Phương pháp chế tạo nanocellulose

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ POLYME – COMPOZIT GIẤY o0o ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH POLYME – GIẤY CH4089 ĐỀ TÀI TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO NANOCELLULOSE Hà N.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC TRUNG TÂM CƠNG NGHỆ POLYME – COMPOZIT &GIẤY o0o - ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH POLYME – GIẤY CH4089 ĐỀ TÀI : TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO NANOCELLULOSE Giảng viên hướng dẫn : Sinh viên thực : Nguyễn Thị Mai Hương MSSV : Lớp : Khóa : Hà Nội, 2022 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH .4 MỞ ĐẦU I TỔNG QUAN 1.1 Cellulose 1.2 Nanocellulose II Cellulose Nanocrystal (CNC) 12 2.1 Phương pháp sản xuất CNC .13 2.2 Các đặc tính CNC 13 2.2.1 Tính chất lý .14 2.2.2 Kết tinh lỏng 15 2.2.3 Tính chất lưu biến 16 2.3 Các ứng dụng CNC lĩnh vực 16 III 2.3.1 CNC làm chất nhũ hóa Pickering 16 2.3.2 Hydrogel dựa cellulose 17 2.3.3 Xử lý nước thải .17 CELLULOSE NANOFIBRILS (CNFs) 19 3.1 Phương pháp sản xuất 19 3.1.1 Tiền xử lý 19 3.1.1.1 Tiền xử lý enzym 19 3.1.1.2 Tiền xử lý q trình oxy hóa qua trung gian TEMPO 20 3.1.2 Giai đoạn 21 3.1.2.1 Nghiền 21 3.1.2.2 Đồng áp suất cao 22 3.2 Sửa đổi bề mặt CNF 23 3.2.1 Hấp phụ bề mặt CNF .23 3.2.2 Biến đổi bề mặt phân tử (ghép hóa học phân tử) 24 3.2.3 Ghép polyme 25 3.3 Các đặc tính CNF 25 3.4 Ứng dụng CNF 26 3.4.1 Lớp phủ chống thấm nước .26 3.4.2 Vật liệu CNF chống dầu mỡ tái chế với khả chống nước cao 27 3.4.3 IV CNF hydrogel ứng dụng y sinh (gan) 28 BACTERIAL NANOCELLULOSE (BC) .29 4.1 Phân loại 29 4.2 Phương pháp sản xuất 30 4.3 Cấu trúc tính chất BC 34 4.3.1 Cấu trúc 34 4.3.2 Tính chất 35 4.4 Ứng dụng BC 35 4.4.1 Trong ngành công nghiệp thực phẩm 35 4.4.2 Trong sản phẩm chăm sóc cá nhân hóa chất gia dụng 37 4.4.3 Trong lĩnh vực y sinh 37 4.4.4 Trong dệt may .39 4.4.5 Trong vật liệu composite .40 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Cấu trúc cellulose phân cấp Hình 2: Các kiểu đa hình cellulose Hình 3: Cấu trúc sợi cellulose sợi xơ Hình 4: (A) Xenlulo chứa thực vật cối có cấu trúc phân cấp từ mét đến quy mơ nanomet, 10 Hình 5: Ảnh SEM ba loại nanocellulose 11 Hình 6: Quy trình chế tạo nanocrystal cellulose từ sợi cellulose 12 Hình 7: Chuỗi polyme bề mặt CNC sửa đổi 13 Hình 8: Tóm tắt tính chất vật lý hóa học tinh thể nanocellulose 14 Hình : Các tinh thể nano tự tổ chức thành trật tự nematic bất đối 15 Hình 10: Điều chế hydrogel PVA-Cell gia cố CNC 17 Hình 11: Giản đồ q trình oxy hóa chọn lọc xenluloza 2,2,6,6 tetrametyl-1piperidinyloxy (TEMPO) 20 Hình 12: Hệ thống máy xay Masuko phát triển để nghiền xơ sợi nhằm tạo NFC 21 Hình 13: Thiết bị sử dụng nhiều để sản xuất NFC — microfluidizer từ Microfludic 22 Hình 14: Hệ thống đồng thường sử dụng để sản xuất NFC — hệ thống Gaulin GEA 22 Hình 15:Các thuốc thử sử dụng để hấp phụ vật lý, phân tử polyme ghép bề mặt CNF 23 Hình 16: Giấy phủ CNF .26 Hình 17: Sơ đồ quy trình chế tạo tái chế CNF làm composite nanocellulose lớp chịu dầu có khả chống hấp thụ nước 27 Hình 18: Các dạng đa hình cellulose 29 Hình 19: Hình ảnh SEM Acetobacter xylinus hình thành BC 30 Hình 20: Quá trình sinh tổng hợp