На правах рукописи

УДК 629.5.07:656.61.052 (043.3)

ДОЛГОПЯТОВА НАТАЛИЯ ВЛАДИМИРОВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

D(+)-ГЛЮКОЗАМИНА НА ОСНОВАНИИ ИЗУЧЕНИЯ

КИНЕТИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ КИСЛОТНОГО

ГИДРОЛИЗА ХИТИНА

05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств 02.00.04 – Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Мурманск – 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мурманский государственный технический университет»

Научные руководители:

кандидат химических наук Новиков Виталий Юрьевич;

доктор физико-математических наук, профессор Путинцев Николай Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Слободов Александр Арсеньевич;

кандидат технических наук, доцент Петров Борис Федорович

Ведущая организация:

ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по развитию и эксплуатации флота (Гипрорыбфлот)» (С.-Петербург)

Защита диссертации состоится «03» ноября 2011 г. в 14 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 307.009.02. в Мурманском государственном техническом университете по адресу: 183010, г.Мурманск, ул.Спортивная, д.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мурманского государственного технического университета по адресу: 183010, г.Мурманск, ул. Спортивная, д. Отзывы на автореферат направлять по адресу: 183010, г. Мурманск, ул.Спортивная, д.13, ФГБОУВПО «МГТУ»

Автореферат размещен на сайте www.mstu.edu.ru «26» сентября 2011г.

Автореферат разослан «» сентября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, И. Н. Коновалова канд. техн. наук, профессор  

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Значительно возросший в последние годы интерес к полимерам природного происхождения – хитину и хитозану, их олигомерам и мономерам, обусловлен уникальным комплексом физикохимических свойств этих веществ, а так же присущим им широким спектром биологической активности (бактерицидной, противовирусной и др.). В России источником хитинсодержащего сырья являются промысловые крабы на Дальнем Востоке, северная креветка и акклиматизированный в Баренцевом море камчатский краб. Значительный вклад в исследования в области изучения хитина и хитозана из панциря ракообразных внесли ученые: Албулов А.И., Вихорева Г.А. Сафронова Т.М., Новиков В.Ю., Рогожин С.В., Гамзазаде А.И., Варламов В.П., Феофилова Е.П., Маслова Г.В., Hудьга Л.А., Плиско Е.А., Немцев С.В. и др.

Хитин является одним из основных источников промышленного получения ценного для медицинских целей вещества – D(+)-глюкозамина гидрохлорида (ГлАHCl). Многие лекарственные препараты и биологически активные добавки содержат в своем составе этот моносахарид в качестве основы. До недавнего времени в России единственным лицензированным производителем субстанции ГлАHCl была фирма ООО «НТЦ Экобиотек-Мурманск». В настоящее время D(+)глюкозамина гидрохлорид на этой фирме не выпускают из-за нерентабельности его производства. Практически весь ГлАHCl, содержащийся в лекарственных препаратах, закупается в странах ЮгоВосточной Азии. Цена его низкая, качество препарата невысокое. В Мурманске продолжаются исследования, направленные на дальнейшее совершенствование технологии получения ГлАHCl для медицинских целей и поиск возможности возобновления его промышленного производства.

Химический кислотный гидролиз хитина является одним из основных методов получения хитоолигосахаридов и мономеров: Dглюкозамина (ГлА) и N-ацетил-D(+)-глюкозамина (АцГлА).

хлороводородной кислоте образуется деацетилированный мономер ГлАHCl, что обычно используют для его промышленного получения.

Изучение механизма кислотного гидролиза хитина с целью усовершенствования технологии их получения является актуальным.

Цель работы. Цель данной работы – совершенствование технологии получения ГлАHCl на основании изучения кинетических закономерностей гидролиза хитина.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучение влияния степени деацетилирования и молекулярной массы хитина/хитозана на степень кристалличности этих полисахаридов.

2. Изучение кинетических закономерностей кислотного гидролиза хитина.

3. Изучение влияния степени деацетилирования на скорость кислотной деструкции хитина и выход ГлАHCl.

4. Исследование кинетических закономерностей кислотного гидролиза мономера хитина АцГлА.

5. Определение параметров технологических процессов усовершенствованной технологии получения ГлАHCl.

6. Апробация технологии ГлАHCl, разработка нормативной документации, расчет экономической эффективности усовершенствованной технологии.

Научная новизна. Впервые изучено влияние степени ионизации и нуклеофильности кислот на кинетику гидролиза хитина и его мономера АцГлА.

Предложены математическая модель и механизм кислотного гидролиза хитина.

Рассчитаны константы скоростей элементарных реакций гидролиза хитина и АцГлА.

Показано, что предварительное ацетилирование промышленного хитина приводит к увеличению выхода ГлАHCl.

