MX2010013923A - Metodo de extraccion de quitosano. - Google Patents

Abstract

La presente invención es un método para obtener quitosano libre de partículas extrañas y en diferentes presentaciones. Una de las ventajas de este método es la reducción de costos de extracción, la pureza del material y la formación de diferentes presentaciones físicas del producto final, en etapas iniciales se genera en una misma etapa la "desproteinización-deacetilinización" , de la materia prima, que opcionalmente proviene de desechos crustáceos. A diferencia de que la desproteinización y deacetilinización comúnmente se realizan en diferentes etapas, con la finalidad de obtener proteínas sin degradación, sin embargo aunque el proceso propuesta las proteínas que se obtienen presentan un grado de degradación parcial pueden venderse a un menor precio, considerando que el costo de la venta de proteínas puede ser absorbido parcialmente mediante los ahorros del tiempo, numero de lavados y reactivos que se generan al realizar en una misma etapa dedesproteinización y deacetilinización.Finalmente, en la etapa de precipitación la forma en que se dosifica el quitosano al hidróxido de sodio es variable y va a depender de la forma que se prefiere tengan los cuerpos de quitosano obtenidos, teniendo que pueden ser esféricos, dosificados por goteo, hilos, dosificando en continuo por ejemplo mediante una jeringa,.

Description

METODO DE EXTRACCION DE QUITOSANO DESCRIPCIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN El objeto de la presente invención es un método de extracción de quitosano y preparación de diferentes presentaciones del material libre de partículas extrañas.

ANTECEDENTES La quitina (2-acetamido-2-deoxy ß-l, 4-D-glucan) es el segundo polisacárido más abundante en la naturaleza después de la celulosa, que se encuentra en forma natural en crustáceos, hongos, moluscos y cutículas de insectos. El quitosano en la naturaleza solo se encuentra en ciertas especies de hongos, por lo que se debe sintetizar a partir de la quitina por un proceso de deacetilización. . .

Se ha observado que la demanda de estos materiales ha crecido desde los años 70 y se estima que siga creciendo conforme se desarrollen nuevas aplicaciones. En la actualidad, los principales países productores de quitosano son Japón y Estados Unidos. Existen por el otro lado, países con gran potencial para la producción de este biopolímero. México, por ejemplo posee un gran potencial para desarrollo de plantas de extracción debido a que cada año se generan millones de toneladas de desechos crustáceos, que en su mayor parte son desechadas al mar. En la industria se utilizan los desechos crustáceos como fuente de materia prima para ,1a. producción de quitina y quitosano, ya que es un subproducto de la pesca.. La cutícula de. los crustáceos está formada por quitina' (suave.y flexible), 'la cual en la naturaleza es endurecida con una deposición de sales de calcio y/o ligando de proteínas. Las cascaras de camarón contienen aproximadamente 30-40% de proteína, 20-40% de carbonato de calcio y 20 - 30 % de quitina en peso seco. Estas relaciones pueden variar con el crustáceo y la estación en que fue capturado.Para la eliminación de proteínas y CaC03 existen actualmente dos ¡vías de .extracción: química o enzimática..; ...¦ .: - . , n >s . · · \ En la producción industrial de quitina y quitosano, el método químico posee mayor aceptación por sus bajos costos en comparación con el método enzimático.

En el método químico, primero el carbonato de calcio se disuelve cuando se mezclan las cascaras de crustáceos con acido clorhídrico diluido a temperatura ambiente. Después la proteína se extrae del material residual con un tratamiento de solución acuosa de hidróxido de sodio obteniéndose una quitina cruda. La deacetilización de la quitina para formar el quitosano se alcanza a través de un tratamiento con solución acuosa de NaOH 40 - 60 % a 110 - 115°C durante varias horas en ausencia de oxigeno, lo cual contribuye a disminuir la degradación de la molécula. Las proteínas, cloruro de calcio y los carotinoides que se obtienen del proceso como co-productos, pueden ser utilizadas más adelante.

La Tabla 1 muestra los agentes químicos mas utilizados para cada etapa de extracción química. Siendo el hidróxido de sodio y el acido clorhídrico los de mayor aceptación industrial por su disponibilidad en el mercado y bajos costos.

