способ получения хитозана

Формула изобретения

Способ получения хитозана, характеризующийся тем, что он включает измельчение природного хитинсодержащего сырья, проведение поочередно чередующихся трех стадий депротеинизации сырья и трех стадий декальцинирования, стадии депротеинизации осуществляют раствором гидроксида натрия концентрацией 3-5%, приготовленным методом диафрагменного электролиза, в течение 3-4 ч при температуре 60-65°С; стадии декальцинирования проводят 3-5%-ным раствором соляной кислоты, при температуре 20-25°С в течение 1-3 ч; деацетилирование 49-55%-ным гидроксидом натрия, полученного методом диафрагменного электролиза; стадии депротеинизации и декальцинирования проводят в последовательно соединенных шести стальных аппаратах с внутренним стеклоэмалевым покрытием, с мешалками, термокарманами, штуцерами для ввода и удаления реагентов, рубашками для охлаждения и подогрева реакционных масс, после чего проводят деацетилирование 49-55%-ным раствором гидроксида натрия, полученного методом диафрагменного электролиза, процесс ведут при температуре 95-105°С в течение 7-9 ч; промывку, фуговку и сушку готового хитозана.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к фармакологии и позволяет получать природное соединение хитозан, широко используемое в фармакологии.

Известен способ получения хитозана, включающий одноразовую депротеинизацию 3,5%-ным раствором гидроксида натрия в течение 2-х часов при t=65°С, фильтрование суспензии, промывку твердой фазы, деминерализацию (декальцинирование) 3,65%-ным раствором HCl за 30 мин при комнатной температуре, фильтрование, промывку, экстракцию ацетоном, сушку, отбеливание 0,315%-ным раствором гипохлорита натрия, промывку и сушку полученного хитина, деацетилирование 50%-ным раствором гидроксида натрия при 100°С продолжительностью 30 мин, промывку и сушку полученного хитозана. (Meyers S.P., No Н.К., Lee K.S. Isolation and characterization of chitin from crabfish shell waste J. Agric. Food Chem. 1989, 37, 575).

Недостатками известного способа являются большое количество операций, выполняемых вручную, т.к. процесс оформлен по периодическому методу; невозможность удалить большую часть протеинов и гидроксида кальция из-за слишком короткого времени проведения процесса депротеинизации и декальцинирования; совершенно недостаточное время проведения стадии деацетилирования; излишняя фаза проведения экстракции, да к тому же огне- и взрывоопасным и токсичным реагентом - ацетоном; отбеливание готового хитина гипохлоритом натрия, активный хлор которого в какой-то мере разрушает молекулу хитина; появление в сточных водах активного хлора после длительной промывки хитина до полного отсутствия хлора в продукте. В результате получается хитозан со степенью деацетилирования не выше 60-70%, с повышенным содержанием протеинов и минеральных примесей, а также с низкой вязкостью.

Наиболее близким аналогом предложенного изобретения является способ получения хитозана, включающий измельчение природного хитинсодержащего сырья до частиц размером 100-200 мкм; экстракцию порошка жидкой двуокисью углерода в течение 1-3 часов; первое декальцинирование порошка 5-10-кратным избытком 0,8-2,5%-ной соляной кислоты при 35-50°С в течение 0,5-2 часов; промывку твердой фазы водой при 50-75°С до рН 5,4; проведение 1-ой депротеинизации при 4-7-кратном объеме воды и рН 9,0-10,5 добавлением в воду твердого гидроксида натрия. В полученную суспензию добавляют фермент в количестве 0,1-0,5% от веса сухого порошка; сливают жидкую фазу; промывают остаток водой; проводят второе декальцинирование 5-7-кратным от веса сухого порошка количеством 0,8-2,5% соляной кислоты при температуре 35-50°С в течение 0,5-2 часов; промывают реакционную массу; добавляют 4-7-кратный объем воды и доводят его рН до 9,0-10,5, добавляя твердый гидроксид натрия и 0,1-0,5% от веса сухого порошка фермент. Депротеинизацию ведут 2-4 часа при температуре 50-70°С; сливают маточный раствор, добавляют 2-4 объема от веса сухого хитина 45-50% гидроксида натрия и ведут деацетилирование при температуре 85-95°С в течение 2-4 часов; промывают хитозан водой при температуре 60-80°С до рН 6,5-7,4; хитозан центрифугируют; сушат и измельчают (пат. РФ №2221811).

