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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung von Chitosan durch Deacetylierung von Chitin gemäß den Patentansprüchen. Chitosan
besitzt große
Bedeutung im Bereich der Wasserwirtschaft als Chelatbildner und
Flockungsmittel sowie der Papier- und Textilindustrie, z.B. als
Papier- und Färbehilfsmittel,
oder als Bindemittel für
Vliesstoffe oder Klebstoff in der Lederindustrie. Es wird auch als
Ausgangsmaterial für
die Herstellung von Chitosanformkörpern sowie von Chitosanderivaten,
beispielsweise für
Dialysemembranen, verwendet. Anwendungsgebiet der Erfindung ist
daher die Herstellung von Chitosan im technischen Maßstab in
der chemischen Industrie für
unterschiedliche Einsatzbereiche.
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Bereits im vorigen Jahrhundert wurde
gefunden, dass man durch Erhitzen von Chitin in konzentrierter Kalilauge
auf 180° C
oder durch Schmelzen mit KOH die N- Acetylgruppen des Chitins spalten kann
(E. Gilson: Berichte 28 (1895) 821).
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Obwohl die Verwendung von Alkalihydroxid-Schmelzen
zur Chitosanherstellung auch noch viel später üblich war (S.T. Horowitz, S.
Rosemann, H.J. Blumenthal J. Amer. Chem. Soc. 79(1957) 5046-5049;
D. Horton, D.R. Lineback: in Methods in Carbohydrate Chemistry,
Vol. 5, Academic Press, New York - San Francisco - London, 1965,
403-406) hat sich aufgrund der chemischen Aggressivität der Alkalihydroxid-Schmelzen
gegenüber
den meisten Edelstählen
für die
technische Herstellung von Chitosan Natronlauge als Deacetylierungsagens
durchgesetzt.
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Chitosan [(1,4)-2-Amino-2-desoxy-β-D-glucan]
wird daher heute üblicherweise
aus Chitin [(1,4)-2-Acetamido-2-desoxy-β-D-glucan] durch Abspaltung
der Acetylgruppen mit Hilfe von konzentrierten Laugen gewonnen [Übersichten
in: R.A.A. Muzzarelli: Chitin, Pergamon Press, Oxford, 1977; R. Muzzarelli,
C. Jeuniaux, G.W. Gooday (Eds.): Chitin in Nature and Technology,
Plenum Press, New York und London, 1986; E.R. Pariser, D.P. Lombardi:
Chitin Sourcebook, Wiley, Chichester, 1990]. Die Spaltung der hier
vorliegenden Essigsäureamide
erfordert jedoch im Gegensatz zur Verseifung von Estern der Essigsäure sehr
viel drastischere Reaktionsbedingungen.
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Die vorgeschlagenen Reaktionstemperaturen
schwanken zwischen 80 und 170° C,
wobei man bereits frühzeitig
erkannt hatte, daß bei
geringeren Laugekonzentrationen höhere Reaktionstemperaturen
oder längere
Reaktionszeiten gewählt
werden müssen,
um brauchbare in verdünnten
Säuren
gut lösliche
Produkte zu erhalten [
US 2 040
879 ;
US 2 040 880 ;
US 2 072 771 ; M.L. Wolfrom,
B.O. Juliano: J. Amer. Chem. Soc. 82 (1960) 2588-2590; Bao Chi Ming:
Faserforsch. u. Textiltechn. 11 (1960) 320-326]. Die erzielten Deacetylierungsgrade
liegen bei diesen Verfahren üblicherweise
bei 70 bis 90 %, doch sind für
manche Anwendungen auch Produkte mit geringerem Deacetylierungsgrad
hergestellt worden. Dabei wurde auch festgestellt, daß man durch
Luftausschluß,
z.B. durch Arbeiten unter Stickstoff-Atmosphäre, einen Kettenabbau minimieren
kann. Die hier beschriebenen mit Natronlage arbeitenden Verfahren haben
jedoch alle den entscheidenden Nachteil, daß sie mit sehr großen Laugemengen – oft dem
20- bis 50fachen der eingesetzten Chitinmenge – arbeiten, um eine effektive
Deacetylierung zu erreichen, was für ein technisches Verfahren
unökonomisch
ist. Auch werden bei Temperaturen über 100° C die meisten Stähle ebenfalls
angegriffen.