Tabla 1.- Agentes utilizado para la extracción química.

No y Meyers et al.. realizaron una revisión de las condiciones de extracción de quitosano. En la tabla 2 se presentan las condiciones de cada etapa de extracción de quitina y quitosano.

Tabla 2 Condiciones de etapas de extracción de quitina y quitosano.

Existen varias patentes para extracción de quitosano y síntesis de diferentes presentaciones del material.

En la patente U.S. Pat. No 2,040,879 (l/may/1936) Rigby describe la deacetilización de quitina a quitosano mediante hidróxido de sodio a altas concentraciones (30-60 % w/v) y temperaturas (80o- 160 °C).

En la patente U.S. Pat. No 4,195,175 (25/mar/1980) Peniston describe una optimización del proceso de extracción de quitosano, reutilizando el hidróxido de sodio del proceso, aumentando la relación de hidróxido: quitina y estableciendo una atmosfera de reacción libre de oxigeno mediante la inyección de nitrógeno.

En la patente U.S. Pat No 4,833,237 (23/may/1989) Kawamure describe un proceso para producir, granulos porosos de quitosano con poros uniformes en la: superficie esférica. El proceso comprende disolver quitosano de bajo peso molecular en una solución acuosa acida, colocar la solución en un medio alcalino y coagular el producto para precipitar el quitosano en forma de esferas.

Para el desarrollo de aplicaciones de quitosano en el sector médico es necesario que este biopolimero tenga una alta pureza libre de partículas extrañas. Por ejemplo, en el desarrollo de películas, es necesario disolver el quitosano y filtrar esta . solución para eliminar impurezas insolubles. Sin embargo cuando la solución de quitosano posee una alta viscosidad, la filtración se. complica y la etapa se vuelve más lenta.. El nuevo método tiene como objetivo producir un quitosano libre de impurezas, lo que permite ahorrar la etapa de filtración en la manufactura de derivados de quitosano.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Figura 1: Diagrama del nuevo método de extracción propuesto. En este diagrama se muestra todas las etapas para la extracción de quitosano de alta pureza.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención propone un método de extracción de quitosano libre de impurezas y la preparación de diferentes presentaciones del biopolimero. El método consiste en la eliminación de proteínas, carbonato de calcio [CaC03] y deacetilización de la materia prima, que opcionalmente se compone de citoesqueleto de crustáceos). A diferencia de los métodos existentes de extracción de quitosano, este método no obtiene durante el proceso quitina libre de proteínas y CaC03. El objetivo de este método es obtener quitosano libre de proteínas, CaC03 e impurezas a partir de desechos crustáceos. La ventaja de no producir una quitina libre de CaC03 y proteínas es el ahorro de número de lavados, así como tiempo de proceso.

El método propuesto permite ahorrar números de lavados, costos y reactivos. La parte innovadora consiste en el orden de las etapas de extracción química y el aprovechamiento de un fenómeno de insolubilidad de quitosano en un acido a una concentración especifica. Generalmente la extracción de quitosano se lleva a cabo en el siguiente orden: 1) desproteinizar 2) desmineralizar 3) deacetilizar.

En el método propuesto las etapas de extracción se llevan a cabo en el siguiente orden: 1) desproteinizar-deacetilizar 2) desmineralizar.

El..objetivo de desproteinizar y deacetilizar en una misma etapa, es . aprovechar el medio alcalino para precipitar las proteínas y. al mismo tiempo deacetilizar.' la quitina presente en los desechos crustáceos. Esta unificación de etapas, permite eliminar número de lavados y disminuir el tiempo de proceso.

En la literatura no se ha reportado llevar a cabo la etapa de desmineralización posterior a la etapa de deacetilización. Esto se debe a que el quitosano se disuelve en medios ácidos. Sin embargo , en esta patente se . ha identificado, un fenómeno no reportado en la literatura, en donde el quitosano es insoluble en un medio acido a una concentración especifica. Se aprovecho esta insolubilidad para unificar la etapa de desmineralización y solubilización.