Недостатками известного способа являются:

большое количество операций (8) в производстве продукта, выполняемых вручную, т.к. процесс оформлен как периодический;

чрезмерно высокая степень помола исходного сырья, вследствие чего потери обрабатываемого материала будут велики и станут возрастать по мере удаления из сырья протеинов (до 40%) и СаСО ₃ (до 30%) и связанного с этим дополнительного уменьшения размеров крупинок;

опасная операция экстракции порошка жидкой двуокисью углерода, которая сохраняет жидкое состояние только под давлением выше 60 кгс/см². Выполнение операции возможно только в автоклаве и становится поднадзорным Госгортехнадзору;

затруднения во взмучивании осевшего на дно промышленных реакторов осадка порошка после удаления маточных растворов и вероятная поломка редукторов при включении двигателей мешалок;

необходимость в наличии устройств для обеспечения безопасного стравливания давления СО₂ из реактора;

слишком высокая температура процесса декальцинирования и

связанная с этим повышенная деструкция молекулы хитина;

хлористого водорода, содержащегося в вводимой для декальцинирования соляной кислоте, недостаточно для полного удаления углекислого кальция;

промывка полученного кальцинированного хитинбелкового комплекса (КХБК) от хлористого водорода до рН 5,4 требует большого расхода воды и продолжительна во времени;

использование питьевой воды для промывки сопряжено с увеличением содержания солей жесткости (несгораемого остатка) в готовом продукте;

приготовление щелочного раствора для депротеинизации непосредственно в реакторе добавлением в суспензию твердой щелочи - прием опасный, связанный со спонтанным повышением температуры и местным перегревом в месте попадания щелочи в воду;

температура, время и продолжительность деацетилирования недостаточны для достижения высокой степени деацетилирования.

С целью получения высококачественного хитозана, пригодного для использования в медицине, а также во избежание перечисленных выше недостатков известного способа предлагается следующий способ получения хитозана, осуществляемый непрерывным методом и включающий три стадии депротеинизации и три стадии декальцинирования, выполняемые попеременно, сменяя депротеинизацию декальцинированием, имитируя таким образом принцип противотока, в котором обрабатываемый материал по мере прохождения процесса контактирует со свежими реагентами. В зависимости от качества и состава исходного сырья (дробленого панциря краба - далее «крупка краба»), количество, порядок и продолжительность применения стадий декальцинирования и депротеинизации могут быть изменены. В случае если в крупке краба количество фракции минус 3 мм превышает 3%, сокращают количество и время проведения декальцинирования и депротеинизации. При содержании в крупке краба СаСО₃ более 40% или протеинов свыше 45% уменьшают количество и время проведения депротеинизации или декальцинирования соответственно.

В результате получается хитин белого цвета, практически не содержащий СаСО₃ и с очень незначительным остатком протеинов. Выделенный хитин подвергают реакции деацетилирования высокопроцентным гидроксидом натрия при повышенной температуре. Все реакции проводят в атмосфере азота, в цепочке из стандартных стальных аппаратов с высококачественным стеклоэмалевым покрытием, вместимостью 6,3-2,5 м³, снабженных мешалками, термокарманами, штуцерами для ввода и удаления реагирующих компонентов, рубашками для обогрева и охлаждения реакционных масс, а также в аппарате из стали Х18Н10Т, так как при проведении деацетилирования стеклоэмалевое покрытие реакторов разрушается высокими температурами и концентрациями щелочи.

Операции загрузки компонентов, реагентов, удаления маточных растворов и промывных вод механизированы. Они осуществляются за счет вакуума, создаваемого в каждом из аппаратов.

В отличие от известных способов, в предлагаемом в качестве щелочного агента применяется жидкий раствор гидроксида натрия, полученного методом диафрагменного электролиза. Благодаря использованию жидкой соды каустической диафрагменной отпала надобность в проведении опасных и трудоемких работ по дроблению и растворению твердой щелочи.

Все аппараты до загрузки в них реагентов и обрабатываемого материала заполняются азотом.

Суть способа заключается в следующем.

1-ая депротеинизация. Реактор А-1 заполняют азотом и загружают в него 800 кг дробленого панциря краба. Сюда же подают 4000 литров 3%-ного раствора NaOH, полученного методом диафрагменного электролиза, при 60-65°С. Выдерживают пульпу при перемешивании и t=60-65°С 3-4 часа. После 10-20 мин отстоя маточник удаляют в сборник. Оставшийся кальцинированный хитинбелковый комплекс (КХБК) промывают 2400 литрами воды температурой 60-65°С, перемешивают пульпу 30-40 мин, дают отстояться 10-20 мин и удаляют промывную воду в сборник. Операцию проводят два раза.

1-е декальцинирование. Реактор А-2 заполняют азотом, подают пульпу из А-1 и перемешивают в течение 10 мин. Дают отстояться 10 мин, удаляют из реактора А-2 воду и подают 4000 литров 5%-ного раствора HCl с t=10-20°С. Выдерживают пульпу при перемешивании и t=20-25°C 1-1,5 часа. После 10 мин отстоя маточник удаляют в сборник. Оставшийся КХБК промывают 2400 литрами воды температурой 60-65°С, перемешивают пульпу 30 мин, дают отстояться 10 мин и удаляют промывную воду в сборник. Операцию проводят два раза.

