Processo para preparação de quitosana por meio de desacetilação de quitina

  • Número do pedido da patente:
  • PI 0901825-5 A2
  • Data do depósito:
  • 04/05/2009
  • Data da publicação:
  • 25/01/2011
Inventores:
  • Classificação:
  • C08B 37/08
    Preparação de polissacar?deos n?o abrangidos pelos grupos ; Seus derivados; / Chitina; Sulfato de condroitina; ?cido hialur?nico; Seus derivados;
    ;
    C12P 19/26
    Prepara??o de compostos contendo radicais sacar?deos; / Prepara??o de carboidratos contendo nitrog?nio;
    ;

PROCESSO PARA PREPARAÇAO DE QUITOSANA POR MEIO DE DESACETILAÇAO DE QUITINA. Processo para preparação de quitosana por meio de desacetilaçãO de quitina, compreendendo as etapas de suspender a beta-quitina (alfa-quitina) extraida de gládios de lulas (cefalotórax de camarões) em solução aquosa de hidróxido de sódio; irradiar a suspensão de beta-quitina (alfa-quitina) com ultra-som de alta intensidade em uma temperatura branda e em um tempo curto de processamento, para aperfeiçoar a reação de desacetilação para produzir quitosana com baixo grau médio de acetilação e elevada massa molar média viscosimétrica; e Isolar a quitosana produzida após o fim da reação de desacetilação da quitina para produzir quitosana por meio de neutralização do meio reacional, filtração, lavagens e secagem.

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Documento

PI0901825-5

PROCESSO PARA PREPARAÇÃO DE QUITOSANA POR MEIO DE DESACETILAÇÃO DE QUITINA

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção se refere em geral a processos de desacetilação de quitina para obter quitosana e, em particular, a um processo para preparação de quitosana via desacetilação de quitina assistida por irradiação de ultra-som de alta intensidade.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

A quitina e a quitosana são polimeros que possuem afinidade por fibras naturais e sintéticas, proteinas, lipideos, pesticidas, corantes, ions metálicos e radioisótopos, entre outras substâncias, o que qualifica esses polimeros para aplicações no tratamento de águas e de efluentes industriais, nas indústrias têxtil e papeleira. Ambos são biopolimeros, biocompativeis, biodegradáveis, atóxicos e exibem atividade antimicrobiana, que encontram aplicações nas indústrias alimenticia e de cosméticos, e também na agricultura, em medicina, odontologia e em formulações farmacêuticas. Entretanto, a quitina apresenta limitações importantes quanto a essas aplicações devido à sua baixa solubilidade em solventes comuns e à susceptibilidade à degradação térmica, enquanto a quitosana é empregada em muitas, dessas aplicações, conforme pode ser constatado na literatura cientifica e em bancos de patentes.

Assim, podem ser citadas as aplicações atuais da quitosana na adsorção de materiais radioativos, no tratamento de águas, atuando na remoção dos ions metálicos e como agente floculante, eliminando substâncias tais como proteinas e lipideos, como agente anticolesterolêmico, na liberação controlada de fármacos, como agente microbicida em filtros de aspiradores de pó, na eliminação de compostos quimicos, presentes em frutas e vegetais, que agridem o trato gastrointestinal, em formulações cosméticas e farmacêuticas, como membrana para separação de solventes orgânicos, na redução da transpiração de plantas e para produção de pele

artificial, entre outras aplicações.

As características que determinam as principais propriedades de quitosana, tais como a solubilidade, a viscosidade, a afinidade por diferentes substâncias, a atividade antimicrobiana, e as aplicações de quitina e quitosana dependem fortemente do grau médio de acetilação e da massa molar dos polimeros (KOIDE, S. S. Chitin-chitosan: properties, benefits and risks. Nutrition Research, v. 18, n. 6, p. 1091-1101,    1998; SASHIWA, H.; AIBA, S. Chemically

modified chitin and chitosan as biomaterials. Progress in Polymer Science, v. 29, p. 887-908, 2004; KHOR, E.; LIM, L. Y. Implantable applications of chitin and chitosan. Biomaterials, v. 24, p. 2339-2349, 2003; SYNOWIECKI, J.; AL-KHATEEB, N. A. Production, Properties, and Some New Applications of Chitin and Its Derivatives. Criticai Reviews in Food Science and Nutrition, v. 43, p. 145-171,    2003;

MAJETI, N. V. KUMAR, R. A. A review of chitin and chitosan applications. Reactive & Funcional Polymers, v. 46, p. 1-27, 2000; KURITA, K. Chemistry and application of chitin and chitosan. Polymer Degradation and Stability, v. 46, p. 117-120,    1998; RINAUDO, M. Chitin and chitosan:    properties and

applications. Progress in Polymer Science, v. 31, p. 603-632, 2006; PRASHANTH, H.    K.    V.    ; THARANATHAN, R.    N.