nội bào phân tử cellulose trình lắp ráp ngoại bào phân tử xenluloza thành BC .31 Hình 21: Mạng lưới liên kết hydro 31 Hình 22: BC sản xuất thơng qua trình lên men tĩnh động 32 Hình 23: Ảnh SEM BC 35 Hình 24: BC hạt sử dụng sản phẩm thực phẩm làm chất phụ gia 36 Hình 25: Nguyên liệu thô dựa BC cho mặt nạ 37 Hình 26: Băng vết thương dựa BC 39 Hình 27: Nanollose tạo sợi viscose-rayon bền vững 40 Hình 28: BC biến tính polyme ứng dụng chúng nhựa composite 41 MỞ ĐẦU I TỔNG QUAN 1.1 Cellulose Cellulose polysaccharide phổ biến giới, coi chất tạo màng sinh học tái tạo dồi tự nhiên loại polyme hữu tự nhiên phổ biến nhất, chiếm khoảng 1,5×1012 sinh khối hàng năm Cellulose không diện thành tế bào thực vật, mà phần sinh vật nấm, vi khuẩn, tảo động vật nhuyễn thể phân ngành Sống đuôi (tunicate) Cellulose homopolyme mạch thẳng cấu tạo D-glucose đơn vị liên kết với liên kết β-1,4-glycosidic, đơn vị glucose ban đầu liên kết với đơn vị glucose theo chiều xoay 180º sang góc Đơn vị nhỏ mà hai đơn vị D-glucozơ dạng đặt tên cellobiose, có kích thước 1,03 nm Cùng với phong phú nó, cellulose có số yếu tố khác khiến trở thành vật liệu cao cấp như: khả tái tạo; độ ổn định hóa cao; giá thấp; độ bền cao trạng thái thấm ướt; dễ dàng kiểm sốt kích thước lỗ, có đường kính từ – 100 nm; độ xốp kiểm sốt [7, 10]  Các hình thái đa hình cellulose [10] Vùng tinh thể cellulose – nơi chuỗi glucose gắn với cách liên kết liên kết hydro nội phân tử tạo cấu trúc chắn, không bị trương nở chí khơng thấu khí, vùng vơ định hình nơi chuỗi tổ chức kết cấu lỏng lẻo dễ bị phân hủy Do có cấu trúc phân cấp, cellulose thành dạng đa hình tùy thuộc vào liên kết hydro nội phân tử phân tử chúng định hướng Có sáu hình thái đa hình mơ tả tài liệu: cellulose I, II, IIII, IVI IVII Dạng tự nhiên phong phú cellulose loại I tất dạng đa hình tạo từ với xử lý hóa lý khác Hình 1: Cấu trúc cellulose phân cấp Cellulose I dạng cellulose tự nhiên phong phú cách xử lý hóa học vật lý, tạo loại cịn lại Cellulose II dạng cellulose phổ biến thứ hai; đa hình, chuỗi cellulose có tổ chức đối song Sự phân phối cho phép liên kết hydro xảy nhóm hydroxyl chuỗi bên cạnh cải thiện lực tương tác hydro chuỗi, có liên kết hydro thứ cấp Những tương tác làm cho cellulose II thêm tính ổn định tạo tính khơng thể đảo ngược để chuyển cellulose II thành I Ngoài ra, cellulose II bền yếu mặt học cellulose I chuỗi khác tổ chức Cellulose II điều chế từ cellulose I cách mercel hóa (Mercerization - xử lý kiềm CS2) tái sinh Từ cellulose I II tạo đa hình khác Cellulose III chế tạo từ cellulose I cellulose II cách xử lý cho nước amoniac xâm nhập làm suy giảm cấu trúc tinh thể cellulose Cellulose IV sản xuất từ cellulose III glycerol xử lý nhiệt 260ºC Cellulose III biến đổi thành dạng đa hình trước chúng cách xử lý kiềm Hình 2: Các kiểu đa hình cellulose  Cấu trúc Cellulose Cellulose có hình sợi dài, nhiều sợi liên kết song song với thành chụm nhờ liên kết hydro nhóm OH Các phân tử cellulose liên kết tạo thành vi sợi (microfibril) Các micro liên kết với tạo thành xơ Nhiều bó xơ tập hợp thành lớp tách tác dụng học Các vi sợi thường bao gồm khoảng 500000 phân tử cellulose Mỗi phân tử cellulose chứa khoảng 5000 phân tử D – glucose số liên kết hydro lên đến 2,5 triệu