Al desmineralizar el quitosano en condiciones específicas, se puede eliminar el CaC03 sin disolver el quitosano, lo que permite eliminar el cloruro de calcio [CaCL2] solubilizado en el medio mediante una filtración simple. Después las cascaras filtradas de la etapa de desmineralización, poseen un pH acido, por lo que al adicionar agua se disuelven. Esto se debe a que cambia el pH del medio.

El método de extracción de quitosano, esta representado en la figura 1, y consiste en las siguientes etapas: a) Reducir tamaño de partícula (1): El tamaño de partícula depende de la fuente de materia prima, por lo que es recomendable reducir el tamaño de partícula a no mas de 0.5 cm, esto con el objetivo de lograr un mayor contacto de reactivos-materia prima y liberar restos de carne que quedan atrapados en el citoesqueleto o cascaras de crustáceos o insectos. Opcionalmente, esta etapa se lleva a cabo por medios físicos como molino de bolas, licuadora o mortero. b) Desproteinizar-Deacetilizar (2): esta etapa la materia prima molida se introduce en un medio liquido alcalino preferente hidróxido de Sodio (NaOH) a una ; concentración .40-60 % p/v, un tiempo de 4-12 horas, una temperatura entre 80- 120°C y agitación constante (superior a 100 rpm). La concentración, tiempo y temperatura se deben ajustar de acuerdo a las propiedades deseadas: grado de deacetilización, peso molecular y viscosidad final. Por ejemplo: a mayor temperatura (120°C) y tiempo de deacetilización (12 horas), el peso molecular del quitosano baja iy el grado de deacetilización se incrementa, ¦ En. esta etapa se. precipitan las proteínas y se.deacetiliza la quitina presente en .las cascaras. El material final de esta etapa se compone por quitosano y CaCOj. c) Eliminar residuos alcalinos (3): Se eliminan los residuos alcalinos del material del inciso b), mediante lavados, consecutivos con agua a una temperatura entre 25-80 °C hasta llevar a neutralidad. . d) Desmineralizar (4): Posteriormente el material neutro del inciso c) se introduce en una solución de acido clorhídrico a una concentración 2M. Se realizan 1-2 lavados con esta solución durante 15.-30 min a temperatura ambiente. . · . . .. e) Eliminar exceso de HC1 (5), mediante una filtración con un paño del material desmineralizado del inciso d). f) Disolver (6): Las cascaras sin exceso de HCL se colocan en un recipiente y se adiciona agua destilada a temperatura ambiente. La cantidad de agua depende de la viscosidad de la solución y concentración de quitosano que se desea obtener. Es recomendable una relación de materia prima y volumen de agua de 1 :30 p/v La acidez de las cascaras provoca que el medio se vuelva acido. En este medio el quitosano se disuelve, y para acelerar la disolución opcionalmente se agita la solución a una velocidad entre 100 a 300 rpm. g) Eliminar sólidos insolubles (7): La solución de quitosano acida obtenida en incisio f) se filtra para eliminar los sólidos insolubles, opcionalmente en una malla con un tamaño de abertura de hilos menor a 2 mm. Los tamaños de malla pequeños permiten retener pequeñas partículas insolubles de la solución de quitosano. h) Precipitar quitosano (8): La solución de quitosano se introduce en un baño de NaOH 0.5-2: M. En esta etapa se pueden realizar diferentes modificaciones con el objetivo, de obtener un: quitosano con una forma específica como esferas, hilos, films, por mencionar solo unas formas. Por ejemplo, para obtener esferas de quitosano, se recomienda rociar, la solución en un medio alcalino, para que las gotas formadas puedan coagular en el baño formando asi las esferas. i) Eliminar residuos alcalinos (9): El material formado del inciso h) se secupera y lava con agua hasta un pH neutro. . .. . . .. . .. . t.¡ . .. . ··., ·..; j) Secado (10): El material del inciso i) se seca por alguna de las siguientes alternativas: secado por liofilización, secado a temperatura ambiente, secado a altas temperaturas, preferentemente secado a altas temperaturas. uitosano que se obtiene por el método propuesto presenta las siguientes propiedades: • Contenido de cenizas: < 5% • Grado de deacetilización: > 70 % • Contenido de proteínas < 5 % EJEMPLOS Los siguientes ejemplos se proporcionan con el objeto de dar un mejor entendimiento de la presente invención, sin embargo estos ejemplos no están intencionados para limitar las características de la presente invención.