Chitin/chitosan:    modifications and    their    unlimited

application potential - an overview. Trends in Food Science & Technology, v. 18, p. 117-131,    2007; DEVLIEGHERE ,    F.;

VERMEULEN, A.; DEBEVERE, J. Chitosan: antimicrobial activity, interactions with food components and applicability as a coating on fruit and vegetables. Food Microbiology, v. 21, p. 703-714,    2004; KUMAR, M. N.; MUZZARELLI, R. A.; MUZZARELLI,

C.; SASHIWA, H.;    DOMB,    A.    J. Chitosan chemistry    and

pharmaceutical perspectives. Chemical Reviews, v. 104, p. 6017-6084,    2004;    SENEL, S.; MCCLURE,    S. J. Potential

applications of chitosan in veterinary medicine. Advanced Drug Delivery Reviews, v. 56, p. 1467- 1480, 2004.

A desacetilação da quitina leva à obtenção de quitosana, seu mais importante derivado, cuja estrutura primária é idêntica à da quitina a não ser pelo fato que em quitosana predominam as unidades 2-amino-2-desoxi-D-glicopiranose. De fato, a completa desacetilação da quitina raramente é realizada, pois são necessárias muitas reações consecutivas, que também favorecem a sua progressiva despolimerização. Assim, o termo quitosana abrange o conjunto de copolimeros que contem ao menos 50-60% de unidades 2-amino-2-desoxi-D-glicopiranose. O grau médio de acetilação define a porcentagem de unidades 2-acetamido-2-desoxi-D-glicopiranose presentes, em média, nas cadeias do polimero. Não há limites bem definidos em termos dos conteúdos de unidades 2-acetamido-2-desoxi-D-glicopiranose e 2-amino-2-desoxi-D-glicopiranose para a distinção de quitina e quitosana, mas em função de suas composições distintas os polimeros exibem propriedades bem diferentes. Do ponto de vista prático é a solubilidade que permite a distinção mais simples e rápida, pois quitosanas são solúveis em soluções aquosas diluidas de vários ácidos - as soluções de ácido acético e cloridrico são as mais comumente empregadas - mas quitina não é solúvel nesses meios, sendo dissolvida apenas em poucos sistemas solventes.

A desacetilação da quitina pode ser realizada por processos quimicos ou enzimáticos, porém esses últimos não são empregados em escala industrial, devido aos custos elevados de extração das desacetilases bem como sua baixa produtividade. Os processos quimicos de desacetilação de quitina podem ser realizados pela via homogênea, a qual se realiza com álcali-quitina, ou heterogênea, sendo esta a mais extensivamente usada e estudada. Geralmente a quitina é suspensa em soluções aquosas concentradas de NaOH ou KOH (40 - 60%) por tempos variáveis (0,5 - 24 h) e a temperaturas relativamente elevadas (50 - 130°C). As características da quitosana obtida são determinadas pela concentração da solução alcalina e a razão quitina/solução alcalina, tamanho das partículas de quitina, temperatura, tempo e atmosfera de reação. As condições mais severas são geralmente empregadas no sentido de favorecer a eficiência da desacetilação, porém disso resulta acentuada despolimerização via hidrólise alcalina.

São conhecidas várias aplicações da irradiação de ultra-som em diferentes áreas do conhecimento, tais como Biologia, Odontologia, Engenharia e Quimica, e em indústrias de materiais, de polimeros e de alimentos (CARDOSO, M. B.; "Estudo dos efeitos da irradiação de quitina com ultrassom sobre    sua desacetilação"; Dissertação    de    Mestrado,

