Extraccin de quitina de cascara de camarn para sntesis de quitosano para su uso en remocin de metales pesadosMontoya-Cervantes, J.A., Jimnez-Herrera, J.A., Carrillo-Tsuyi, J.H., Soto-Daz, O.Facultad de Ciencias Qumicas, UNIVERSIDAD AUTNOMA DE CHIHUAHUA

Resumen.

En el presente trabajo, se llev a cabo la extraccin de quitina a partir de residuos de cascara de camarn, la cual fue sometida a un tratamiento previo de lavado y pulverizacin. La extraccin de la quitina se realiz en dos pasos: la desproteinizacin con una solucin de NaOH 2M y consecutivamente la demineralizacin con HCl 1.5M. Posteriormente, se realiz la desacetilacin para dar como producto de sntesis el quitosano.

PALABRAS CLAVE: Quitosano, Metales pesados, Extraccin qumica, Camarn

Abstract.

In the present work was carried out an extraction of chitin from shrimp shell waste which was subjected to a washing and spraying pretreatment. Chitin extraction was performed in two steps: the deproteinization with a NaOH 2M solution and demineralization with a HCl 1.5M solution. Subsequently the deacetylation is carried out to give chitosan as a synthesis product.

KEY WORDS: Chitosan, Heavy metals, Chemical extraction, Shrimp.

1. Introduccin.La contaminacin de los efluentes del agua a casusa de desechos industriales representa un serio problema ambiental. Estos desechos frecuentemente contienen considerables cantidades de iones metlicos y contaminantes orgnicos los cuales podran repercutir seriamente en la salud de los seres humanos expuestos ante este tipo de contaminacin y al medio ambiente. (5)Actualmente la sociedad afronta graves problemas de salud tales como fallas en el hgado y riones, cncer, as como enfermedades comunes transmitidas por el agua como diarrea, hepatitis y dems. Este es uno de los motivos por el cual se ha hecho urgente una solucin al problema de la contaminacin del agua por efecto de desechos industriales. (6).Las principales tcnicas que se han utilizado para remover metales txicos de los efluentes industriales son: la precipitacin qumica, complejacin, intercambio inico, evaporacin, electrodeposicin, extraccin lquido-liquido, separacin por membranas procesos de oxidacin avanzada, electrlisis, osmosis inversa y tratamientos biolgicos. Estos mtodos pueden no resultar lo suficientemente efectivos y adems representan un impacto econmico considerable. El material juega un factor importante a la hora de remover metales pesados del agua. El quitosano se utiliza debido a que es muy buen conductor y un excelente adsorbente de stos metales (15)La adsorcin es uno de los mtodos de remocin de metales txicos en ambientes acuosos ms econmicos, efectivos y extensamente utilizados. La gran ventaja de este mtodo sobre otros es la baja generacin de residuos, la fcil recuperacin de los metales y la posibilidad de reutilizar el adsorbenteLa aplicacin de biopolmeros como adsorbente es una tcnica emergente y sus estudios son de gran inters para la remocin de iones metlicos. (7)La quitina (fig.1), (1-4) -2-acetamido-2-desoxi- -D-glucano, es el segundo polisacrido ms abundante en la naturaleza despus de la celulosa, con una biosntesis anual estimada de 109- 1010 toneladas. Es un polisacrido natural sintetizado por un gran nmero de organismos vivos y funciona como un polisacrido estructural. Hay dos formas alomorfas (formas y ) que se observan para la quitina, mientras que la -quitina es la ms abundante (1). El quitosano (fig.1) es el nico polmero catinico pseudonatural que tiene potencial en la remocin de metales pesados y otras aplicaciones como recubrimiento de protesis de Titanio. Por lo tanto la solubilidad es una caracterstica crucial para el quitosano. La mejora de la solubilidad puede facilitar la aplicacin de quitosano en la medicina, alimentos y remocin de metales pesados. El alto peso molecular es responsable de la baja solubilidad de quitosano en agua. Por lo tanto, es importante disminuir el peso molecular para mejorar la solubilidad del quitosano. Las aplicaciones incluyen la purificacin de aguas residuales. (2). A pesar de la presencia generalizada de la quitina, hasta ahora las principales fuentes comerciales de quitina son todava cascaras de cangrejo y camarones (3).