Ejemplo 1.- Extracción de quitosano a partir de cascaras de camarón a) REDUCIR TAMAÑO DE PARTICULA. Se pesa 1 kg de cascaras de camarón seco y se muelen para reducir el tamaño de partícula de 5 mm. Estas cascaras se componen principalmente de proteínas, quitina y CaC03. Esta etapa se lleva a cabo en seco. b) DESPROTEINIZAR Y DEACETILIZAR: Las cascaras molidas del inciso a) se introducen en una solución de Hidróxido de Sodio a una concentración de 50% p/v y se calientan a una temperatura constante de 100 °C durante 6 horas con agitación constante a 250 rpm c) ELIMINAR RESIDUOS ALCALINOS: Las cascaras del inciso b) se componen de quitosano y CaC03. Estas se lavan con agua a una temperatura entre 25-80°C hasta neutralidad para eliminar el NaOH. En esta etapa es preferible utilizar agua a temperatura elevada para mejorar el lavado del material. d) DESMINERALIZAR: Se prepara una solución HCL 2M a temperatura ambiente. Se incorporan las cascaras de camarón del inciso c) y se deja reaccionar durante 15 min.

Después se elimina la solución lácida y se incorpora otra solución HCL 2M durante 15 min. Se observa que en . esta etapa el quitosano es insoluble, por lo que se puede recuperar fácilmente. e) ELIMINAR EXCESO HCL mediante una filtración de cascaras. f) DISOLVER: Las cascaras del inciso e) . se incorporan en 700 mi de, agua destilada. Se agita la solución a ,150 rpm hasta disolver completamente las cascaras. : . . ; · g) ELIMINARSOLIDOS INSOLUBLES: La solución de quitosano del inciso f) se filtra a través de una malla de acero inoxidable y se eliminan las partículas insolubles. h) PRECIPITAR QUITOSANO: la solución de quitosano libre de impurezas se introduce mediante un gotero en un baño de NaOH 0.5M. Las gotas que caen en el baño coagulan inmediatamente formando esferas. i) ELIMINAR RESIDUOS ALCALINOS: Las esferas del inciso h) se lavan con agua hasta eliminar residuos de NaOH y alcanzar un pH Neutro. j) SECADO: Las esferas neutras se secan en un horno a alta temperatura (40 °C) hasta eliminar el exceso de humedad.

Opcionalmente las esferas de quitosano son usadas como soporte para el cultivo de células. El quitosano que se obtiene del inciso j se caracterizo mediante los siguientes métodos: · Peso molecular: se utilizo el método de viscosimetria y la ecuación de Mark- Houwink.

• Contenido de Cenizas: se utilizo una técnica gravimétrica.

• Grado de deacetilización: se utilizo la técnica de titulación potenciometrica.

• Contenido de quitosano: se utilizo una técnica gravimétrica.

Para el quitosano del ejemplo 1 se encontraron las siguientes características: • PM 420 KDa; · Grado deacetilización: 90 % • Contenido cenizas: 3 % · Porcentaje de quitosano: 25 % EJEMPLO 2.- Modificación de técnica de precipitación para obtener hilos de quitosano.

Se utiliza el mismo procedimiento del EJEMPLO 1, hasta el inciso g). En la etapa de precipitación se realizan las siguientes modificaciones. h) Se introduce la solución de quitosano en una jeringa y se inyecta la solución a una velocidad constante en un baño de NaOH 0.5 M. La solución al entrar en contacto en el medio alcalino coagula. Posteriormente se continua con el procedimiento del EJEMPLO 1, inciso i) hasta obtener un hilo neutro y seco. Los hilos formados tienen una amplia gama de aplicaciones que van desde suturas hasta telas antibacteriales, aplicaciones en bioingeniería.