2-я депротеинизация. Реактор А-3 заполняют азотом, подают пульпу из А-2 и перемешивают в течение 10 мин Дают отстояться 10 мин, удаляют из реактора А-3 воду и подают 4000 литров 4%-ного раствора NaOH, полученного методом диафрагменного электролиза t=55-60°С. Выдерживают пульпу при перемешивании и t=55-60°С 4 часа. После 10 мин отстоя маточник удаляют в сборник. Оставшийся КХБК промывают 2400 литрами воды температурой 60-65°С, перемешивают пульпу 30 мин, дают отстояться 10 мин и удаляют промывную воду в сборник. Операцию проводят два раза.

2-е декальцинирование. Реактор А-4 заполняют азотом, подают пульпу из А-3 и перемешивают в течение 10 мин Дают отстояться 10 мин, удаляют из реактора А-4 воду и подают 2400 литров 4%-ного раствора HCl с t=20-25°С. Выдерживают пульпу при перемешивании и t=20-25°С 2 часа. После 10 мин отстоя маточник удаляют в сборник. Оставшийся КХБК промывают 2400 литрами воды температурой 60-65°С, перемешивают пульпу 30 мин, дают отстояться 10 мин и удаляют промывную воду в сборник. Операцию проводят два раза.

3-я депротеинизация. Реактор А-5 заполняют азотом, подают пульпу из А-4 и перемешивают в течение 10 мин Дают отстояться 10 мин, удаляют из реактора А-5 воду и подают 2400 литров 5%-ного раствора NaOH, полученного методом диафрагменного электролиза t=50-55°С. Выдерживают пульпу при перемешивании и t=55-60°С 2 часа. После 10 мин отстоя маточник удаляют в сборник. Оставшийся кальцинированный хитин (КХ) промывают 2000 литрами воды температурой 60-65°С, перемешивают пульпу 30 мин, дают отстояться 10 мин и удаляют промывную воду в сборник. Операцию проводят два раза.

3-е декальцинирование. Реактор А-6 заполняют азотом, подают пульпу из А-5 и перемешивают в течение 20 мин. Дают отстояться 10 мин, удаляют из реактора А-6 воду и подают 2400 литров 3%-ного раствора HCl с t=20°С. Выдерживают пульпу при перемешивании и t=20°С 2 часа. После 10 мин отстоя маточник удаляют в сборник. Оставшийся хитин промывают 1600 литрами воды температурой 40-45°С, перемешивают пульпу 30 мин, дают отстояться 10 мин и удаляют промывную воду в сборник. Операцию проводят до получения рН 6,0. Хитин получается белого цвета, практически не содержит СаСО₃ и протеинов.

Деацетилирование. Реактор А-7 заполняют азотом, подают пульпу из А-6 и перемешивают в течение 20 мин Дают отстояться 10 мин, удаляют из реактора А-7 воду и подают 2700 литров 49-55%-ного раствора NaOH, полученного методом диафрагменного электролиза. Процесс ведут при t=95-105°C в течение 7-9 часов. По истечении времени реакции маточник удаляют в отдельный сборник, а готовый хитозан промывают.

Фуговка. Первично влагу из хитозана удаляют на центрифуге при 1400 об/мин в течение 25-40 минут.

Сушка хитозана. Снятый с центрифуги сырой хитозан содержит около 60% воды. Его сушат в барабанной вакуумной сушилке при остаточном давлении 90-120 мм рт. ст. и t=60-65°С.

В предлагаемом способе получения хитозана выход готового продукта составляет 94-95%, а его качественные показатели выражены следующими цифрами:

- массовая доля воды %, не более	6
- динамическая вязкость 1% р-ра хитозана в
1% растворе	10-1000
уксусной кислоты сП, в пределах
- степень деацетилирования %, не менее	90
- массовая доля нерастворимого остатка
1% р-ра хитозана	0.1
в 1% р-ре уксусной кислоты %, не более
- массовая доля остатка после
прокаливания %, не более	0.1
- содержание протеинов %, не более	0.15
- содержание тяжелых металлов (Hg, As, Pb, Sb)
ppm, не более	3
- рН водной вытяжки, в пределах	6-7.3
- микрофлора МАФАнМ, не более	1×10-3

Благодаря постепенной и послойной обработке исходного сырья удается свести до минимума повреждение молекулы хитина, практически полностью удалить все примеси, так как здесь моделируется принцип противотока, при котором в каждом из аппаратов по мере передвижения обрабатываемой крупки краба из аппарата в аппарат она встречается со свежими реагентами.