2-Deoxy-D-glucose i bekæmpelsesmidler til byggematerialer

6 Produktionsmuligheder

6.1 Teoretisk udbytte
6.2 Produktionsgrundlag
6.3 Hidtidig udnyttelse af rejeskaller
6.4 Produktion af 2-DOG fra rejeskaller
6.4.1 Forsøg
6.4.2 Resultat
6.5 Diskussion og konklusion

Råmaterialer

Chitin findes i naturen som hovedbestanddel af skaldyrs og insekters udvendige skelet og er meget svært nedbrydeligt i naturen. Chitin består af polymere kæder af b 1-4 bundet N-acetylglucosamin (samme struktur som cellulose, der består af glucose). 2-DOG kan fremstilles vha. hydrolyse af chitin, hvorved der åbner sig mulighed for anvendelse af skaller, som ellers er at betragte som affald, fra reje- og krabbeproduktionen.

Kemisk omdannelse af chitin til 2-DOG

Figur 16
Chitin.
Chitin.

Figur 17
Chitosan.
Chitosan.

Figur 18
2-amino-2-deoxy-D-glukose (chitosamin; glucosamin).
2-amino-2-deoxy-D-glukose (chitosamin; glucosamin).

Glucosamin reagerer med nitrit i sur opløsning under dannelse af kvælstof og 2-deoxy-glukose:

Figur 19
2-deoxy-D-glukose.

6.1 Teoretisk udbytte

Molvægten for chitins monomer, N-acetyl glucosamin, er 219 og for 2-DOG er molvægten 164. Den teoretiske mængde 2-DOG, der fås af 10 g chitin er derfor:

Skaller fra skal- og krebsdyr indeholder foruden chitin en mængde kalk. Det vil derfor være mindre økonomisk mht. forbrug af syre at depolymerisere/deacetylere chitin fra skaller med syre, men mere hensigtsmæssigt at benytte base.

6.2 Produktionsgrundlag

Fangsttal

Danmark har i 1992 en total fiskekvote for dybvandsrejer på 5.551 t. Fangsten udgjorde 4.376 t svarende til 78.8% af kvoten.

For dybvandshummer er kvoten 15.500 t, men der er kun fisket 2.054 t.

Fangsten af dybvandsrejer og hummer ligger i Skagerrak og Nordsøen samt ud for Grønlands kyster. Der er fisket i alt 8.479 t dybvandsrejer i 1992. Tilsvarende er der fisket 2.635 t dybvandshummer.

Danske fiskere landede i 1992 5.514 t rejer og fra 3.lande kom yderligere 205 t. I alt 5.719 t. som udelukkende anvendes til konsum. For hovedpartens vedkommende landes de i Nordjylland. De vigtigste havne er Skagen, Hanstholm og Hirtshals.

Import

Den danske fangst er ikke tiIstrækkelig til at dække forbruget. Vi importerer nemlig 48.090 t rejer, heraf 28.834 t fra Grønland, 9.321 t fra Canada, 5.725 t fra Rusland, 1.859 t fra Færøerne og 1.261 t fra Island.

Royal Greenland

Royal Greenland, Nuuk, har en markedsandel på ca. 25% på markedet for koldtvandsrejer, og produktion af rejer med skal udgør i størrelsesordenen 18.000 ton.

6.3 Hidtidig udnyttelse af rejeskaller

Fiskeriministeriets Forsøgslaboratorium (v. Hans Henrik Hus) oplyser, at der er lavet talrige forsøg for Royal Greenland vedrørende udnyttelse af chitin og farvestoffet astaxantin. De henviser til ingeniørfirmaet Matcon, som har overtaget videre arbejde med dette emne.

Fiskemel

Olav Johnsen, Malcon, oplyser, at en lille del af den totale (Danmark, Grønland, Norge, Island og Færøerne) mængde rejeskalaffald bliver lavet til fiskemel resten bliver dumpet.

Danske rejeproducenter forarbejder alt affald til fiskemel, da der skal betales afgift til dumpning. Produktion af fiskemel er ikke rentabel, men er mindre belastende set udfra en miljømæssig synsvinkel. Fiskemel anvendes til opdræt af f.eks. laks og kyllinger.

