СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ВОДОРАСТВОРИМОГО ХИТИНА В ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ПЛАЗМЕ
METHOD OF PRODUCING LOW-MOLECULAR WATER-SOLUBLE CHITIN IN ELECTRON-BEAM PLASMA

Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано для получения низкомолекулярного водорастворимого хитина.
Известны способы повышения эффективности дезацетилирования хитина ~10% с помощью γ-облучения в дозах 2-50 кГр [1]. Однако при использовании данного метода остается необходимой дальнейшая обработка исходного сырья в горячем растворе щелочи. γ-Облучение используют для повышения предела прочности на разрыв композитов, содержащих волокна хитина и поли-(ε-капролактона) [2]. Однако получение низкомолекулярного водорастворимого хитина при обработке γ-квантами в литературе не упоминается.
Известна обработка в импульсном диэлектрическом барьерном разряде с частотой 15 кГц, напряжением 150 кВ и продолжительностью импульса 2 с, которую использовали для дезацетилирования и деполимеризации хитинового гидрогеля [5]. Однако в этом случае необходимо иметь высоконцентрированные растворы хитина, что требует предварительной подготовки обрабатываемого материала. Также при использовании устройств, генерирующих плазму газовых разрядов, возникает ряд технологических проблем, таких как поддержание однородности реакционного объема и связанные с этим ограничения в выборе плазмообразующих сред и диапазоне рабочих давлений, управление параметрами генерируемой плазмы, контроль локальных перегревов обрабатываемого образца.
Наиболее близким по технической сущности является способ модифицирования хитина в плазме газовых разрядов, а именно в диэлектрическом барьерном разряде. Таким образом были получены гидрофильные нейлоновые мембраны [3], полипропиленовые и хлопковые волокна [4], содержащие в своем составе хитин и обладающие биологической активностью. Однако в данном случае происходит именно модификация хитина и его сополимеразиция с неорганическими полимерами, а не формирование низкомолекулярных водорастворимых продуктов.
С целью преодоления перечисленных недостатков предлагается использование, для получения низкомолекулярного водорастворимого хитина, сильнонеравновесной низкотемпературной электронно-пучковой плазмы (ЭПП), генерируемой при инжекции электронного пучка в плотную газообразную среду. Генераторы ЭПП являются перспективной альтернативой газоразрядным устройствам, т.к. по сравнению с плазмой газовых разрядов, ЭПП имеет следующие преимущества:
- возможность использования в качестве плазмообразующих сред любых газов и парогазовых смесей, что делает возможным в широких пределах управлять составом и спектром химически активных частиц, образующихся при генерации ЭПП. Данная особенность ЭПП позволяет получать продукты с низким индексом полидисперсности по молекулярной массе, а также внедрять в структуру биоматериала разнообразные функциональные группы, придающие биоматериалам новые биологические и фармакологические свойства;
-2
3
- в зависимости от конкретной поставленной задачи давление плазмообразующей среды может варьироваться в широких пределах от 10 до 10 Торр. Поскольку плазменный объем не контрагирует даже при высоких давлениях, в пучково-плазменных реакторах удается получать большие объемы химически активной плазмы, что позволяет проводить равномерную обработку значительных объемов биоматериалов и получать продукты плазмохимической модификации в количествах, достаточных для их анализа и практического применения;
- специальным подбором условий генерации удается получать плазму с низкой, например комнатной, температурой, что особенно важно при модификации биополимеров, не допускающих нагрева выше 40°C;
- длительность непрерывной работы генератора ЭПП ограничена только ресурсом его работы, что позволяет накапливать значительные дозы облучения препаратов при мягких режимах облучения (т.е. при малых мощностях дозы облучения). Подобный режим позволяет не только повысить однородность плазмохимической модификации, но и избежать деструкции биомолекул под действием быстрых электронов и тепла, выделяющегося при их взаимодействии с обрабатываемым биоматериалом;
