtirilgan zarrachalar bir-biri bilan toʻqnashganda, zarrachalararo toʻqnashuv natijasida parchalanadi. Akustik kavitatsiya ultratovush yordamida maydalash, disperslash, emulsiyalash va sonokimyoning ishlash prinsipidir.
Xitinni deatsetillashda yuqori intensivlikdagi ultratovush sirtni faollashtirish va zarrachalar bilan reagent oʻrtasidagi massa almashinuvini kuchaytirish orqali sirt maydonini oshiradi.

Xitozan

Xitozan – murakkab kimyoviy tuzilishga ega boʻlgan modifikatsiyalangan, kationli, zaharsiz uglevod polimeri boʻlib, zanjir boʻylab tasodifiy taqsimlangan asosiy tarkibiy qism β-(1,4) glyukozamin birliklari (>80%) va N-atsetil glyukozamin birliklaridan (<20%) tashkil topadi. Xitozan xitindan kimyoviy yoki fermentativ deatsetillash orqali olinadi. Deatsetillanish darajasi (DA) tuzilishdagi erkin aminoguruhlar miqdorini belgilaydi va xitin bilan xitozanni farqlash uchun ishlatiladi. Xitozan suyultirilgan sirka kislotasi kabi moʻtadil erituvchilarda yaxshi eriydi va faol markazlar sifatida bir nechta erkin amin guruhlariga ega. Bu koʻplab kimyoviy reaksiyalarda xitozanga xitinga nisbatan afzallik beradi.
Xitozan aʼlo biologik mosligi va biologik parchalanishi, zaharsizligi, yaxshi antimikrob faolligi (bakteriyalar va zamburugʻlarga qarshi), kislorod oʻtkazmasligi va plyonka hosil qilish xususiyatlari uchun qadrlanadi. Xitindan farqli ravishda, xitozan suvda erish afzalligiga ega va shu sababli u bilan ishlash hamda uni formulatsiyalarda qoʻllash osonroq.
Sellulozadan keyin eng koʻp tarqalgan ikkinchi polisaxarid boʻlgan xitinning juda koʻpligi uni arzon va barqaror xomashyoga aylantiradi.

Xitozan ishlab chiqarish

Xitozan ikki bosqichli jarayonda ishlab chiqariladi. Birinchi bosqichda qisqichbaqasimonlar qobiqlari (yaʼni krevetka, krab, omar) kabi xomashyo xitin olish uchun oqsillardan va minerallardan tozalanadi hamda tozalashdan oʻtkaziladi. Ikkinchi bosqichda xitozan olish maqsadida atsetil yon zanjirlarini olib tashlash uchun xitinga kuchli asos (masalan, NaOH) bilan ishlov beriladi. Anʼanaviy xitozan ishlab chiqarish jarayoni juda koʻp vaqt va katta xarajat talab qilishi maʼlum.

Xitin

Xitin (C₈H₁₃O₅N)_n β-1,4-N-atsetilglyukozaminning toʻgʻri zanjirli polimeri boʻlib, α-, β- va γ-xitinga tasniflanadi. Glyukoza hosilasi boʻlgan xitin qisqichbaqasimonlar va hasharotlar kabi boʻgʻimoyoqlilar tashqi skeletlari, mollyuskalar radulalari, boshoyoqlilar tumshuqlari hamda baliqlar va lissamfibiyalar tangachalarining asosiy tarkibiy qismidir; u zamburugʻlarning hujayra devorlarida ham uchraydi. Xitinning tuzilishi sellulozanikiga oʻxshash boʻlib, kristall nanofibrillalar yoki ignasimon kristallar hosil qiladi. Selluloza dunyodagi eng koʻp tarqalgan polisaxarid boʻlib, undan keyin ikkinchi eng koʻp tarqalgan polisaxarid sifatida xitin turadi.

Glyukozamin

Glyukozamin (C₆H₁₃NO₅) aminoqand boʻlib, glikozillangan oqsillar va lipidlarning biokimyoviy sintezida muhim boshlangʻich moddadir. Glyukozamin tabiatan koʻp uchraydigan birikma boʻlib, ikkala polisaxarid – xitozan va xitin tuzilishining bir qismidir; bu glyukozaminni eng koʻp tarqalgan monosaxaridlardan biriga aylantiradi. Tijoriy sotuvdagi glyukozaminning aksariyati qisqichbaqasimonlarning tashqi skeletlarini, yaʼni krab va omar qobiqlarini gidrolizlash orqali ishlab chiqariladi.
Glyukozamin asosan oziq-ovqat qoʻshimchasi sifatida ishlatiladi; bunda u glyukozamin sulfat, glyukozamin gidroxlorid yoki N-atsetil glyukozamin shakllarida qoʻllanadi. Glyukozamin sulfat qoʻshimchalari togʻayning yalligʻlanishi, yemirilishi va oxir-oqibat yoʻqolishi tufayli yuzaga keladigan ogʻriqli holatni (osteoartrit) davolash uchun ogʻiz orqali qabul qilinadi.