Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения хитозана

Изобретение относится к области пищевой промышленности, а именно к производству пищевой лимонной кислоты, и касается выделения из мицелиальной биомассы гриба Aspergillus niger хитозана - ценного сорбента ионов тяжелых металлов.

В клеточной стенке гриба Aspergillus niger содержится высокомолекулярный сополимер хитина (поли-N-ацетил-1,4-D-глюкозамина) и глюкана (поли-1,D-глюкана). Выделение хитозана заключается в удалении из мицелиальной массы сопутствующих белков, липидов, красителей и минеральных веществ и деацетилировании хитиновых цепей с последующим разделением хитозана и глюкана кислотно-щелочной обработкой. Сорбционные свойства получаемого биополимера - хитозана определяются степенью его деацетилирования и наличием высокоактивных первичных аминогрупп, признаком чего служит растворимость в кислых средах.

Известен способ получения хитозана, описанный в [Donald F. Hershberger. Preparation of mycelial chitosan and glucan fractions from microbial biomass. Pat. US 4806474 A (1989-02-21)], заключающийся в обработке биомассы Aspergillus niger с влажностью 70-80% концентрированным раствором NaOH, LiOH или KOH из расчета 200-500% щелочи на сухую массу мицелия при 60-90°C на протяжении не менее 10 часов, образующийся осадок промывается водой, после чего хитозан дважды экстрагируется раствором уксусной, муравьиной, лимонной или соляной кислоты при pH 3-5, и после объединения экстрактов переводится в осадок путем доведения величины pH до 10. Выход хитозана, получаемого по данному способу, составляет 9,9-10,5% на сухую массу мицелия. Свойства получаемого хитозана как сорбента ионов тяжелых металлов заявителями не определялись.

Недостатками способа являются: значительная продолжительность процесса, что при оптимальном заявленном температурно-концентрационном режиме (75-85°C и 50% NaOH) приводит к существенной деструкции хитозана; низкая величина выхода хитозана (9,9-10,5%), составляющая менее половины в пересчете на содержание хитина в исходном мицелии (более 20% на сухую массу).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ получения глюкан-хитозанового комплекса, включающий в себя депротеинизацию мицелия хитинсодержащего гриба 2-4-кратной обработкой 8%-ным раствором едкого натра при 60-90°C, после чего реакционную массу обрабатывают раствором кислот: соляной, азотной или ортофосфорной, отмывают от жиров и липидов органическим растворителем, а затем проводят деацетилирование 20-29%-ным раствором едкого натра при 110-125°C в течение 30-120 мин. Сорбционная емкость по ионам меди составляет 180-240 мг/г сухого сорбента, при этом выход на сухую массу заявителями не указывается.

Недостатками известного способа являются: высокая степень деструкции сорбента, обусловленная значительной продолжительностью и высокой температурой процесса, а также невозможность выделения комплекса со значительной долей содержания в нем хитозана в связи с присутствием стадии кислотной обработки с последующей потерей хитозана с удаляемой жидкой фракцией. Это связано с тем, что деацетилированные в наибольшей степени фрагменты комплекса переходят в кислый раствор в результате протонирования незамещенных аминогрупп, наличие которых в сорбенте определяет его селективную сорбционную способность в отношении ионов тяжелых металлов, обусловленную протеканием процесса адсорбции по механизму хелатообразования.

Задачей предлагаемого решения является разработка способа, обеспечивающего получение хитозана из мицелиальной массы Aspergillus niger с высоким выходом и высокой сорбционной емкостью по отношению к ионам меди (Cu²⁺)

Техническим результатом изобретения является увеличение выхода хитозана и его сорбционной емкости по отношению к ионам меди (Cu²⁺) за счет сокращения кратности и продолжительности реагентного воздействия едким натром и совмещения процессов депротеинизации, деминерализации и обезжиривания, при этом снижается концентрация едкого натра и температура на стадии деацетилирования; введения стадий высушивания и измельчения промежуточного продукта и экстракции 1%-ным раствором соляной или уксусной кислотой с целью выделения хитозана.