Markedet for chitin

Der produceres en lille mængde chitin, som betales godt, men bruges i ringe mængde til referencestof i f.eks. biologiske forsøg. Markedet for chitin er lille. Chitosan kam anvendes i kosmetik og medicinalindustrien, men markedet er også her for lille. Der ligger omkring 2000 patenter på anvendelsen af chitosan f.eks. til produktion af engangslinser, syning efter operation osv.

Farvestoffet Astaxantin

Farvestoffet Astaxantin i renfremstillet form har ikke været tilladt, men som naturligt forekommende farvestof i rejeskaller har det kunnet anvendes. LaRoche fremstiller nu et godkendt Astaxantin, som er billigere end farvestoffet produceret fra rejeskaller.

I Island, Norge og Grønland foretrækker man at dumpe, man har ikke nogen afgift på dumpning, og det er mere miljøvenligt. Der skal stærk lud til at fremstille chitosan, og miljøbelastningen er stor ved fremstilling og deponering af efterfølgende affald.

I Norge satser man på at fremstille små mængder specialstoffer, der har høj markedsværdi.

Matcon er det firma i Danmark, der ved mest og har arbejdet mest med udnyttelse af rejeskaller. De har fremstillet et concept for udnyttelse af alle komponenter i rejeskaller - et såkaldt closed loop - hvor de bl.a. fremstiller et proteinhydrolysat, et farvestof i olie og en aske, som kan anvendes som gips.

Midt i 80'erne var der forhandlinger i gang om etablering af et fabriksanlæg på Færøerne, men forhandlingerne gik i stå.

Pesticid

Firmaet Cheminova har været interesseret i at udnytte chitin i pesticidsammenhæng til skadedyrsbekæmpelse. Royal Greenland (v. kvalitetschef Alex Tolstoj) oplyser, at de er i gang med at opføre en fabrik til tørring af rejeskaller og formaling til fiskemel efter det norske koncept. De har tidligere arbejdet med ideer om fremstilling af chitin, men markedsprisen på chitin faldt, så det ikke længere var interessant.

6.4 Produktion af 2-DOG fra rejeskaller

6.4.1 Forsøg

Sur hydrolyse af chitin

Reaktionsligning for sur hydrolyse (depolymerisering/deacetylering):

1a) poly-N-acetyl glucosamin + HCl + 2 H₂O ------>

glucosamin + CH₃COOH + HCl

Reaktionsligning for deaminering:

2a) glucosamin + 3 HCl + 2 NaNO₂ ------>

R-N2⁺ + Cl^– + 2 NaCl + 2 H₂0 + HONO ------>

2-DOG + N₂ + NO_x + HCl + 2 H₂O + 2 NaCl

Dvs. for hvert mol glucosamin kræves minimum 3 mol syre og 2 mol nitrit. Fremstilles i stinkskab da der udvikles kvælstofilter.

Præliminært forsøg viste, at det er nødvendigt at udføre den sure hydrolyse (depolymerisering/deacetylering) med 4 M HCI for at få opløst chitinet.

1 g chitin svarer til ca. 5 mmol glucosamin, og der behøves da minimum 15 mmol syre (1,5 ml konc. HCI) og 10 mmol nitrit (0,7 g NaNO₂) til deamineringen.

1 g chitin tilsættes 45 ml vand og 30 ml konc. HCl og koges 24 timer med reflux. Chitinet opløses og giver en mørk, brun, klar væske. Dekoktet filtreres. Der tilsættes 20 ml 10 M NaOH for neutralisering af noget af saltsyren.

Der tilsættes 2 g NaNO₂ under omrøring, og der omrøres 1 time ved stuetemperatur. Eventuelt overskud af HONO neutraliseres med ammoniumsulfamat: der tiIsættes 5 ml 12,5% NH4SO3NH2; ingen brusen dvs. intet synderligt HONO overskud.

pH justeres til 7,0 med NAOH (ca. 5 ml 10 M NaOH) og volumenet justeres til 200 ml med destilleret vand, hvorefter indholdet af 2-DOG bestemmes.