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Zur Einsparung von NaOH wurde vorgeschlagen
[T. Fujita,
JP 13599 ],
beispielsweise 1 Teil Chitin mit 1 Teil 50 %iger NaOH in einem Kneter
zu mischen und dann 10 Teile flüssiges
Paraffin zuzusetzen. Die Mischung wird dann 2 h bei 120° C gerührt, anschließend in
kaltes Wasser gegossen, filtriert und gewaschen. Nachteile bei dieser
Methode ergeben sich aus der Verwendung des Paraffins und den daraus
resultierenden Problemen sowohl im Hinblick auf eine homogene Verteilung
des Alkalis im Reaktionsgemisch als auch beim Auswaschen der Reaktionsprodukte,
weshalb diese Methode auch nur selten angewendet wird.
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Auch nahezu wasserfreie Deacetylierungsmischungen
aus 50 % KOH in Ethanol und Ethylenglykol wurden verwendet [P. Broussignac:
Chim. End. Génie
Chim. 99 (1968) 1241], die jedoch ebenfalls auf dem Einsatz eines
sehr großen Überschusses
an KOH bzw. Mischungen von Ethanol und Ethylenglykol beruhen, und
damit das Verfahren unökonomisch machen.
Nachteilig bei diesem Verfahren ist weiterhin, daß sich erhebliche
Mengen Chitosan in der Deacetylierungsmischung lösen und beim Auswaschen des
Produktes verlorengehen. Das Verfahren wurde deshalb dahingehend
modifiziert, daß eine
Lösung
von KOH in Diethylenglykol verwendet wird, die bereits eine bestimmte
Menge Chitin enthält.
Die Deacetylierung erfolgt dann unter sehr drastischen Bedingungen
bei 170° C
während
6 h.
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Ein Verfahren, das ebenfalls mit
geringen Mengen Alkalilauge und zur Vermeidung von Korrosionsproblemen
bei relativ niedrigen Temperaturen arbeitet, wurde von Peniston
vorgeschlagen [
US 4 195 175 ],
der gemahlenes Chitin mit 2 bis 7 Teilen 35 bis 50 %iger Natronlauge
verknetet, die Mischung auf 40 bis 80° C erhitzt, in einen mit Polyethylen
ausgekleideten Stahlbehälter überführt, diesen
mit Stickstoff spült
und verschlossen 160 bis 40 h bei 40 bis 80° C stehen läßt. Anschließend wird
das Produkt mit Wasser gewaschen und getrocknet, wobei die alkalireiche
Waschlauge wiederverwendet wird. Wesentlichste Nachteile dieses
Verfahrens sind die langen Reaktionszeiten und die unökonomische
Gestaltung des Verfahrens. Die Art und Weise der Reaktionsführung (schlechter
Wärmeübergang
und keine Unterstützung
von Diffusionsvorgängen
beim einfachen Lagern der Behälter)
bedingt vor allem bei relativ kurzen Reaktionszeiten und geringen
Laugemengen Ungleichmäßigkeiten
bei der Umsetzung, weshalb dann in verdünnter Essigsäure meist
nur unvollständig
lösliche
Produkte erhalten werden.
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Ein weiteres Verfahren zur Herstellung
von Chitosan durch Deacetylierung von Chitin beschreibt die Patentschrift
WO 90/04608. Bei diesem Verfahren wird dem Chitin ein wasserlösliches
organisches Lösungsmittel
in Form aliphatischer Alkohole bzw. Ketone zugegeben. Hierbei werden
große
Mengen Lösungsmittel
im Verhältnis
von mindestens 4:1 bis 20:1 zugegeben, so dass die organische Chitin-Lösung gerührt werden
kann („Slurry").
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Die Patentschrift FR-PS 2650282 offenbart ein
im wesentlichen ähnliches
Verfahren wie die WO 90/04608. Hier werden als Lösungsmittel Alkohole, vorzugsweise
Ethanol, vorgeschlagen. Die Werte für das Verhältnis zwischen Alkohol und
Chitin betragen 7,5:1 und 9:1. Damit wird auch hier in Dispersion nach
dem Slurry-Verfahren
gearbeitet.
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Auch in Makromol. Chem. 191, S. 429-434 wird
ein Verfahren zur Herstellung von Chitosan unter Verwendung eines
mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittels vorgeschlagen.
Dabei wird mit einer Dispersion des Chitin in dem Lösungsmittel
gearbeitet, die während
der Deacetylierung ständig
umgerührt
wird. Das Verhältnis
von Lösungsmittel
zu Chitin beträgt
16:1.
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In den drei vorgenannten Verfahren
wird also mit großen
Mengen organischer Lösungsmittel
in Dispersion gearbeitet.