Fig. 1 Estructura bsica de la quitina (A) y quitosano (B)

Debido a sus ventajas, se ha dado una atencin especial al quitosano. Dado que sus grupos amino tienen una fuerte quelacin hacia metales pesados, el quitosano es aplicado a la adsorcin de metales pesados inicos para lograr la purificacin del agua y la recuperacin de los metales. (8)El objetivo de este trabajo es el sintetizar quitosano a partir de la extraccin de la quitina contenido en la cascara de camarn y dicutr el impacto que este biopolmero representa para la remocin de metales pesados tales como el Cadmio de los efluentes contaminados.

2. Metodologa.

2.1. Pre-tratamiento.Se realiz en primera parte el lavado intensivo de las cascaras de camarn con agua abundante, se retir la materia orgnica separando las cascaras de camarn de manera manual. Despus del lavado se realiz un secado en el evaporador durante 4-6 horas y se pulverizo en un mortero. Se almaceno para su uso posterior.Se prepararon tres soluciones para la extraccin de la quitina, NaOH 2M, HCl 1.5M y NaOH al 50%,2.2. Desproteinizacin. Para el proceso de extraccin en primer lugar se realiz la desproteinacion con NaOH a 2M durante 2hr a 65C aadiendo sulfato de sodio al 1% peso/volmen de la solucin total. Se trataron 5gr de cascara de camarn con agitacin constante y durante los ltimos 30min se agito vigorosamente con un agitador de vidrio para asegurar que el NaOH penetrara de forma completa en la cascara de camarn2.3. Desmineralizacin. posteriormente se realiz la desmineralizacin de la cascara con HCl a 1.5M en una relacin 1/15 peso/volmen durante 1hr a 60C tambin este proceso se realiz bajo agitacin constante y con sulftato de sodio a relacin 1%.2.4. Desacetilacin.El proceso de desacetilacion se realiz con una solucin NaOH al 50% durante 1:30 h a 90C aadiendo sulfato de sodio para la proteccin de la cadena durante el proceso a altas temperaturas, (al final de cada proceso se realiz un lavado intensivo de la cascara de camarn para asegurar la eliminacin de cada sustancia utilizada y hasta ph neutro).Por ltimo el producto se coloc en un recipiente y se le aadi 3ml de cido actico como solvente para provocar la gelificacn del quitosano.

3. Resultados y discusin.3.1. Pretratamiento.El tratamiento previo a los pasos de extraccin de quitina juega un rol muy importante en la sntesis del quitosano, debido a que en este paso se remueven compuestos orgnicos solubles, protenas adheridas y dems impurezas que pueda contener la materia prima, se hace ms eficiente el proceso de extraccin, eliminando todos esos posibles obstculos para obtener una quitina ms pura y un mejor grado de conversin de quitina a quitosano. (9)

3.2. Desproteinizacin.En el proceso de desproteinizacion en un mtodo alcalino parala extraccin de las protenas presentes en la cascara de camarn esto se realiza para favorecer el movimiento y la reacomodacin de los grupos acetilos presentes en la estructura ya que el quitosano procede de solo una reacomodo molecular de la estructura de la quitina, en este proceso es comn utilizar NaOH en concentraciones moderadas y tambin est el factor de temperatura que afecta la conversin en el ltimo proceso de extraccin, en el caso del proceso realizado se utiliz NaOH a 2M la llevado a cabo a temperaturas relativamente bajas. Se aadi sulfato de sodio el cual funciono como protector para la cadena y evitar la oxidacin de la quitina simulando una atmosfera inerte, condicin a la qu es sometida las desproteinizacin en la mayora de los trabajos. 3.3. Desmineralizacin.