Basisk hydrolyse af chitin

Reaktionsligning for basisk hydrolyse (depolymerisering/deacetylering):

1b) Skaller (chitin + Ca²⁺) + NaOH + H₂O ------>

glucosamin + CH₃COONa + Ca²⁺

Reaktionsligning for deaminering:

2b) glucosamin + 3 HCl + 2 NaNO₂ ------>

R-N₂⁺ + Cl^– + 2 NaCl + 2 H₂O + HONO ------>

2-DOG + N₂ + NO_x + HCl + 2 H₂O + 2 NaCl

Basisk hydrolyse af 1 g chitin med 75 ml 5 M NaOH ved kogning med reflux i >48 timer opløste ikke chitinet. Tilsætning af mere base medførte at glaskolben opløstes delvist.

Fremstilling ud fra rejeskaller

1 g tørrede rejeskaller pulveriseres i blender og tilsættes 30 ml konc. HCl og 45 ml vand og koges 24 timer med reflux og behandles som beskrevet ovenfor under sur hydrolyse.

2-DOG assay

Da det teoretiske maks. udbytte er 3,75 mg/ml laves en 10 x, 100 x og 1000 x fortynding.

1 ml prøve tilsættes 1 ml 0,5% (w/v) 3-methyl-2-benzothiazole hydrazon (MBTH) og sættes på kogende vandbad i 5 min. Efter afkøling tilsættes 1 ml 0,83% (w/v) ferrichlorid (FeCl₃) og henstår 1/2 time.

Absorbans måles ved 650 nm over for blindprøve.

Standard: 0,001; 0,002; 0,005; 0,01; 0,02; 0,03 mg/ml 2-DOG.

6.4.2 Resultat

Sur hydrolyse

Figur 20
Standardkurve.
Standardkurve.

Tabel 2
2-DOG-bestemmelse. Standardopløsninger og prøve.

Udbytteberegning

Prøven fortyndet 1000 x indeholder ca. 0,003 mg/ml 2-DOG, hvilket svarer til ca. 3 mg/ml i 200 ml.

Udbyttet er altså ca. 600 mg 2-DOG, hvilket svarer til en udbytteprocent på:

Tabel 3
2-DOG bestemmelse. Standardopløsninger og prøve.
2-DOG bestemmelse. Standardopløsninger og prøve.

Udbytteberegning

Prøven fortyndet 100 x indeholder ca. 0,042 mg/ml, hvilket svarer til ca. 4 mg/ml i 200 ml.

Udbyttet er altså ca. 800 mg 2-DOG, hvilket svarer til en udbytteprocent på 100%.

6.5 Diskussion og konklusion

Chitin hydrolyseres 100% ved sur hydrolyse, men kun lidt ved basisk hydrolyse. Udbyttet af 2-DOG var 80% af teoretisk maks. udbytte.

Rejeskaller hydrolyseres 100% ved sur hydrolyse og gav et udbytte af 2-DOG på 100% af teoretisk maks. udbytte svarende til 75% (w/w) af tørvægt af rejeskaller.

Det har altså vist sig muligt at fremstille 2-DOG og glucosamin ud fra rejeskaller ved sur hydrolyse af de tørrede skaller. Da der af 1 kg kogte rejer fås ca. 100 gram tørrede rejeskaller, og udbytteprocenten er på 80-100%, vil det sige, at der kan produceres ca. 75 kg 2-DOG eller glucosamin af skallerne fra 1 ton friske rejer.

Kemisk rent 2-DOG og glucosamin koster i dag i størrelsesordenen 6000 $/kg hhv. 100 $/kg. (SIGMA Chemical Company). Til brug i imprægnerings øjemed er det ikke nødvendigt at benytte analyserene komponenter og fremstillingen af 2-DOG og glucosamin ud fra rejeskaller forventes at være en rentabel fremstillingsproces.

I Danmark landes der i størrelsesordenen 5.000 tons rejer, hvilket kan medføre et udbytte på 3-400 tons 2-DOG eller glucosamin. I Grønland er fangsten ca. 18.000 tons rejer. Skallerne er for hovedpartens vedkommende i dag et affaldsprodukt, som dumpes i havet.