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Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Verfahren
nach dem Stand der Technik häufig drastische
Reaktionsbedingungen erfordern, die unter anderem zur Korrosion
der Behälterstähle führen können. Damit
verbunden ist der Einsatz eines großen, unökonomischen Überschußes an Alkalilauge für die vollständige Umsetzung
von Chitin zu Chitosan. Verfahren, die mit geringen Mengen an Alkalilauge
arbeiten, erfordern jedoch oft überlange
Reaktionszeiten und führen
zu Ungleichmäßigkeiten
bei der Umsetzung des Chitins und damit zu Inhomogenitäten und
damit zu minderer Qualität
des erhaltenen Chitosans. Alle Verfahren des Standes der Technik
sind daher unter ökonomischen
und verfahrenstechnischen Gesichtspunkten unbefriedigend.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist
es, ein Verfahren zur Verfügung
zu stellen, bei dem unter Einsatz geringer Mengen an Alkalilauge
und mit relativ kurzen Reaktionszeiten und/oder niedrigen Reaktionstemperaturen
Chitosan aus Chitin unter weitgehender Deacetylierung des Chitins
hergestellt wird. Das Verfahren soll einfach und insbesondere mit kommerziellen
Apparaten in technischem Maßstab durchführbar sein
und qualitativ hochwertiges, weitgehend deacetyliertes Chitosan
erzeugen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch
gelöst,
daß in
einem mit einer geeigneten Mischvorrichtung versehenen Reaktor oder
Kneter eine Mischung aus je 1 Masse-Teil Chitin mit 0,3 bis 2,5
Teilen Alkalihydroxid, 0,3 bis 3 Teilen Wasser unter Zugabe von
0,5 bis 2,5 Teilen eines oder mehrerer partiell oder vollständig mit
Wasser mischbarer hydroxygruppenhaltiger inerter organischer Lösungsmittel
hergestellt und auf 50 bis 120° C
für einen
Zeitraum von 0,5 bis 60 Stunden und unter Schutzgasatmosphäre erhitzt
wird.
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Die Deacetylierung des Chitins erfolgt
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
bei relativ niedrigen Temperaturen und innerhalb relativ kurzer
Reaktionszeiten. Diese niedrigen Temperaturen stellen keine besonderen
Anforderungen an die Reaktionsbehälter und sind verfahrenstechnisch
leicht zu beherrschen.
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Zur Beeinflussung des Deacetylierungsgrades,
Polymerisationsgrades und weiterer Eigenschaften des erhaltenen
Chitosans können
insbesondere Temperatur und Reaktionsdauer verändert werden. Das Verfahren
läßt sich
mit den oben genannten Vorteilen im gesamten Temperaturbereich von
50 bis 120° C
durchführen.
Als besonders vorteilhaft für
die Eigenschaften des erhaltenen Chitosans erwiesen sich jedoch
Temperaturen im Bereich 60 bis 100° C und Reaktionszeiten zwischen
2 und 50 Stunden.
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Überraschend
ist, daß durch
den Zusatz von mit Wasser partiell oder vollständig mischbaren inerten organischen
Lösungsmitteln
die für
die Abspaltung der Acetatgruppen erforderliche Menge an Alkalilauge
fast bis auf die stöchiometrisch
erforderliche Menge reduziert und trotzdem eine weitgehende und auch
gleichmäßige Deacetylierung
erreicht werden kann. Dieser hohe Grad an Deacetylierung äußert sich
insbesondere in der leichten Löslichkeit
des Chitosans in verdünnten
Säuren.
Offensichtlich wird durch den Zusatz selbst relativ geringer Mengen
der genannten Lösungsmittel
die Wirksamkeit des Alkalihydroxids als Deacetylierungsagens deutlich
verbessert, so daß das
er findungsgemäße Verfahren
mit sehr viel geringeren Alkalimengen auskommt als herkömmliche
Verfahren.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, daß nach
der Entfernung der genannten organischen Lösungsmittel aus der Reaktionsmischung
ein nahezu trockenes, rieselfähiges
Material erhalten wird, das gut zu handhaben ist und anschließend in
bekannter Weise problemlos mit Wasser alkali- und salzfrei gewaschen
und getrocknet werden kann.
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Die schließlich erhaltenen Produkte,
Chitosan, weisen vorteilhafterweise einen hohen (>70 %) Deacetylierungsgrad
auf, wobei restliche Acetylgruppen weitgehend homogen entlang und
zwischen den Polymerketten verteilt sind. Dadurch sind die Produkte
leicht und vollständig
in verdünnten
Säuren
löslich. Sie
sind von sehr heller Farbe und nur wenig ockerfarben oder gelblich
verfärbt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des
erfindungsgemäßen Verfahrens
sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben.