Claims (15)

REIVINDICACIONES Habiendo descrito suficiente mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas:

1) Un método de extracción de quitosano que comprende los siguientes pasos: a) REDUCIR TAMAÑO DE PARTICULA: La materia prima se muele para reducir el tamaño de partícula y también para permitir que las reacciones se lleven de manera mas homogénea en todo el material, b) DESPROTEINIZAR Y DEACETILIZAR: La materia prima del inciso a) se introduce en una solución alcalina a una concentración, temperatura y tiempo determinados por las propiedades de peso molecular, grado de deacetilización, viscosidad requeridas, el material que se obtiene después de esta etapa esta compuesto principalmente de quitosano y carbonato de calcio, c) ELIMINAR RESIDUOS ALCALINOS: El material del inciso b) se lava con agua a temperatura de 25-80°C hasta obtener un pH neutro y eliminar residuos de hidróxido de sodio, . d) DESMINERALIZAR: El material del inciso c) se introduce en una solución de , , HCL 2M a temperatura ambiente, se realiza un numero de lavados con esta solución para eliminar los restos.de cloruro de calcio que. se generan,, ;L , . r - ! . " e) ELIMINAR- EXCESO DE HCL: Se elimina la solución de HCL . del inciso d) mediante una filtración de las cascaras, f) DISOLVER: El material del inciso e) se coloca en un recipiente y se adiciona agua y se agita la solución hasta, disolver totalmente el quitosano. i . , g) ELIMINAR SpLIDOS INSOLUBLES: La solución.. del . inciso f) se..filtra..para eliminar los sólidos insolubles, h) PRECIPITAR QUITOSANO: La solución de quitosano filtrada se introduce en un baño de una solución alcalina con el objetivo de precipitar el quitosano disuelto. i) ELIMINAR RESIDUOS ALCALINOS: El quitosano precipitado del inciso h) se lava con agua hasta un pH neutro, j) SECADO: El quitosano neutro del inciso i) se seca por alguno de los siguientes métodos: secado por liofilización, secado a temperatura ambiente o secado a temperatura elevada, para obtener cuerpos de quitosano,

2) El método de extracción de quitosano, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa a) la materia prima consiste en citoesqueletos de insectos o crustáceos.

3) El método de extracción de quitosano, de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la etapa a) la materia prima preferentemente es de camarón.

4) El método de extracción de quitosano, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa a) se lleva a cabo en seco.

5) El método de extracción de quitosano, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la desproteinización y deacetilización se llevan a cabo en una misma etapa. ,

6) El método de extracción de quitosano, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa c), preferentemente se realiza con agua a una temperatura entre 75-80°C.

7) El método de extracción de quitosano, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa d), de desmineralización insoluble del. quitosano ocurre cuando se utiliza HCL a una concentración 2M y se lleva a cabo a temperatura ambiente.

8) El método de extracción de quitosano, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa f) se lleva a cabo con agitación constante entre 100 a 300 rpm.

9) El método de extracción de quitosano, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa h) se determina la forma de los cuerpos quitosano.

10) El método de extracción de quitosano, de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque los cuerpos de quitosano opcionalmente son esferas, films, hilos.

11) El método de extracción de quitosano, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque después de filtrar las cascaras desmineralizaras y al adicionar una cantidad determinada de agua, estas se disuelven sin necesidad de agregar un agente acido externo como acido acético.

12) Cuerpos de quitosano obtienidos de conformidad con el método descrito en las reivindicaciones 1 a 6, caracterizados porque tienen quitosano con un peso molecular promedio de 420 KDa, un grado de deacetilización comprendido en el intervalo del 89 - 90% y un contenido de ceniza de 3 % en peso.

13) Uso de los cuerpos de quitosano de conformidad con la reivindicación 12 para aplicaciones de bioingeniería.

14) Uso de conformidad con la reividnciacón 13, caracterizado porque los cuerpos de quitosano están conformados en distintas formas.

15) Uso de conformidad con la reivindicación 12, caracterizados porque los cuerpos de quitosano están destinados como soporte en el cultivo de células.