Технический результат достигается тем, что в известном способе получения хитозана, включающем стадию депротеинизации хитинсодержащего мицелия гриба Aspergillus niger разбавленным раствором едкого натра в течение 60 минут при температуре 60°C, фильтрование, промывку водой и деацелирование, согласно изобретению депротеинизацию проводят одноразовой обработкой 3-5%-ным раствором едкого натра, деацетилирование проводят 8-12%-ным раствором едкого натра при 55-65°C в течение 150-180 мин, затем отделяют полученный осадок, высушивают его до влажности 8-12%, измельчают, и обрабатывают 1%-ным раствором соляной или уксусной кислоты при комнатной температуре в течение 45 мин и далее из полученной жидкой фазы выделяют хитозан при осаждении 25%-ным раствором гидроокиси аммония или 22% раствором едкого натра до достижения pH 10.

Предложенный способ отличается от известного новой последовательностью операций и режимами их проведения. Совокупность предлагаемых режимов операций и последовательность их проведения обеспечивает достижение указанного технического результата.

Заявленный способ осуществляется следующим образом. В реактор помещают 230-350 см³ раствора едкого натра (NaOH) с массовой долей 3-5% и нагревают него до 60±1°C. Затем при постоянном перемешивании загружают мицелий Aspergillus niger с влажностью 10-70% из расчета 1 г сухой массы мицелия на 30 см³ раствора едкого натра. Реакционную массу перемешивают в течение 55-65 мин при температуре 60±1°C, после чего осадок отделяют на фильтре и промывают горячей водой с температурой 40-60°C. Промытый осадок переносят в реактор с предварительно нагретым до 60±5°C раствором NaOH с массовой долей 8-12% и проводят при перемешивании деацетилирование при температуре 60±5°C в течение 150-180 мин. По окончании процесса содержимое фильтруют, и промывают осадок дистиллированной водой до достижения pH 7,5-8,0; после чего осадок высушивают до влажности 8-12% при 60±2°C. Полученный осадок измельчают до размеров частиц менее 250 мкм и обрабатывают при перемешивании 1,0-1,5%-ным раствором соляной или уксусной кислот из расчета 250 см³ раствора кислоты на 1 г при комнатной температуре в течение 45 мин. Осадок отделяют на фильтре и промывают водой до pH 6-7. а из полученной жидкой фазы выделяют хитозан при осаждении 25%-ным раствором гидроокиси аммония или 22%-ным раствором гидроокиси натрия при комнатной температуре, доводя pH до 10. Выделившийся осадок отфильтровывают и промывают на фильтре водой комнатной температуры до pH 7,0-7,5, затем сушат при температуре 60±2°C в течение 90-120 мин. Выход продукта на сухую массу исходного мицелия составляет 22-25%. В предложенном методе высокая степень деацетилирования хитозана подтверждается полученными значениями максимальной равновесной сорбционной емкости по отношению к ионам меди (Cu²⁺) 380-400 мг/г (таблица 1).

Далее изобретение поясняется примерами, иллюстрирующими способ получения хитозана.

Пример 1. В реактор объемом 500 см³ помещают 350 см³ 3%-ного раствора NaOH и нагревают до 60±1°C, после чего загружают при постоянном перемешивании 11,1 г мицелия Aspergillus niger с влажностью 10%, реакционную массу выдерживают при перемешивании и указанной температуре в течение 60 минут, затем реакционную массу переносят на тканевый фильтр, осадок отделяют и промывают 500 см³ воды с температурой 60±1°C. Затем осадок переносят обратно в реактор, предварительно заполненный 300 см³ предварительно нагретого до 65±1°C 8%-ного раствора NaOH, процесс деацетилирования ведут при постоянном перемешивании на протяжении 180 минут при температуре 65±1°C. Нерастворимый в щелочи осадок отделяют на фильтре и промывают до достижения pH 8 в промывных водах, после чего осадок высушивают при 60±2°C до влажности 8% и измельчают до размеров частиц менее 250 мкм. Масса полученного осадка - 5,5 г. Полученный осадок помещают в реактор объемом 2000 см³, прибавляют 1500±25 см³ 1%-ного раствора соляной кислоты и проводят экстракцию на протяжении 45 минут. Осадок отделяют на фильтре и промывают 200 см³ воды, к фильтрату прибавляют 22%-ный раствор NaOH до достижения величины pH 10, выпавший осадок отделяют, промывают водой до pH 6 и сушат при температуре 60±2°C в течение 120 мин. Масса высушенного осадка 2,42 г. Выход хитозана на сухую массу исходного мицелия 24,2%, максимальная равновесная сорбционная емкость по отношению к ионам меди (Cu²⁺) 380 мг/г.