Este paso, al igual que el de desproteinizacin tiene como principal objetivo el obtener quitina con un mayor grado de pureza. El carbonato de calcio constituye el principal componente inorgnico de la cascara de camarn y para su eliminacin solo fue usado cido clorhdrico diludo. La concentracin utilizada de la solucin de HCl, tiempo de reaccin, y la relacin a la que fue aplicada fueron usadas en base al procedimiento de Benhabiles, Salah, Lounici, Drouiche, Goosen y Mameri (2012) cuyos mejores resultados fueron obtenidos con esos parmetros de trabajo. Se considera que el mtodo utilizado es muy eficiente y eficaz dado los bajos tiempos de accin y las relativamente bajas temperaturas empleadas. (9)3.4. Desacetilacin.Fig 2. Mecanismo de reaccin de desacetilacin.

El quitosano es producido mediante una desacetilacin alcalina. El peso molecular, distribucin de carga y el grado de desacetilacin del producto final puede tener variaciones. El mecanismo de reaccin (fig. 2) consite en un ataque nucleofilico por parte del in hidrxido, perteneciente al NaOH, al carbonilo presente en la amida obteniendo as el producto quitosano mas el in acetato.Debido a la naturaleza catinica del quitosano, tiene la propiedad de unirse a iones metlicos. Para la remocin ha sido encontrado como un adsorbente ideal de metales debido a la gran capacidad de remover un amplio rango de estos y en grandes cantidades. La propiedad de remocin de metales que presenta el quitosano ha sido atribuda a la capacidad de quelacin de los grupos amino. (10)El agua residual mediante purificacin alcanza un grado bajo de potabilidad y posee iones de metales pesados, se han buscado varios mtodos de purificacin pero la mayora no elimina los metales presentes y esto es una gran preocupacin por las altas cantidades de agua residual que se producen en las fabricas e industrias por medio de sus procesos de fabricacin. Aqu es donde el quitosano tiene una gran aplicabilidad. (11)Se han realizado algunos estudios para la remocin de metales que reprsentan un problema para la salud tales como el Cd y se ha comprobado la efectividad de este biopolmero en dicha aplicacin.(Varma, Desphande y Kennedy, 2004) trabajaron con varias clases de derivados de quitosano y compraron sus habilidades de remocin de iones metlicos as como los mtodos analticos para analizarlos, los mecanismos de adsorcin, y el anlisis estructural de los complejos metlicos mediante varios mtodos. En este trabajo se muestran aminocidos conjugados de quitosano (fig. 3) sintetizados mediante la reaccin de quitosano parcialmente reticulado con steres de aminocidos.Fig. 4. mecanismo de adsorcin de cadmio por el TC-quitosano

Fig. 3. Quitosano- aminocidos conjugados.

Las pruebas de capacidad de adsorcin de cadmio realizada a partir de varias soluciones de cloruro de cadmio, nitrato de cadmio y sulfato de cadmio demostraron la efectividad que tienen estos aminocidos conjugados de quitosano para la remocin de este metal. (12)

(Chauhan, Jaiswal y Sankararamakrishnan, 2012) evaluaron la capacidad de remocin para cadmio desde el efluente de agua residual de una industria galvanoplastia ubicada en ciudad Kampur, India. Para esto realizaron una modificacin qumica al quitosano obteniendo tiocarbamoilo quitosano (13,).Se propuso el mediante espectroscopia infrarroja por transportada de furier (fig. 4) demostraron una adsorcin de cadmio de 666.1 mg por gramo del biopolmero.

Conluyeron que la modificacin qumica del quitosano con un grupo tiourea incrementa su capacidad de adsorcin.

4. Conclusiones.Los mtodos de sntesis a nivel laboratorio son procesos fciles y aunque los tiempos y temperaturas tanto de extraccin como de desacetilacin reportados en muchos de los ensayos realizados son grandes, se pueden optimizar estos parmetros para eficientar el proceso de sntesisEl impacto que genera la utilizacin de este tipo de biopolmeros es de gran importancia, benfica y amigable con el medio ambiente. En el caso de la remocin de metales pesados, el quitosano representa una gran alternativa para la remediacin de esta problemtica.

5. Bibliografa

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