- в ЭПП легко решается задача создания гетерогенных пучково-плазменных образований, поскольку в плазмообразующие газы технически не сложно внести конденсированную дисперсную фазу в виде капель жидкостей или порошков. Это дает возможность обрабатывать биоматериалы в виде порошков, распределенных в реакционном объеме;
- электронный пучок может быть инжектирован не только в нейтральный газ, но и в плазму, предварительно созданную другим источником (например, ВЧ-разрядом). Доказана возможность инжекции пучка в газоразрядную плазму различных частотных диапазонов, при этом генерируется гибридная плазма. Таким образом может быть сформирован реакционный объем в виде плазменно-пылевых структур из порошков различных соединений и проведено плазменно-стимулированное осаждение низкомолекулярных фармакологически активных веществ (например, ацетилсалициловой кислоты) на поверхность этих порошков. При этом толщиной и степенью адгезии осажденного слоя можно управлять параметрами электронного пучка, а геометрией и устойчивостью реакционного объема - характеристиками ВЧ-разряда;
- пучково-плазменные технологии характеризуются высоким выходом полезных продуктов, при этом процесс их получения не сопровождается образованием опасных и/или токсичных побочных продуктов, а также, в отличие от традиционной «мокрой» химии, выбросами и сливами, загрязняющими окружающую среду.
Несомненным преимуществом предлагаемого способа является и то, что получаемый продукт является полностью стерильным и не нуждается в дополнительной очистке от микроорганизмов и их биопленок.
Задача получения низкомолекулярного водорастворимого хитина в электронно-пучковой плазме решается следующим образом. Обработка мелкодисперсного порошка хитина проводится в электронно-пучковом плазмохимическом реакторе, принципиальная схема которого представлена на фиг. 1. Сфокусированный цилиндрический электронный пучок (ЭП), формируемый размещенной в высоковакуумной камере 2 электронно-лучевой пушкой 1, через выводное устройство 4 инжектируется в заполненную плазмообразующим газом реакционную камеру 5. При прохождении ЭП через газ в рабочей камере формируется облако ЭПП 10, в которое вносится стеклянный контейнер 9, имеющий диаметр 100 мм, с навеской высокомолекулярного порошкообразного хитина (размер частиц 10-100 мкм) от 0,5 до 1,5 г со средневязкостной массой 1000 кДа. На дно контейнера помещается пьезоэлектрическая пластина 10, на которую подается напряжение звуковой частоты. При вибрации пластины 7 в контейнере формируется слой аэрозоля 6 (так называемый кипящий слой), в котором происходит обработка порошка. Температура частиц порошка контролируется миниатюрным термодатчиком 8, помещенным в реакционный объем.
С целью масштабирования процесса и получения низкомолекулярного водорастворимого хитина в количествах, достаточных для практического применения, в рабочую камеру устанавливается специальное устройство, позволяющее перемешивать порошок хитина во время ЭПП-обработки. Устройство представляет собой кварцевую трубку, снабженную шаговым электродвигателем, который дает возможность вращать трубу с контролируемой угловой скоростью как в постоянном, так и импульсном режимах, осуществлять реверс и изменять скорость вращения.
Плазмообразующий газ подается в рабочую камеру через натекатель 11, который является элементом автоматической системы, обеспечивающей поддержание постоянного предустановленного давления.
Внутри рабочей камеры устанавливается электромагнитная система 12, с помощью которой рассеянный ЭП отклоняется по осям x и y, перпендикулярным оси инжекции z. В результате происходит сканирование облака ЭПП в реакционном объеме, что, во-первых, обеспечивает равномерность обработки всей навески хитина, а во-вторых, позволяет регулировать плотность энерговыделения в реакционном объеме и таким способом управлять тепловым режимом обработки.