Практическая значимость. Усовершенствована технология получения ГлАHCl из хитина на основе изучения кинетических закономерностей кислотного гидролиза хитина, определены близкие к оптимальным параметры технологического процесса.

На основании испытаний на базе учебно-экспериментального цеха ФГБОУВПО «МГТУ», (г.Мурманск) разработана и утверждена технологическая инструкция по получению ГлАHCl из предварительно ацетилированного хитина и технические условия на D(+)-глюкозамина гидрохлорид (полуфабрикат), предназначенный для промышленной переработки и очистки в целях дальнейшего применения в химикофармацевтической промышленности.

На базе учебно-экспериментального цеха ФГБОУВПО «МГТУ»

выработана опытная партия ГлАHCl, произведенная в соответствии с усовершенствованной технологией. Рассчитан ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенной технологии.

Подана заявка на патент № 2010121186/04 (030079), дата подачи заявки (приоритет): 25.05.2010. Получено решение о выдаче патента 15.08.2011.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

1. Усовершенствованная технология получения ГлАHCl из хитина.

2. Результаты изучения влияния степени деацетилирования и молекулярной массы на степень кристалличности хитина/хитозана.

3. Результаты изучения влияния степени ионизации и нуклеофильности кислот на кинетику гидролиза хитина.

4. Математическая модель и вероятный механизм процесса кислотного гидролиза хитина.

5. Результаты изучения кислотного гидролиза мономера хитина АцГлА.

6. Результаты изучения влияния предварительного ацетилирования промышленного хитина на выход ГлАHCl.

7. Производственная апробация усовершенствованной технологии получения ГлАHCl из хитина с использованием закономерностей кислотного гидролиза хитина.

8. Технологическая инструкция на усовершенствованную технологию и TУ на ГлАHCl (полуфабрикат).

9. Ожидаемая экономическая эффективность усовершенствованной технологии.

Внедрение результатов исследований. На основании проведенных испытаний на базе учебно-экспериментального цеха ФГБОУВПО «МГТУ», (г.Мурманск) разработаны технологическая инструкция по получению ГлАHCl из хитина с использованием закономерностей кислотного гидролиза предварительно ацетилированного хитина и технические условия на D(+)-глюкозамина гидрохлорид (полуфабрикат).

Результаты исследований, полученных в диссертационной работе, внедрены и используются в учебном процессе для студентов направления 020100.62 «Химия» и направления 260100.62 «Технология продуктов питания», специальности 260302.62 «Технология рыбы и рыбных продуктов» и аспирантов, обучающихся по специальности 02.00. «Физическая химия».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на международных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов, научных и инженерных работников МГТУ «Наука и образование» (г. Мурманск, 2008-2011г.), международной научно-практической конференции «Техника и технологии переработки гидробионтов и сельскохозяйственного сырья»

МГТУ (г. Мурманск, 2008), 7-ой Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании – 2009» КГТУ (г.Калининград), 10-ой международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» на базе Казанского государственного технологического университета (г.Казань, 2009), школе молодых ученых «Научноприкладные проблемы химической технологии минерального сырья и гидробионтов Кольского региона» МГТУ (г.Мурманск, 2009), 10-ой Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (РосХит 2010г. Нижний Новгород.), 10-ой Международной конференции Европейского Хитинового Общества (EUCHIS 2011, г. Санкт-Петербург).

Экспериментальная часть работы выполнена в Мурманском государственном техническом университете в рамках научноисследовательской работы по госбюджетной теме «Химический и электрохимический гидролиз гидробионтов различной природы»

(ГР 01200603803) и государственного контракта № П744.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, подана заявка на патент № 2010121186/04 (030079), приоритет от 25.05.2010. Получено решение о выдаче патента 15.08.2011.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы (168 наименования) и 4 приложений.

Работа изложена на 157 страницах, содержит 19 таблиц, 36 рисунков.

Содержание работы Введение. Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель исследования, научная новизна, защищаемые положения. Показана практическая значимость результатов работы.

В первой главе «Обзор литературы» приведен анализ отечественной и зарубежной литературы по вопросам, связанным со способами переработки хитинсодержащего сырья, получением хитина, хитозана и их мономеров – АцГлА и ГлА, строением и закономерностями химического гидролиза хитина, хитозана и их мономеров.

Во второй главе «Объекты и методы исследования» определены объекты исследования, методы анализа, описание усовершенствованной технологии получения ГлАHCl, порядок статистической обработки экспериментальных данных.

В качестве объектов исследования были выбраны хитин, соответствующий ТУ 9228-001-04703997-93 и его мономеры – ГлАHCl и АцГлА. ГлАHCl получали по известной технологии с использованием хитина, соответствующего ТУ 9228-001-04703997-93 «Хитин из панциря крабов».