liên kết Cellulose có cấu trúc tinh thể crystal có tính khúc xạ kép cấu tạo mà phân tử có tính định hướng không gian ba chiều xếp song song với [2] Hình 3: Cấu trúc sợi cellulose sợi xơ 1.2 Nanocellulose [2,10] Trong năm gần đây, việc tổng hợp ứng dụng nanocellulose đạt tăng trưởng chất gia cố polyme để tạo vật liệu sinh học hiệu suất cao Nanocellulose phân tử cellulose thu nhỏ tái cấu trúc cấp độ nano (kích thước 1-100nm) Lý cho việc tăng quan tâm đên vật liệu nano thực tế vật liệu đồng cao với tính chất học nâng cao đạt việc giảm kích thước sợi cellulose Nó coi vật liệu bền vững tính chất dễ phân hủy sinh học chúng Các đặc trưng nanocellulose kết tinh, diện tích bề mặt tính chất học thay đổi theo phương pháp chiết xuất kỹ thuật chế biến Tùy thuộc vào kỹ thuật điều kiện tổng hợp nanocellulose để xác định kích thước, thành phần thuộc tính Hình 4: (A) Xenlulo chứa thực vật cối có cấu trúc phân cấp từ mét đến quy mô nanomet, (B) Sơ đồ phản ứng xenlulozơ axit mạnh để thu Xenlulozơ (C) Bionanocellulose nuôi cấy từ vi khuẩn tổng hợp cellulose  Phân loại [12] Tùy thuộc vào kỹ thuật điều kiện tổng hợp nanocellulose, kích thước, thành phần tính chất Nanocellulose chia làm loại chính: - Cellulose nanocrystals (CNCs), gọi cellulose whiskers: nanocellulose dạng tinh thể - Cellulose nanofibrils (CNFs), gọi nanofibrillated cellulose (NFC), microfibrillated cellulose (MFC) cellulose nanofbers: sợi nanocellulose - Bacterial cellulose (BC) electrospun cellulose nanofibers (ECNFs) 4.2 xếp cách ngẫu nhiên, không song song nối với lượng lớn nối hydrogen, làm cho cellulose II có độ bền nhiệt Khi BC tạo dạng huyền phù phân tán, sợi cellulose thường uốn cong, đường kính khoảng 0,1 – 0,2mm Phương pháp sản xuất Hình 19: Hình ảnh SEM Acetobacter xylinus hình thành BC BC tổng hợp loại vi khuẩn như: Gluconacetobacter, Aerobacter, Rhizobium, Sarcina, Azotobacter, Agrobacterium, Pseudomonas Alcaligenes Trong đó, Glucona cetobacter xylinus (Acetobacter xylinus) vi sinh vật phát sớm nghiên cứu rộng rãi để sản xuất BC Nó vi khuẩn hiếu khí dạng hình que sử dụng để sản xuất BC với hiệu suất cao, cho phép trùng hợp 200000 phân tử glucose thành chuỗi β – 1,4 glucan xếp chuỗi polymer thành sợi nano giây Do suất cao, Acetobacter xylinus sử dụng vi sinh vật mẫu cho nghiên cứu chế tổng hợp BC trình lên men thương mại Tuy nhiên, trình sinh tổng hợp BC Acetobacter xylinus phức tạp Có thể chia làm hai giai đoạn:Giai đoạn (I): Sự trùng hợp nội bào phân tử glucose thành polyme cellulose; Giai đoạn (II): Sự tự lắp ráp chuỗi polyme cellulose thành sợi nano tinh thể Quá trình sinh hóa cellulose vi khuẩn thường chứa bốn phản ứng xúc tác enzym: (a) Một phân tử glucose chuyển thành glucose – phosphate (glucose – P) glucokinase; (b) Phân tử glucose – P đồng phân hóa thành glucose – phosphate (glucose – P) men phosphoglucomutase; (c) Phân tử glucose – P phản ứng với uridine triphosphate (UTP) để tạo uridine diphosphate glucose (UDP – glucose) xúc tác pyrophosphorylase; (d) UDP – glucose cuối trùng hợp thành chuỗi β – 1,4 glucan mạch thẳng xúc tác enzym tổng hợp cellulose.