Способ получения низкомолекулярного водорастворимого хитина в электронно-пучковой плазме осуществляется при следующих условиях:
- энергия электронов на входе в реакционную камеру - 30 кВ,
- ток пучка 1,5-2,5 мА,
- развертка ЭП в квадратный растр со стороной, на 20-30 мм превышающей диаметр контейнера,
- плазмообразующие газы - кислород, или пары воды, или азот
- давление 5-10 Торр,
- температура в реакционном объеме 50-90°C,
- время обработки 1-60 мин.
Полученные продукты представляют собой светло-желтые порошки, растворимые в воде, нетоксичные.
Пример 1.
Навеску массой 0,5 г высокомолекулярного порошкообразного хитина (размер частиц 10-100 мкм), имеющего средневязкостную массу 1000 кДа, обрабатывали в кипящем слое в ЭПП кислорода при давлении 5 Topp и температуре в реакционном объеме 50°C в течение 1 мин. Получили 0,47 г низкомолекулярного хитина со средневесовой молекулярной массой 1109 Да и полидисперсностью 2,26. Полученные продукты были водорастворимы.
Пример 2.
Навеску массой 0,5 г высокомолекулярного порошкообразного хитина (размер частиц 10-100 мкм), имеющего средневязкостную массу 1000 кДа, обрабатывали в кипящем слое в ЭПП кислорода при давлении 5 Topp и температуре в реакционном объеме 50°C в течение 40 мин. Получили 0,475 г низкомолекулярного хитина со средневесовой молекулярной массой 968 Да и полидисперсностью 2,02. Полученные продукты были водорастворимы.
Пример 3.
Навеску массой 1 г высокомолекулярного порошкообразного хитина (размер частиц 10-100 мкм), имеющего средневязкостную массу 1000 кДа, обрабатывали в ЭПП кислорода во вращающемся устройстве при давлении 5 Topp и температуре в реакционном объеме 70°C в течение 5 мин. Получили 0,85 г низкомолекулярного хитина со средневесовой молекулярной массой 1063 Да и полидисперсностью 2,21. Полученные продукты были водорастворимы.
Пример 4.
Навеску массой 1 г высокомолекулярного порошкообразного хитина (размер частиц 10-100 мкм), имеющего средневязкостную массу 1000 кДа, обрабатывали в ЭПП кислорода во вращающемся устройстве при давлении 5 Topp и температуре в реакционном объеме 70°C в течение 20 мин. Получили 0,79 г низкомолекулярного хитина со средневесовой молекулярной массой 946 Да и полидисперсностью 2,13. Полученные продукты были водорастворимы.
Пример 5.
Навеску массой 0,5 г высокомолекулярного порошкообразного хитина (размер частиц 10-100 мкм), имеющего средневязкостную массу 1000 кДа, обрабатывали в кипящем слое в ЭПП кислорода при давлении 5 Topp и температуре в реакционном объеме 90°C в течение 60 мин. Получили 0,493 г низкомолекулярного хитина со средневесовой молекулярной массой 961 Да и полидисперсностью 1,95. Полученные продукты были водорастворимы.
Пример 6.
Навеску массой 0,5 г высокомолекулярного порошкообразного хитина (размер частиц 10-100 мкм), имеющего средневязкостную массу 1000 кДа, обрабатывали в кипящем слое в ЭПП кислорода при давлении 5 Topp и температуре в реакционном объеме 90°C в течение 90 мин. Получили 0,467 г низкомолекулярного хитина со средневесовой молекулярной массой 946 Да и полидисперсностью 2,17. Полученные продукты были водорастворимы.
Пример 7.
Навеску массой 0,5 г высокомолекулярного порошкообразного хитина (размер частиц 10-100 мкм), имеющего средневязкостную массу 1000 кДа, обрабатывали в кипящем слое в ЭПП кислорода при давлении 10 Topp и температуре в реакционном объеме 90°C в течение 5 мин. Получили 0,48 г низкомолекулярного хитина со средневесовой молекулярной массой 962 Да и полидисперсностью 2,02. Полученные продукты были водорастворимы.
Пример 8.
Навеску массой 0,5 г высокомолекулярного порошкообразного хитина (размер частиц 10-100 мкм), имеющего средневязкостную массу 1000 кДа, обрабатывали в кипящем слое в ЭПП кислорода при давлении 10 Topp и температуре в реакционном объеме 90°C в течение 60 мин. Получили 0,486 г низкомолекулярного хитина со средневесовой молекулярной массой 937 Да и полидисперсностью 2,29. Полученные продукты были водорастворимы.
Пример 9.
Навеску массой 0,5 г высокомолекулярного порошкообразного хитина (размер частиц 10-100 мкм), имеющего средневязкостную массу 1000 кДа, обрабатывали в кипящем слое в ЭПП паров воды при давлении 5 Topp и температуре в реакционном объеме 70°C в течение 10 мин. Получили 0,46 г низкомолекулярного хитина со средневесовой молекулярной массой 970 Да и полидисперсностью 2,19. Полученные продукты были водорастворимы.
Пример 10.
Навеску массой 1,5 г высокомолекулярного порошкообразного хитина (размер частиц 10-100 мкм), имеющего средневязкостную массу 1000 кДа, обрабатывали в ЭПП паров воды во вращающемся устройстве при давлении 5 Topp и температуре в реакционном объеме 50°C в течение 20 мин. Получили 1,48 г низкомолекулярного хитина со средневесовой молекулярной массой 976 Да и полидисперсностью 2,11. Полученные продукты были водорастворимы.
Пример 11.
Навеску массой 1,5 г высокомолекулярного порошкообразного хитина (размер частиц 10-100 мкм), имеющего средневязкостную массу 1000 кДа, обрабатывали в ЭПП паров воды во вращающемся устройстве при давлении 5 Topp и температуре в реакционном объеме 50°C в течение 90 мин. Получили 1,47 г низкомолекулярного хитина со средневесовой молекулярной массой 908 Да и полидисперсностью 1,96. Полученные продукты были водорастворимы.
Пример 12.
Навеску массой 1 г высокомолекулярного порошкообразного хитина (размер частиц 10-100 мкм), имеющего средневязкостную массу 1000 кДа, обрабатывали в ЭПП азота во вращающемся устройстве при давлении 5 Topp и температуре в реакционном объеме 70°C в течение 5 мин. Получили 0,75 г низкомолекулярного хитина со средневесовой молекулярной массой 1159 Да и полидисперсностью 2,38. Полученные продукты были водорастворимы.
Полученные результаты свидетельствуют об эффективности использования электронно-пучковой плазмы различных газов для получения низкомолекулярного водорастворимого хитина.
Источники научно-технической информации
1. Rashid T.U., Rahman М.М., Kabir S., Shamsuddin S.M., Khan M.A. // Polym. Int. 2012. V. 61. №8. P. 1302.
2. Yang A., Wu R. Enhancement of the mechanical properties and interfacial interaction of a novel chitin-fiber-reinforced poly(ε-caprolactone) composite by irradiation treatment. J. Appl. Polym. Sci.
2002. V. 84 P. 486-492.
3. K. Ozawa, R. Rujiravanit Preparation of nylon/chitin membranes by solution casting and coating via DBD plasma treatment for wound care applications. The 5th Research Symposium on Petrochemical and Materials Technology and the 20th PPC Symposium on Petroleum, Petrochemicals, and Polymers. April 22, 2014, Bangkok, Thailand. P. 665-672.
4. Abdou et al. Antimicrobial activity of pypropylene and cotton. Journal of Applied Polymer Science, 2008. V. 108. P. 2290-2296.
5. K. Somboonying, R. Rujiravanit Solution plasma process for deacetylation and depolymerization of chitin hydrogel. The 5th Research Symposium on Petrochemical and Materials Technology and the 20th PPC Symposium on Petroleum, Petrochemicals, and Polymers. April 22, 2014, Bangkok, Thailand. P. 682-688.