Universidade de São Paulo, 2003). Na Quimica e na Engenharia as principais    aplicações    da    irradiação    de ultra-som são

voltadas para a limpeza de superfícies através da remoção de camadas inertes, a redução do tamanho de partículas, a moldagem de termoplásticos, a execução de testes para a avaliação não-destrutiva de materiais, a perfuração, corte e pulverização de materiais, o processamento de vidros e cerâmicas, a    sintese    de    polimeros    e de compostos

organometálicos (MASON, T. J. , A general introduction to sonochemistry. Em: "Mason, T. J. ed., Sonochemistry: the uses of ultrasound    in chemistry".    London, Te    Royal Society of

Chemistry, 1990, Chap. 1, pp. 1-18; PETERS, D., Ultrasound in materiais chemistry; Journal of Materials Chemistry, 6    (10),

1605-1618,    1996; PRICE,    G.    J. , Ultrasonically enhanced

polymer synthesis, Ultarsonics Sonochemistry, 3,    229-238,

1996. Na área de polimeros se encontram muitos estudos em que soluções de polimeros são tratadas com irradiação de ultra-som visando a fragmentação das cadeias poliméricas (KARDOS, N.; LUCHE, J. L.; Sonochemistry of carbohydrate polymers. Carbohydrate Research, 332,    115-131,    2001; KODA, S.; MORI,

H.; MATSUMOTO, K. ; NOMURA, H.; Ultrasonic degradation of water-soluble polymers. Polymer, 35 (1), 30-33, 1994) e também há registros de trabalhos em que a irradiação de ultra-som foi empregada para provocar a despolimerização de quitina e quitosana (TAKAHASHI, Y.; MIKI, F. ; NAGASE, K. ;

Effect of sonolysis on the acid degradation of chitin to form oligosaccharides. Bulletin of Chemical Society of Japan, 68, 1851-1857,    1995; TAKAHASHI, Y.; Effect of sonication on the

acid degradation of chitin and chitosan. In:    Proceedings of

the 7— International Conference on Chitin and Chitosan. Lyon, 1997,    372-377; SIGNINI, R. ; DESBRIÉRES, J. ; CAMPANA-

FILHO, S. P.; On the stiffness of chitosan hydrochloride in acid-free aqueous Solutions. Carbohydrate Polymers, 43(4), 351-357,    2000) e outros nos quais a irradiação de ultra-som

foi aplicada nos procedimentos de extração de quitina da biomassa (DO SIM, P. C. Efeitos do tratamento com ultra-som sobre a    extração de quitina da biomassa e sobre a

solubilidade do polissacarideo.    2005. 123f. Dissertação

(Mestrado em Ciências - Fisico-Quimica) - Instituto de Quimica de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2005; KJARTANSSON, G. T. ; ZIVANOVIC, S.; KRISTBERGSSON, K. ; WEISS, J. Sonication-assisted extraction of chitin from north Atlantic shrimps (Pandalus borealis) . Journal of Agricultural and Food    Chemistry,    v.    54, p.    5894-5902,    2006;    KJARTANSSON,

G.T.; ZIVANOVIC, S.; KRISTBERGSSON, K.; WEISS, J. Sonication-assisted    extraction    of    chitin from shells of    fresh water

prawns (Macrobrachium rosenberggi) . Journal of Agricultural and Food    Chemistry,    v.    54, p.    3317-3323,    2006). No que diz

respeito à    desacetilação de    quitina, em trabalhos

desenvolvidos anteriormente a irradiação de ultra-som foi aplicada como pré-tratamento (10-30 minutos) de alfa-quitina suspensa em água, a alfa-quitina irradiada era em seguida filtrada, seca e então submetida à desacetilação por tratamento com solução aquosa 40% de hidróxido de sódio por 6 horas a 115°C. Por esse procedimento era produzida quitosana com GA~9% e Mv«120000 g/mol, em comparação com aquela preparada    a partir    da mesma    matéria-prima e    nas mesmas

condições reacionais, exceto pela aplicação do pré-tratamento com irradiação de ultra-som, que apresentava GA=»16% e Mv«=150000 g/mol.

O documento US 2008/0118563, publicado em 22/05/2008, "Preparation of chitin and derivatives thereof for cosmetic and therapeutic use", revela no parágrafo [0003] um tratamento físico por sonicação de alfa-quitina para levar ao isolamento de nanofibilas de quitina. Entretanto,    este

documento não trata de desacetilação de quitina empregando ultra-som.

