Хитин - линейный аминополисахарид, состоящий из №ацетил-2-амино-2-дезокиси-D-гликопиранозных звеньев. Этот природный полимер, выделяемый из панциря ракообразных, служит сырьем для получения большого числа производных, самым известным из которых является хитозан. Хитозан образуется при удалении ацетильной группы из положения С₂ в хитине в результате обработки его в жестких условиях раствором щелочи, что позволяет заместить ацетильные группы хитина аминогруппами.

Благодаря широкому спектру полезных свойств хитин и хитозан находят всё более широкое применение. Области их применения разнообразны, это текстильная промышленность (при шлихтовке и противоусадочной или водоотталкивающей обработке тканей), бумажная и фотографическая (для изготовления высококачественных и специальных сортов бумаги, а также для улучшения свойств фотоматериалов), атомная промышленность (для локализации радиоактивности и концентрации радиоактивных отходов), медицина (в качестве шовных материалов, рано- и ожогозаживляющих повязок, в составе мазей и лечебных препаратов, как энтеросорбент), сельское хозяйство (для производства удобрений, защиты семенного материала и сельскохозяйственных культур), пищевая промышленность (выполняют роль консерванта, осветлителя соков и вин, диетического волокна, эмульгатора, в качестве пищевой добавки показывают уникальные результаты как энтеросорбенты), парфюмерия и косметика (входят в состав увлажняющих кремов, лосьонов, гелей, лаков для волос, шампуней), очистка воды (выполняют функции сорбента и флокулянта). К неоспоримым достоинствам хитозана относится его совершенная безопасность для человека и окружающей среды: он экологически чист и полностью распадается в природных условиях [1].

Панцирь ракообразных построен из трех основных элементов - хитина, играющего роль каркаса, минеральной части, придающей панцирю необходимую прочность, и белков, делающих его живой тканью. Хитин в панцире ракообразных образует волокнистую структуру и связан с белками, имея вид хитинбелкового комплекса. Таким образом, для выделения хитина из панцирьсодержащего сырья необходимо отделить минеральную и белковую составляющие.

Исходя из сказанного выше, процесс выделения хитина состоит из стадий деминерализации и депротеинирования, которые относятся к процессам экстрагирования. Суть их заключается в извлечении компонентов из твёрдого вещества жидкостью. В данном случае твёрдое вещество - это панцирь ракообразных.

Процесс извлечения хитина состоит в том, что жидкий растворитель (раствор соляной кислоты при деминерализации и гидроксида натрия при депротеинировании) проникает внутрь пористого тела, которым является панцирь, и растворяет примесный компонент (при деминерализации минеральная составляющая, а при депротеинировании белки и липиды), насыщаясь им вблизи поверхности растворения. Растворенное вещество диффундирует вдоль пор, заполненных раствором, и из устьев пор переходит в основную массу жидкого растворителя.

Традиционно процессы деминерализации и депротеинирования проводят в экстракторах периодического действия (с перемешивающим устройством или без него), где хитинсодержащее сырье заливается на определенное время экстрагентом. Недостатком такого метода является неизбежное уменьшение движущей силы процессов (разность концентрации) и как следствие - их скорости. Кроме того, относительно высокий модуль ванны [1 : (5-8)] существенно снижает производительность таких аппаратов.

Для оценки эффективности разных типов аппаратов для экстрагирования в качестве сравнения выбран экстрактор непрерывного действия - диффузор, который состоит из цилиндрического корпуса, ложного днища (решётки) и откидного днища (рис.1).

Диффузоры соединяются последовательно в батареи, что обеспечивает непрерывность их работы. При этом растворитель прокачивается насосом снизу вверх последовательно через все аппараты батареи, в которых в данный момент происходит экстрагирование. Батарея диффузоров работает по принципу противотока, т.е. свежий растворитель взаимодействует с уже в значительной степени отработанным материалом [2-5].

Условия процессов экстрагирования и их аппаратурное оформление определяют как свойства и степень чистоты целевого продукта, так и его себестоимость. Таким образом, выбор принципиального аппаратурного оформления процессов выделения хитина и их оптимизация чрезвычайно важны.

Кинетически экстрагирование подчиняется законам массообмена, конвективной и молекулярной диффузии, а также законам переноса извлекаемого вещества из твердой фазы в жидкую. Движущей силой переноса целевого компонента является разность его химических потенциалов в фазах. На практике для упрощения связи между скоростью процесса и составом материальных потоков движущую силу экстрагирования выражают переменным во времени градиентом концентраций извлекаемого вещства в соответствующих фазах.