[3] Hình 20: Quá trình sinh tổng hợp nội bào phân tử cellulose trình lắp ráp ngoại bào phân tử xenluloza thành BC Với nguồn cacbon khác disaccharid sử dụng để sản xuất BC trước tiên chúng thủy phân thành monosaccharid glucose fructose Sau trình trùng hợp nội bào, chuỗi cellulose vi khuẩn đẩy khỏi màng tế bào, trình tự lắp ráp lực VanderWaals liên kết hydro phân tử nhóm hydroxyl với nguyên tử oxy đơn vị anhydroglucose [3] Hình 21: Mạng lưới liên kết hydro BC chủ yếu sản xuất hai phương pháp: lên men tĩnh lên men động Sự lựa chọn phương pháp sản xuất BC phụ thuộc vào ứng dụng hình thái đặc tính BC sản xuất hai phương pháp khác Hình 22: BC sản xuất thơng qua q trình lên men tĩnh động - - Trong trình lên men tĩnh, lớp màng sệt hình thành mặt phân cách khơng khí – lỏng môi trường nuôi cấy (a, b) Các vi khuẩn ni q trình lên men tĩnh thể tính ổn định di truyền cao để liên tục sản xuất BC với suất cao, hiệu sản xuất bị hạn chế phương pháp lên men Trong q trình lên men động, viên nhỏ khơng lơ lửng hồn tồn mơi trường nơi cấy (c,d) Quá trình lên men động dễ dàng sản xuất quy mơ cơng nghệp thường gây biến đổi bất lợi vi khuẩn thành đột biến không tạo cellulose dẫn đến giảm suất Mặc dù gel BC tạo hai phương pháp cho thấy hình thái vĩ mơ khác nhau, chúng trì cấu trúc mạng lưới 3D Hơn nữa, BC thu môi trường nuôi cấy lên men động có mức độ trùng hợp thấp độ kết tinh thấp so với BC sản xuất môi trường nuôi cấy lên men tĩnh Cơ tính BC tạo từ hai phương pháp khác Tuy nhiên, BC ni cấy động có khả giữ nước độ nhớt huyền phù cao BC từ ni cấy tĩnh Xét mặt hình thái tính chất, ứng dụng BC tạo hai phương pháp khơng giống Ví dụ, trình lên men tĩnh ưu tiên để sản xuất ngun liệu thơ cần có hình dạng cố định, độ bền kéo ướt tốt khả giữ nước cao nano de coco: băng vết thương, mặt nạ, Mặt khác, BC sản xuất cách lên men động thể tính ưu việt việc ổn định huyền phù, sử dụng chủ yếu để tạo huyền phù dạng hạt đồ uống Đối với môi trường nuôi cấy tĩnh động, môi trường nuôi cấy phần quan trọng để sản xuất BC Chúng không cung cấp chất dinh dưỡng cần thiết cho phát triển vi khuẩn mà tác động đáng kể đến cấu trúc sản lượng BC đặc tính Một môi trường lên men tốt phải bao gồm: nguồn cacbon (glucose, sucrose, fructose, mannitol, arabitol mật đường), nitơ (chiết suất nấm men, peptone rượu ngô) nguyên tố dinh dưỡng định photpho, kali, lưu huỳnh magie Tuy nhiên, chi phí sản xuất cao cản trở q trình sản xuất BC cơng nghiệp Có hai đường để giảm chi phí sản xuất: nâng cao hiệu sản xuất BC tìm kiếm nguồn dinh dưỡng hiệu (chi phí mơi trường ni cấy chiếm 30% tổng chi phí sản xuất) Một số cách để tăng sản lượng BC: (I) (II) (III) Phân lập dòng vi khuẩn sản xuất BC từ tự nhiên cách hiệu Sử dụng phương pháp gây đột biến truyền thống (bằng tia cực tím hóa học) kỹ thuật di truyền để sàng lọc dịng suất cao Tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy Sử dung phụ phẩm công, nông nghiệp nước dừa, sữa, men bia thải, dịch thối, nước thải lên men, làm nguồn dinh dưỡng ni cấy BC giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất BC Sau lên men, BC thô không tinh khiết, chứa tế bào vi khuẩn, cặn dinh dưỡng chất chuyển hóa Do đó, cần phải có q trình tinh chế để thu BC có độ tinh khiết cao Cellulose tế bào thực vật tồn chặt chẽ với chất không dễ loại bỏ: hemicellulose, lignin pectin Tuy nhiên, BC tinh chế dễ dàng qua phương pháp thông thường gồm ba