O documento PI 0601249-3, publicado em 27/11/2007, "Produção de quitina e quitosana a partir de carapaças de crustáceos", trata de um processo de produção de quitina e quitosana a partir de carapaças de crustáceos. O processo caracteriza-se por cinco etapas:    desmineralização com a

utilização de ácido cloridrico diluido, desproteinação com NaOH diluido, despigmentação com o uso de hipoclorito de sódio, desacetilação com o uso de solução de NaOH concentrada, sob atmosfera de nitrogênio e clarificação com peróxido de hidrogênio. O processo difere dos já reportados na literatura por não utilizar solvente, minimizar o uso da água, reutilizar reagentes e eliminar a produção de residuos poluentes.

Portanto, há no estado da técnica a necessidade de um processo de preparação de quitosanas com baixo grau médio de acetilação (GA<20%) e de massa molar média viscosimétrica elevada (Mv>4xl05 g/mol) por meio de desacetilação de quitina mais eficiente.

OBJETO DA INVENÇÃO

É um objeto da invenção propiciar a preparação de quitosanas com baixo grau médio de acetilação (GA<20%) e de massa molar média viscosimétrica elevada (Mv>4xl05 g/mol) após a execução de uma etapa de tratamento de curta duração (t^60 min) em temperatura moderada (T^80°C) , empregando como matéria-prima a beta-quitina extraida de gládios de lulas (Loligo sp.).

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Processo para preparação de quitosana por meio de desacetilação de quitina, compreendendo as etapas de suspender a beta-quitina ou alfa-quitina extraída de gládios de lula e/ou cefalotórax de camarão em solução aquosa de hidróxido de sódio; irradiar a suspensão de beta-quitina ou alfa-quitina com ultra-som de alta intensidade em uma temperatura branda e em um tempo curto de processamento, para aperfeiçoar a reação de desacetilação para produzir quitosana com baixo grau médio de acetilação e elevada massa molar média viscosimétrica; e isolar a quitosana produzida após o fim da reação de desacetilação da quitina por meio de neutralização do meio reacional, filtração, lavagens e secagem.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 é a representação da unidade repetitiva comum à quitina e quitosana, onde GA expressa o teor médio de unidades GlcNAc presentes nas cadeias poliméricas, e é denominado grau médio de acetilação do polimero.

A Figura 2 é um esquema ilustrativo da reação de desacetilação de quitina assistida por irradiação de ultra-som da presente invenção.

A Figura 3 é um fluxograma representativo das etapas a serem executadas para a extração de alfa-quitina a partir de cefalotórax de M. rosenberggi e de beta-quitina a partir de gládios de lulas (Loligo s.).

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

A presente invenção será agora descrita em detalhes com referência às Figuras em anexo.

A presente invenção se refere a um processo para preparação de quitosana via desacetilação de quitina assistida por irradiação de ultra-som de alta intensidade. No processo da presente invenção a aplicação de irradiação de ultra-som de alta intensidade é feita sobre a suspensão de quitina em solução aquosa de hidróxido de sódio com a finalidade de promover a reação de hidrólise dos grupos acetamida das unidades repetitivas de quitina, produzindo quitosanas. As caracteristicas das quitosanas assim produzidas no que diz respeito ao conteúdo residual de grupos acetamida (expresso pelo parâmetro denominado grau médio de acetilação, GA) e à massa molar média viscosimétrica do polimero (Mv, determinada a partir do valor de viscosidade intrinseca) são determinadas pelos parâmetros do processo, os quais são adequados a cada tipo de quitosana. Assim, quitosanas com grau médio de acetilação inserido no intervalo 0%<GA<30% e massa molar média viscosimétrica 1x105<Mv<7x10g/mol são produzidas via desacetilação de quitina assistida por irradiação de ultra-som de alta intensidade pelo ajuste adequado dos seguintes parâmetros: 1) amplitude (A) da irradiação de ultra-som; 2) tempo (t) de irradiação; 3) temperatura (T) durante a irradiação; 4) concentração (Cq) de quitina na suspensão aquosa de hidróxido de sódio; 5) concentração (Cs) da solução aquosa de hidróxido de sódio; 6) volume de suspensão de quitina (Vq) submetida à irradiação de ultra-som. A presente invenção propicia a preparação de quitosanas com baixo grau médio de acetilação (GA<20%) e de massa molar média viscosimétrica elevada (Mv>4xl05 g/mol) após a execução de uma etapa de tratamento de curta duração (t^60 min) em temperatura moderada (T^80°C) , empregando como matéria-prima a beta-quitina extraida de gládios de lulas (Loligo sp.).