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Verfahrenstechnisch und ökonomisch
besonders vorteilhaft für
das Verfahren ist die Verwendung von Natrium- oder Kalilauge als
Deacetylierungsagens. Diese kann in Form konzentrierter Lauge oder
auch als Feststoff in Form von Natrium- oder Kaliumhydroxid zugegeben
werden. Wird Alkalilauge bestimmter Konzentration, vorteilhafterweise
40 bis 50 masse-%ig, in einem bestimmten Verhältnis, vorteilhafterweise 1
bis 2 Masse-Teile Alkalilauge auf 1 Masse-Teil Chitin, zugegeben,
so erübrigt
sich die zusätzliche
Zugabe von Wasser zu der Reaktionsmischung.
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Die Alkalilauge kann dabei zugemischt
oder während
des Misch- bzw. Knetprozesses auf die Masse aufgesprüht werden.
Insbesondere bei geringem Flottenverhältnis ist es vorteilhaft, Alkalilauge
direkt auf das alkoholfeuchte Chitin aufzusprühen. Hierdurch läßt sich
eine feine, homogene Verteilung der Alkalilauge in der Reaktionsmischung
erreichen.
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Für
das erfindungsgemäße Verfahren
kann auch initialfeuchtes Chitin zur Herstellung der Reaktionsmischung
verwendet werden. Wird vorzugsweise Chitin mit einem Wassergehalt
von 50 bis 150 Masse-% Wasser, bezogen auf Chitin, eingesetzt, erübrigt sich
hier die weitere Zugabe von Wasser zur Reaktionsmischung, und es
kann nach der Beimischung des Alkohols direkt das feste Alkalihydroxid zugesetzt
werden.
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Als vorteilhafte, mit Wasser zumindest
teilweise mischbare hydroxygruppenhaltige inerte organische Lösungsmittel
erwiesen sich C1- bis C4-Alkohole, vorzugsweise Methanol, Ethanol,
1-Propanol, 2-Propanol bzw. 1-Butanol und/oder 2-Butanol, die einzeln
bzw. in Mischung zugesetzt werden können.
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Die zugesetzten Alkohole können nach
Ablauf der Reaktionszeit durch Destillation abgetrennt werden. Dadurch
entsteht ein weitgehend trockenes, rieselfähiges, leicht handhabbares
Zwischenprodukt.
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Nach Abtrennung des Wasseranteils
aus dem Destillat, wie er insbesondere bei den Azeotrope bildenden
Alkoholen durch Phasentrennung auftritt, kann der Alkohol dem Verfahren
wieder zugeführt werden.
Diese Kreislaufwirtschaft verbessert die Wirtschaftlichkeit des
erfindungsgemäßen Verfahrens
weiter.
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Die Zugabe einer geringen Menge eines
kationischen und/oder nichtionischen Tensides, beispielsweise in
einem Massenverhältnis
von 0,001 bis 0,1 Masse-% bezogen auf das Chitin, verbessert die Verteilung
des Alkalis im Reaktionsgemisch und unterstützt über die gleichmäßigere Deacetylierung
des Chitins die Homogenität
des Chitosans und die wirtschaftlichere Ausnutzung des zugegebenen
Alkalis für
die Deacetylierungsreaktion.
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Für
das erfindungsgemäße Verfahren
werden nachfolgend beispielhafte Ausführungen angegeben:
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Beispiel 1:
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1,5 kg vorzerkleinertes lufttrocknes
Chitin werden in einem für
das Arbeiten unter Druck und Vakuum ausgelegten Edelstahlreaktor
mit Pflugscharmischwerkzeug und einem hochtourig laufenden Messerkopf
vorgelegt, evakuiert, mit Stickstoff begast und erneut evakuiert.
Dann werden 1,5 kg 2-Propanol in den Reaktor gesaugt, und es wird
10 min bei Raumtemperatur gemischt. Unter Zuschaltung des Messerkopfmischers
werden 1,5 kg 50 masse-%ige Natronlauge auf das alkoholfeuchte Chitin gesprüht. Nach
weiteren 10 min intensiven Mischens wird der Messerkopf abgeschaltet
und der Reaktor innerhalb von 30 min auf 100° C aufgeheizt, wobei sich ein
geringer Überdruck
im Reaktor aufbaut. Nach einer Reaktionszeit von 2 Stunden wird
2-Propanol zunächst
bei Normaldruck und dann im Vakuum abdestilliert, so daß ein rieselfähiges Material
entsteht. Nach dem Abkühlen
wird das Rohprodukt ausgetragen, auf einer Zentrifuge mit Wasser
alkalifrei gewaschen und im Umlufttrockenschrank bei 60° C über Nacht
getrocknet.