bước: Xử lý BC với dung dịch kiềm 100oC 15 – 20 phút để loại bỏ tế bào vi khuẩn (II) Cô lập BC từ dung dịch kiềm (III) Rửa BC nước cất để khơi phục giá trị pH trung tính  Sản xuất BC quy mô công nghiệp (I) BC sản xuất công nghiệp sử dụng rộng rãi lĩnh vực đa dạng Hơn nữa, diện tích sản xuất cần thiết cho trình lên men BC nhỏ nhiều so với diện tích cần thiết cho phát triển thực vật, việc tinh chế BC đơn giản nhiễm so với quy trình chiết xuất cellulose từ gỗ Ngồi ra, chất thải nông nghiệp công nghiệp thường sử dụng q trình lên men thương mại, khơng giảm chi phí mà cịn giảm nhiễm chất thải gây Do đó, BC giải pháp thay cạnh tranh cho sợi nanocellulose từ thực vật lĩnh vực ứng dụng định Các sản phẩm dựa BC đạt thành công lớn thị trường, đặc biệt lĩnh vực thực phẩm Mặc dù sản xuất BC đòi hỏi nhiều vốn, nhà nghiên cứu nhà sản xuất nghiên cứu phát triển phương pháp để giảm chi phí sản xuất thơng qua việc phân lập chủng có suất cao, tối ưu hóa lị phản ứng lên men sử dụng chất dinh dưỡng chi phí thấp Cho đến nay, lên men tĩnh lên men kích động sử dụng thành công cho sản xuất công nghiệp BC Các chủng G xylinus sử dụng làm vi khuẩn để sản xuất BC Các vấn đề gặp phải q trình cơng nghiệp hóa q trình lên men tĩnh BC Nhiệt độ lên men tối ưu G xylinus khoảng 30°C, việc sản xuất BC chủ yếu bị hạn chế khu vực Đông Nam Á Philippines, Indonesia, Việt Nam Thái Lan Hơn nữa, nhiệt độ cao thường xuyên gây ô nhiễm vi sinh vật, gây hàng loạt vấn đề liên quan đến an toàn thực phẩm, lực sản xuất ô nhiễm môi trường Chi phí vận chuyển bảo quản BC cao hàm lượng giữ nước cao (~ 99% trọng lượng Để giảm chi phí vận chuyển lưu trữ, lượng nước BC giảm xuống ~ 10% trọng lượng thơng qua phương pháp nén hai bước sau xử lý nhúng axit hữu Nhằm ngăn chặn phá hủy cấu trúc mạng lưới BC, đồng thời trì khả bù nước (tỷ lệ bù nước lên đến 95%) Phương pháp không làm giảm chi phí vận chuyển bảo quản BC mà mang lại hương vị đa dạng cho BC làm nguyên liệu thực phẩm thô.[3] 4.3 Cấu trúc tính chất BC 4.3.1 Cấu trúc BC sợi nanocellulose giống ruy băng tiếp tục dệt thành mạng lưới 3D Nó đặc trưng độ tinh khiết cao, mức độ trùng hợp cao độ kết tinh cao BC không chứa thành phần cộng sinh thực vật lignin, hemicellulose pectin Giống cellulose thực vật, BC có vùng kết tinh vùng vơ định hình Vì BC có độ kết tinh cao, vùng kết tinh thành phần cấu trúc BC với đoạn ngắn khơng trật tự [3] Hình 23: Ảnh SEM BC (a) BC từ trình lên men tĩnh (b) BC từ q trình lên men động 4.3.2 Tính chất [11] - Độ tinh khiết: BC có độ tinh khiết tốt nhiều so với cellulose khác, phân hủy sinh học, tái chế hay phục hồi hoàn toàn - Độ bền học: BC có độ bền tinh thể cao, sức căng lớn, trọng lượng thấp, ổn định kích thước hướng (đặc biệt cellulose I) - Tính hút nước: BC có khả giữ nước đáng kể (lên đến 99%), có tính xốp, độ ẩm cao, chịu thể tích đáng kể bề mặt (lực bền học cao) 4.4 Ứng dụng BC BC sử dụng rộng rãi lĩnh vực thương mại công nghiệp thực phẩm, sản phẩm chăm sóc cá nhân hóa chất gia dụng, y sinh, dệt may, vật liệu composite, [11] 4.4.1 Trong ngành công nghiệp thực phẩm BC coi chất phụ gia thực phẩm “được FDA cơng nhận chung an tồn (GRAS)” kể từ năm 1992 Nó có ứng dụng tiềm tráng miệng truyền thống, thực phẩm ăn kiêng cholesterol, thịt chay, phụ gia thực phẩm/đồ uống bao bì thực phẩm, Trong ứng dụng thương mại, dạng chức BC đa dạng tùy thuộc vào phương pháp lên men BC sản xuất từ trình lên men tĩnh với lớp thạch giống thạch sử dụng chủ yếu làm nguyên liệu cho tráng miệng nguyên liệu thực phẩm Trong BC thu từ trình lên men động với chất hydrocolloid khai thác làm chất làm đặc chất tạo huyền phù đồ uống Do thể người thiếu cellulase nên BC tiêu hóa hấp thụ hệ thống tiêu hóa, đào thải khỏi thể theo phân BC có cấu trúc mạng lưới 3D dệt sợi nano, mang lại cho khả tuyệt vời để đình hạt khơng hịa tan với độ nhớt thấp Nó thực tốt chức huyền phù nồng độ thấp, hoạt động tốt có nồng độ cao chất hoạt động bề mặt chất làm đặc Do đó, BC trì khả huyền phù loạt giá trị pH, có khả dung nạp tốt với muối Do mức độ kết tinh cao, BC đại diện cho chất kháng enzyme Cuối cùng, BC thể ổn định huyền phù không bị suy giảm nhiệt độ cao lên đến 80°C [11] Hình 24: BC hạt sử dụng sản phẩm thực phẩm làm chất phụ gia (a) BC hình lập phương thu từ q trình lên men tĩnh, sau q trình cắt (b) BC dạng khối thu hoạch thông qua phương pháp nén hai bước (c) BC làm chất làm đặc chất tạo huyền phù đồ uống 4.4.2 Trong sản phẩm chăm sóc cá nhân hóa chất gia dụng Lĩnh vực ứng dụng lớn thứ hai BC sản phẩm chăm sóc cá nhân hóa chất gia dụng Các thành phần nguyên liệu sử dụng sản phẩm chăm sóc cá nhân phải khơng độc hại tương thích sinh học Vì vậy, sản phẩm tự nhiên có độ tinh khiết cao độ an toàn cao ưa chuộng BC sản phẩm tự nhiên tạo thơng qua q trình lên men vi sinh vật, chứng minh có tính tương thích sinh học cao Trong sản phẩm chăm sóc cá nhân, BC thu hoạch từ trình lên men tĩnh khai thác làm nguyên liệu cho mặt nạ So với mặt nạ lụa cellulose không dệt, mặt nạ làm từ BC có khả giữ nước tuyệt vời mang lại cảm giác mát mẻ mịn màng nhờ mạng lưới 3D kích thước nano Hơn nữa, cấu trúc vi xốp cao cho phép BC nạp chất dinh dưỡng khác chí thành phần có chức chữa bệnh Cấu trúc vi mô xốp truyền cho lớp tế bào BC chức để kiểm sốt việc giải phóng tác nhân bị mắc kẹt Dựa chức này, mặt nạ làm từ BC sử dụng thẩm mỹ điều trị bệnh da nhẹ [3] Hình 25: Ngun liệu thơ dựa BC cho mặt nạ 4.4.3 Trong lĩnh vực y sinh [4] BC có tiềm lớn ứng dụng y sinh học đa dạng bao gồm băng vết thương, da nhân tạo, cấy ghép nha khoa, phân phối thuốc, vật liệu cầm máu, ghép mạch máu, giá đỡ cho kỹ thuật mơ, cảm biến sinh học chẩn đốn Độ tinh khiết cao tính tương thích sinh học BC điều kiện tiên cho tất ứng dụng y sinh Hơn nữa, BC sở hữu mạng lưới dạng lưới 3D độc đáo, mang lại loạt lợi diện tích bề mặt lớn, khả giữ nước tuyệt vời, khả thấm chất lỏng/khí tốt, đặc tính học vượt trội chất suốt Những đặc điểm riêng biệt làm cho BC trở thành vật liệu đặc biệt để chứng minh tính ưu việt ứng dụng y sinh Các thiết bị băng vết thương dựa BC thương mại hóa thành cơng thị trường, có số sản phẩm liên quan đến phân phối thuốc, kính áp trịng, ghép mạch máu, thay màng nhĩ đường chuyển đổi thương Da quan lớn thể người Nó bảo vệ khỏi vi sinh vật, trì cân nội mơi thể, điều chỉnh nhiệt độ thể cảm nhận Vùng da bị bệnh chức gây nhiều hậu nặng nề Có nhiều điều kiện khác để gây tình trạng da chấn thương yếu tố bên bệnh mạch máu, bệnh tim tiểu đường, lý bên tai nạn, bị bỏng bỏng phẫu thuật Để tái tạo da, quy