Эффективность процессов деминерализации и депротеинирования существенно зависит от гидродинамических характеристик среды, определяемых типом используемого оборудования, а также от концентрации реагентов, температуры и продолжительности процессов. При этом условия выделения хитина должны быть максимально щадящими, чтобы предотвратить его деструкцию.

В качестве сырья для получения хитина был использован панцирь королевского камчатского краба. Поскольку процесс экстрагирования из панциря минеральных и белковых примесей определяется скоростью их растворения в экстрагентах, то для определения кинетических характеристик процессов деминерализации и депротеинирования был выбран метод, который сводится к периодическому отбору проб обрабатываемого материала при заданных условиях и определению в нем доли нерастворившихся соединений. В конце опытов находили продолжительность полного растворения примесей. На основании полученных результатов строили график зависимости в координатах у(т) - т, где у - относительная доля растворяющегося вещества, т - продолжительность процесса.

Для определения кинетических характеристик деминерализации взвешивали пробы панциря одинаковой массы, измельчённого до размера фракции 2-3 мм, после чего на экстракторах разного типа (экстрактор периодического действия с перемешивающим устройством и без него, и диффузор) проводили серию опытов, варьируя концентрацию соляной кислоты и температуру. Для приготовления растворов использовали соляную кислоту концентрацией 36.2% (ГОСТ 3118-77) квалификации х.ч.

Для определения кинетических характеристик депротеинирования готовили несколько проб деминерализованного сырья одинаковой массы, после чего на экстракторах того же типа проводили серию опытов при различных значениях концентрации гидроксида натрия и температуры. Для приготовления растворов использовали гидроксид натрия (ГОСТ 4328-77) квалификации ч.д.а.

Относительную долю растворяющегося вещества у находили по соотношению Х/Х₀, где Х - количество растворившегося вещества (степень деминерализации или депротеинирования), а Х₀ - начальное содержание минеральных или белковых примесей в панцире.

Степень деминерализации (депротеинирования) рассчитывали по формуле

где Х - степень деминерализации (депротеинирования), %; М₁, М₂ - масса панциря до и после деминерализации (депротеинирования),

Оптимизацию параметров процесса деминерализации проводили в три этапа.

1. При разной концентрации соляной кислоты (2, 4, 6 и 8%) через определенные промежутки времени определяли долю растворившейся минеральной части в сырье. Затем строили графики зависимости доли растворившейся минеральной части от продолжительности процесса и по полученным кинетическим кривым определяли оптимальную концентрацию соляной кислоты. Все опыты проводили при температуре 20-25°С в статических условиях без перемешивания.
2. При разной температуре процесса (20, 40, 60, 80°С) через определенные промежутки времени находили долю растворившейся минеральной части в сырье при выбранной на первом этапе концентрации соляной кислоты. По полученным кинетическим кривым определяли оптимальную температуру процесса. Все опыты проводили без перемешивания.
3. Используя определенные на первых двух этапах оптимальные значения концентрации соляной кислоты и температуры процесса, те же опыты проводили в экстракторах разного типа и по полученным графикам определяли оптимальный тип аппарата.

Оптимальные параметры процесса депротеинирования выбирали аналогичным способом с использованием в качестве экстрагента растворы гидроксида натрия.

На рис.2 и 3 представлены кинетические кривые процессов деминерализации и депротеинировании для выбора оптимальной концентрации экстрагентов. Данные по выбору оптимальных температурных режимов процессов показаны на рис.4 и 5. В свою очередь, рис.6 и 7 демонстрируют характер протекания процессов в аппаратах разного типа.

Полученные в результате испытаний данные свидетельствуют о том, что рассматриваемые процессы с повышением температуры и концентрации экстрагентов протекают интенсивнее. При этом показано, что в диффузорах эти процессы протекают более эффективно и с меньшими затратами времени, что позволяет рекомендовать аппараты такого типа для проведения процессов деминерализации и депротеинирования при выделении хитина из хитинсодержащего сырья.

Использование аппаратов подобного типа целесообразно также с точки зрения повышения производительности. Степень заполнения таких аппаратов по сравнению с традиционно используемыми при получении хитина и хитозана экстракторами периодического действия одинакового размера, больше на 50-60%, что значительно увеличивает съем продукта с единицы оборудования. Соединение диффузоров в батарею позволяет максимально эффективно использовать растворы экстрагентов и производить большее количество хитина за меньшее время [6].

• Изучены кинетические закономерности процессов деминерализации и депротеинирования хитинсодержащего сырья.
• Установлено, что повышение концентрации экстрагента и температуры существенно повышает интенсивность и скорость этих процессов.
• Отмечено, что в диффузорах эти процессы протекают более эффективно и с меньшими затратами времени, что позволяет рекомендовать аппараты такого типа для проведения процессов экстрагирования при выделении хитина из хитинсодержащего сырья.