Анализ сырья и продуктов выполняли в лаборатории биохимии и технологии гидробионтов ПИНРО (г. Мурманск) по методикам, описанным в научной литературе и нормативных документах.

Степень деацетилирования (DD) хитина и хитозана определяли методами потенциометрического титрования и инфракрасной спектроскопии с использованием ИК-спектрофотометра IR-420 (Shimadzu, Япония).

Молекулярную массу (MM) хитина и хитозана определяли вискозиметрическим методом и методом эксклюзионной высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).

ацетилированного хитина. Соотношение масс ацетилированного хитина и HCl составляло 1:1,5, гидролиз проводили при температуре 82±4°C и постоянном перемешивании в течение 2 часов.

восстанавливающих сахаров и АцГлА определяли спектрофотометрически на спектрофотометре UV-3101PC (Shimadzu, Япония). Содержание ГлАHCl рассчитывали по разнице между общим количеством восстанавливающих сахаров и содержанием АцГлА.

Изучение структурных свойств образцов хитина и хитозана проводили в ИХТРЭМС Кольского научного центра РАН на дифрактометре рентгеновском общего назначения ДРОН-2 (НПО «Буревестник») методом рентгеновского фазового анализа.

Идентификацию фаз проводили по данным таблицы YCPDS.

Определение технологических параметров процесса, близких к оптимальным, было проведено с использованием метода планирования эксперимента. Расчеты выполнены с помощью программы STATISTICA Ver.8.0 (StatSoft., Inc.).

В третьей главе «Результаты и их обсуждение» приведены результаты исследований и их обсуждение; усовершенствованная технология получения ГлАHCl из хитина с использованием закономерностей кислотного гидролиза хитина.

1. Влияние молекулярной массы и степени деацетилирования на степень кристалличности хитина/хитозана С целью изучения влияния DD хитина на скорость, глубину кислотной деструкции и выхода ГлАHCl предварительно было изучено влияние DD и ММ хитина/хитозана на степень кристалличности (кр) этих полисахаридов. Результаты изучения влияния ММ и DD хитина/хитозана на кр исследованных образцов приведены в табл.1.

Молекулярная масса, степень деацетилирования и степень кристалличности образцов хитина/хитозана Из табл.1 следует, что кр исследованных образцов при уменьшении ММ незначительно увеличивается. Статистическая обработка экспериментальных данных показала достоверность увеличения степени кристалличности исследованных образцов хитина/хитозана при уменьшении ММ образцов при доверительной вероятности 95 %.

Зависимость кристалличности от DD не была обнаружена (табл.1).

Из литературных данных известно, что кр хитина практически не оказывает влияния на механизм реакции его щелочного деацетилирования, а особенность кинетической кривой объясняется сольватацией молекул хитина в водно-щелочной среде. По всей видимости, при изучении закономерностей кислотного гидролиза хитина, влияние степени кристалличности образцов хитина/хитозана на механизм деструкции и деполимеризации этих полисахаридов можно не учитывать.

2. Влияние степени ионизации и нуклеофильности кислот на кинетику гидролиза хитина и N-ацетил-D-глюкозамина 2.1. Влияние степени ионизации и нуклеофильности кислот на кинетику деструкции хитина Результаты изучения кинетики деструкции хитина под действием кислот различной силы при СН=1,0 моль/дм3 приведены на рис.1. Для HCl, HClO4 и H3PO4 при СН=0,5 и 2,0 моль/дм3 получены аналогичные результаты.

Рис.1. Кинетические кривые деструкции хитина в растворах HCl(1), H2SO4(2), Из рисунка 1 следует, что скорость гидролиза гликозидной связи в условиях эксперимента зависит от природы кислоты. Так, в слабой уксусной кислоте (константа диссоциации Кд=1,810-5) и фосфорной кислоте (константа диссоциации по первой ступени Кд=7,510-3) скорость деструкции наименьшая (рис.1, кривые 5 и 4). В присутствии сильных кислот (HClO4, HCl и H2SO4) начальная скорость гидролиза хитина значительно выше, чем в CH3COOH и H3PO4 (рис.1, кривые 1-3).

Анализ кинетических кривых гидролиза показал, что процесс деструкции хитина в кислой среде не может быть описан реакцией гидролиза гликозидных связей полисахарида, а значит и простым кинетическим уравнением первого (псевдопервого) порядка.

В соответствии с предполагаемым нами механизмом этот процесс может быть описан несколькими параллельными элементарными реакциями первого (псевдопервого) порядка:

- реакция гидролиза гликозидных связей у ацетилированного звена (А-звено, константа скорости реакции k1);

- реакция гидролиза гликозидных связей у деацетилированного звена (D-звено, константа скорости реакции k2);

- реакция деацетилирования (константа скорости реакции k3).