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Es wird ein helles leicht ockerfarbenes
Produkt erhalten, das sich vollständig in 2 %iger Essigsäure löst. Der
mittels 13C-NMR-Spetroskopie abgeschätzte Deacetylierungsgrad
beträgt
ca. 85 %. Die Analyse ergab 44,5 % C, 6,9 % H, 8,1 % N und 0,85 %
Asche.
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Beispiel 2:
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20 g lufttrockenes, vorzerkleinertes
Chitin werden in einem Kneter mit 20 g 1-Butanol 10 min bei Raumtemperatur
vermischt. Anschließend
werden unter ständigem
Mischen 20 g 50 masse-%ige Natronlauge zugetropft, und es wird weitere
30 min gemischt. Die Reaktionsmischung wird in den Rundkolben eines
Rotationsverdampfers überführt und
unter Stickstoffatmosphäre
6 h auf 90° C
erhitzt. Danach wird die Hauptmenge des Butanols abdestilliert,
wobei ein nahezu trockenes rieselfähiges Material resultiert.
Dieses wird auf einer Fritte mit Wasser alkalifrei gewaschen und
im Umlufttrockenschrank bei 60° C getrocknet.
Es wird ein schwach ockerfarbenes Produkt erhalten, das sich vollständig in
2 %iger Essigsäure
auflöst.
Der mittels 13C-NMR-Spektroskopie bestimmte
Deacetylierungsgrad beträgt
ca. 80 %.
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Beispiel 3:
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Analog Beispiel 2 werden 20 g Chitin
deacetyliert, wobei anstelle von 1-Butanol 1-Propanol und anstelle
von Natronlauge Kalilauge verwendet wird und die Reaktionstemperatur
85° C betrug.
Auch hierbei wird ein helles, nur leicht bräunlich verfärbtes Produkt erhalten, das
sich vollständig
in 2 %iger Essigsäure
löst.
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Beispiel 4:
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20 g Chitin werden in einem Kneter
mit 20 g 2-Propanol 10 min bei Raumtemperatur vermischt. Anschließend werden
unter stättdigem
Mischen 40 g 50 masse-%ige Natronlauge zugetropft, und es wird weitere
30 min gemischt. Die Reaktionsmischung wird in einen Kunststoffbehälter gefüllt, mit
Stickstoff gespült
und nach Verschließen
des Behälters
48 h auf 65° C
erhitzt. Danach wird das Rohprodukt auf einer Fritte mit Wasser
alkalifrei gewaschen und im Umlufttrockenschrank bei 60° C getrocknet.
Es wird ein helles, schwach ockerfarbenes Produkt erhalten, das
sich vollständig
in 2 %iger Essigsäure
auflöst. Der
mittels l3C-NMR-Spektroskopie bestimmte
Deacetylierungsgrad beträgt
ca. 90 %.
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Beispiel 5:
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10 g Chitin werden 30 min in 120
ml 45 masse-%iger Natronlauge getaucht, bis auf ein Gesamtgewicht
von ca. 60 g abgepreßt
(entspricht einem Gehalt von 22,5 g NaOH und 27,5 g Wasser), im
Kneter zusammen mit 10 ml 2-Propanol 30 min intensiv vermischt,
in einen Kunststoffbehälter
gefüllt,
mit Stickstoff gespült
und nach dem Verschließen
des Behälters
im Trockenschrank 48 h auf 65° C
erhitzt.
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Anschließend wird das Rohprodukt mit
Wasser alkalifrei gewaschen und im Umlufttrockenschrank bei 60 °C getrocknet.
Das Produkt ist schwach bräunlich
gefärbt
und vollständig
in 2 %iger Essigsäure
löslich.
Der mittels 13C-NMR-Spektroskopie abgeschätzte Deacetylierungsgrad
beträgt
nahezu 90 %.
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Beispiel 6:
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10 g Chitin werden in einem Kneter
zunächst mit
5 g Wasser und anschließend
mit 20 g Ethanol 30 min vermischt. Dann werden portionsweise 5 g
feinkörniges
NaOH zugegeben, und es wird weitere 2 Stunden bei Raumtemperatur
gemischt. Die Reaktionsmischung wird in einen Kunststoffbehälter gefüllt, der
mit Stickstoff gespült,
verschlossen und 48 Stunden auf 65° C temperiert wird. Das Rohprodukt
wird mit Wasser gewaschen und bei 60° C im Umluft-Trockenschrank
getrocknet. Es wird ein helles, leicht gelbliches Produkt erhalten,
das sich in 2 %iger Essigsäure
löst. Der
Deacetylierungsgrad beträgt
75 %.