Пример 2. В реактор объемом 500 см³ помещают 350 см³ 3%-ного раствора NaOH и нагревают до 60±1°C, после чего загружают при постоянном перемешивании 33,3 г мицелия Aspergillus niger с влажностью 70%, реакционную массу выдерживают при перемешивании и указанной температуре в течение 60 минут, затем реакционную массу переносят на тканевый фильтр, осадок отделяют и промывают 600 см³ воды с температурой 40±1°C. Затем осадок переносят обратно в реактор, предварительно заполненный 300 см³ предварительно нагретого до 55±1°C 12%-ного раствора NaOH, процесс деацетилирования ведут при постоянном перемешивании на протяжении 150 минут при температуре 55±1°C. Нерастворимый в щелочи осадок отделяют на фильтре и промывают до достижения pH 8 в промывных водах, после чего осадок высушивают при 60±2°C до влажности 12% и измельчают до размеров частиц менее 250 мкм. Масса полученного осадка - 5,7 г. Полученный осадок помещают в реактор объемом 2000 см, прибавляют 1400±25 см³ 1%-ного раствора уксусной кислоты и проводят экстракцию на протяжении 45 минут. Осадок отделяют на фильтре и промывают 100 см³ воды, к фильтрату прибавляют 25%-ный раствор аммиака до достижения величины pH 10, выпавший осадок отделяют, промывают водой до pH 6 и сушат при температуре 60±2°C в течение 120 мин. Масса высушенного осадка 2,39 г. Выход хитозана на сухую массу исходного мицелия 24,0%, максимальная равновесная сорбционная емкость по отношению к ионам меди (Cu²⁺) 400 мг/г.

Пример 3. В реактор объемом 500 см³ помещают 230 см³ 5%-ного раствора NaOH и нагревают до 60±1°C, после чего загружают при постоянном перемешивании 16,0 г мицелия Aspergillus niger с влажностью 55%, реакционную массу выдерживают при перемешивании и указанной температуре в течение 60 минут, затем реакционную массу переносят на тканевый фильтр, осадок отделяют и промывают 500 см³ воды с температурой 60±1°C. Затем осадок переносят обратно в реактор, предварительно заполненный 300 см³ предварительно нагретого до 60±1°C 10%-ного раствора NaOH, процесс деацетилирования ведут при постоянном перемешивании на протяжении 170 минут при температуре 60±1°C. Нерастворимый в щелочи осадок отделяют на фильтре и промывают до достижения pH 8 в промывных водах, после чего осадок высушивают при 60±2°C до влажности 10% и измельчают до размеров частиц менее 250 мкм. Масса полученного осадка - 4,1 г. Полученный осадок помещают в реактор объемом 2000 см³, прибавляют 1000±25 см³ 1%-ного раствора соляной кислоты и проводят экстракцию на протяжении 45 минут. Осадок отделяют на фильтре и промывают 200 см³ воды, к фильтрату прибавляют 22%-ный раствор NaOH до достижения величины pH 10, выпавший осадок отделяют, промывают водой до pH 6 и сушат при температуре 60±2°C в течение 90 мин. Масса высушенного осадка 1,57 г. Выход хитозана на сухую массу исходного мицелия 21,8%, максимальная равновесная сорбционная емкость по отношению к ионам меди (Cu²⁺) 390 мг/г.

В таблице 2 представлены условия проведения технологического процесса получения хитозана по предложенному способу. На фиг. 1 представлена изотерма сорбции хитозана, полученного по предлагаемому способу по отношению к ионам Cu²⁺.

Представленные данные свидетельствуют о том, что хитозан, полученный по предложенному способу имеет максимальную равновесную сорбционную емкость по ионам (Cu²⁺) 380-400 мг/г сорбента, что подтверждается изотермой сорбции, представленной на фиг. Выход хитозана составляет 21,8-24,2% на сухую массу исходного мицелия, т.е. в 2 раза больше, чем в прототипе.

Изобретение позволяет получить хитозан с высокой сорбционной емкостью по отношению к ионам меди (Cu²⁺) и с высоким выходом целевого продукта.