Для расчета констант скоростей этих реакций было выполнено математическое моделирование механизма гидролиза.

Представим молекулу хитина состоящей из Na ацетилированных и Nd деацетилированных звеньев. Пусть количество связей у первого углеродного атома (C1) ацетилированного звена (A-звена) равно na, количество таких же связей у деацетилированного звена (D-звена) – nd, количество разорванных связей у ацетилированного и деацетилированного звеньев обозначим соответственно как La и Ld.

Тогда механизм деструкции можно описать следующей системой уравнений:

Если при деацетилировании изменится количество ацетилированных (деацетилированных) звеньев, то также изменится количество гликозидных связей у C1 атома.

Общее количество связей в молекуле равно общее количество звеньев в молекуле В последнем равенстве одно звено на «правом» восстанавливающем конце молекулы является неопределенным (ацетилированное – A или деацетилированное – D).

Степень деацетилирования молекулы полисахарида:

где приближенное равенство определяется наличием именно того единственного «правого» неопределенного звена (A или D). При больших значениях MM количество звеньев так же большое, поэтому приблизительно количество связей будет равно количеству звеньев.

Средняя молекулярная масса звена хитина/хитозана:

где ma – ММ ацетилированного звена (203 а.е.м.), md – ММ деацетилированного звена (161 а.е.м.).

Среднюю ММ звена можно приравнять к массе неопределенного «правого» звена.

ММ хитина/хитозана в момент времени t будет равна:

Исходя из этих представлений, система дифференциальных уравнений процесса деструкции будет иметь вид:

Здесь L(t) = La(t) + Ld(t).

Начальные условия гидролиза определяли с учетом того факта, что хитин не является полностью ацетилированным полисахаридом и имеет некоторую начальную степень деацетилирования d0. С учетом этого получим:

тогда начальная ММ будет равна:

Преобразуем выражение и выразим na0:

Решение системы уравнений с учетом начальных условий гидролиза с помощью программы Maple 13 (Waterloo Maple Inc.) дает для na(t) и nd(t) следующие выражения:

где 42 – разность молекулярных масс ацетилированного и деацетилированного мономерных звеньев (203 – 161 = 42 а.е.м.).

Поскольку экспериментально определяли средневязкостную MM после стандартного деацетилирования образцов хитина, (эта MM близка к среднемассовой MM), то при математическом моделировании процесса гидролиза необходимо учесть уменьшение MM образцов, вызванное потерей ацетильных групп полисахаридом после реакции стандартного деацетилирования (в 50 %-ной NaOH, при температуре 100 °C в течение минут).

Если после деструкции MM равна MM(t), то после стандартного деацетилирования образца MM будет равна MMst(t).

Экспериментальные данные по стандартному деацетилированию хитина были получены ранее (Новиков В.Ю), из которых выведена эмпирическая зависимость между начальной DD полисахарида и DD в момент времени t:

где di(t) – DD в момент времени t, di0 – начальная DD, dlim – предельная DD, которую можно принять за 1.

При t=60 мин и температуре деацетилирования 100 °C, X(t)=0,6813.

С учетом этих данных, после преобразования выражения (16) получим:

di (60)=0,6813 – 0,3187di0.

Тогда DD хитина после стандартного деацетилирования:

dst(t) = 0.6813 + 0.3187d(t), MM будет определяться по выражению:

Начальную MM хитина при d0, полученную в эксперименте с учетом реакции деацетилирования обозначим как MMst0. Тогда начальная MM исходного хитина будет равна:

С учетом вышеприведенных расчетов, допущений и подстановок было получено аналитическое уравнение для расчета MM(t).

Предложенная модель была оптимизирована методом наименьших квадратов с использованием пакета «Optimization» программы Maple (Waterloo Maple Inc.). Для расчета использовали экспериментальные значения MM(t) для изученных кислот при СН = 0,5, 1,0 и 2,0 моль/дм3.

Полученные в результате оптимизации константы скоростей реакций (k1, k и k3) приведены в табл.2.

Константы скоростей реакций деструкции и деацетилирования хитина (k) при различной молярной концентрации эквивалента кислот (СН). Начальная степень деацетилирования хитина d0 = 0, Из данных, приведенных в табл.2, следует, что константа скоростей реакций гидролиза гликозидных связей у ацетилированных звеньев (k1) на порядок больше, чем у деацетилированных (k2) для всех изученных кислот при всех концентрациях. Одновременно с реакцией деструкции с большой скоростью протекает реакция деацетилирования (k3).

На рис.2 приведена зависимость констант скоростей реакций деструкции и деацетилирования от pKa изученных кислот при концентрации кислот СН=0,5 и 2,0 моль/дм. С увеличением степени ионизации кислот константы k1 и k2 возрастают. Наблюдается увеличение констант скорости гидролиза обеих гликозидных связей в