trình điều trị phổ biến bao gồm điều trị phẫu thuật thơng thường, sau che phủ hồn tồn vùng da tổn thương cách băng vết thương BC ban đầu khai thác làm băng vết thương khả kiểm soát độ ẩm tốt, độ bền kéo ướt cao, tính thấm, tính linh hoạt, tính chất bán suốt khả tương thích sinh học Sau trình sử dụng thực tế, người ta thấy BC có loạt ưu điểm bổ sung bao gồm loại bỏ dịch tiết đồng thời cho phép thoát mồ trao đổi khí, giảm đau chất điện giải protein, ngăn ngừa nhiễm trùng đẩy nhanh q trình đóng vết thương Những ưu điểm bật khai sinh BC thị trường dụng cụ băng bó vết thương Băng vết thương dựa BC cho thấy hiệu cao so với loại gạc vật liệu tổng hợp sử dụng truyền thống sử dụng rộng rãi để điều trị loét động mạch tĩnh mạch, loét tiểu đường, loét tì đè, bỏng, vết thương sau phẫu thuật, ghép da, vị trí ghép da, trầy xước, vết ráchBăng vết thương dựa BC thị trường bào chế dạng màng ẩm màng khơ Màng khơ bảo quản dễ dàng mà không lo bị nhiễm nấm mốc vi khuẩn phát triển Nó có chức lợi ích tương tự băng vết thương ướt, sử dụng rộng rãi để điều trị bệnh ngồi da [3] Hình 26: Băng vết thương dựa BC (a) Băng vết thương ướt gồm 1,5–4,3% BC nước cân khác (b) Sơ đồ băng vết thương cho phép hút dịch tiết từ vết thương (1) truyền độ ẩm đến khu vực khác có dịch tiết (2) (c) Băng vết thương khô Nanoderm TM với tính linh hoạt suốt (d) Tổng chi phí vật liệu điều dưỡng băng vết thương Nanoderm TM so với băng vết thương thông thường (e) Băng vết thương Nanoderm TM áp dụng cho vùng da hiến tặng 4.4.4 Trong dệt may [5] BC khai thác thương mại nguồn nguyên liệu thô cho vải rayon không chứa thực vật Việc sử dụng nhiều loại sợi hóa học có nguồn gốc từ dầu mỏ nylon, acrylon, terylene polypropylene gây vấn đề ô nhiễm mơi trường nghiêm trọng tính chất khơng phân hủy Sợi tái sinh từ thực vật rayon, cuprammonuium thường có nguồn gốc từ gỗ bột giấy bơng Mặc dù chúng phân hủy, q trình nghiền bột nhìn chung tiêu thụ lượng lớn lượng gây ô nhiễm môi trường sử dụng nhiều hóa chất Nanollose Ltd., cơng ty công nghệ Úc, công ty tiên phong nỗ lực chuyển đổi BC thành sợi thân thiện với môi trường cho hàng dệt may ứng dụng công nghiệp khác So với cellulose thực vật, BC dễ dàng tinh chế, làm giảm tác động môi trường Họ chuyển đổi thành công BC thành sợi viscose-rayon, cung cấp giải pháp thay cho sợi có nguồn gốc thực vật Vào năm 2018, Nanollose hợp tác với PT Supra Natami Utama, công ty Indonesia, để phát triển nhà máy quy mô thương mại để sản xuất loại vải dệt BC thơng qua q trình lên men nước dừa, biến đổi BC thành sợi viscose-rayon, sợi Nullarbor TM cách sử dụng kỹ thuật phát triển riêng họ, kéo thành sợi, vải quần áo Hình 27: Nanollose tạo sợi viscose-rayon bền vững (a) Sợi Nullarbor TM (b) Sợi (c) Hàng may mặc 4.4.5 Trong vật liệu composite Trong q trình lên men, polyme thêm vào môi trường nuôi cấy để tạo BC với đặc tính hóa lý khác Đối với cellulose thực vật, việc thu sợi nano cellulose với đặc tính vật lý hóa học khác chủ yếu thơng qua biến đổi hóa học, thường trình phức tạp phức tạp Các chất phụ gia CMC xyloglucan không làm xáo trộn cấu trúc tinh thể kết hợp BC mà ảnh hưởng đến độ hòa tan hóa học bề mặt chúng Điều cung cấp lộ trình để sản xuất BC với thuộc tính đa dạng bao gồm CMC, hydroxyethyl cellulose (HEC) hydroxpropyl cellulose (HPC) Kết họ cho thấy BC với CMC (CMBC), BC với HEC (HE-BC) BC với HPC (HP-BC) sợi nano mịn so với BC ban đầu Kích thước đường kính trung bình sợi biến đổi nằm khoảng từ 20 – 50nm (nhỏ so với loại BC nguyên bản) CM-BC HE-BC, giống BC, chất ưa nước phân tán tốt nước Trong đó, HP-BC chất lưỡng tính, phân tán nước dung mơi hữu Hơn nữa, HP-BC tổng hợp thành nhựa polymethyl methacrylate (PMMA) với độ phân tán cao Nhựa tổng hợp PMMA trì độ suốt thêm 1% trọng lượng HP-BC, nhựa bao gồm 1% trọng lượng CM-BC trông giống sương mù Các tính chất học nhựa PMMA nhúng HP-BC cải thiện đáng kể, thể tăng cường 15% độ bền kéo Trường hợp thương mại cho thấy BC điều chế thành nhiều loại khác cách thêm polyme, hạt nano thành phần khác trình lên men, sau ngun liệu thơ với đặc tính hóa lý khác khai thác thêm cho nhiều ứng dụng [3] Hình 28: BC biến tính polyme ứng dụng chúng nhựa composite (a) Nguyên BC; (b) CM – BC; (c) HE – BC; (d) HP – BC (e) Nhựa PMMA bao gồm CM-BC (1,0 trọng lượng%) HP-BC (1,0 5,0 trọng lượng%) KẾT LUẬN Chúng ta kết luận nanocellulose polymer linh hoạt, dễ sản xuất chiết xuất Ứng dụng nhiều lĩnh vực thảo luận Với nhu cầu phát triển bền vững giới, lượng tái tạo dần trở thành khía cạnh cấp thiết bảo tồn tài nguyên sức khỏe môi trường tổng thể Mặc dù nhiều loại polymer khác ứng dụng cho tiêu dùng, y sinh dược phẩm, ưu điểm bật vật liệu nanocellulose vật liệu phân hủy sinh học thân thiện với môi trường Việc nghiên cứu nhấn mạnh vào ứng dụng đa dạng nanocellulose để thúc đẩy nhiều cải tiến nhằm thu hẹp khoảng cách lượng chất thải cellulose việc sử dụng tối ưu Lượng lớn chất thải có nguồn gốc cellulose tạo nước giới điển hình nước xứ nhiệt đới như: Việt Nam, Kenya,… nguồn tài nguyên chưa khai thác Việc nghiên cứu chuyển đổi chất thải thành sản phẩm, sử dụng rộng rãi đời sống vừa làm giảm chi phí nguyên liệu, vừa góp phần giảm lượng chất thải ngồi môi trường phát triển bền vững tương lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yook, S., Park, H., Park, H cộng sự., "Barrier coatings with various types of cellulose nanofibrils and their barrier properties.," 2020 [2] Çankaya, Nevin, "Cellulose Grafting by Atom Transfer Radical Polymerization Method" [3] C Zhong, “Industrial-Scale Production and Applications of Bacterial Cellulose,” 2020 [4] A Stanisławska, “Bacterial nanocellulose as a microbiological derived nanomaterial,” 2016 [5] L Quijano, “Embracing Bacterial Cellulose as a Catalyst for Sustainable Fashion,” 2017 [6] Hossain, Rakib cộng sự., “Recyclable grease-proof cellulose nanocomposites with enhanced water resistance for food serving applications,” 2022 [7] Trache D, Tarchoun AF, Derradji M, Hamidon TS, Masruchin N, Brosse N and Hussin MH , “Nanocellulose: From Fundamentals to Advanced Applications,” 2020 [8] Zeng, J., Zeng, Z., Cheng, Z et al, “Cellulose nanofibrils manufactured by various methods with application as paper strength additives,” 2021 [9] Melanie Krüger,Loes A Oosterhoff cộng sự, “Cellulose Nanofibril Hydrogel Promotes Hepatic Differentiation of Human Liver Organoids,” 2020 [10] Lại Trần Ngọc Trân, “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite sở nanocellulose tinh thể - polyvinyl acohol ứng dụng xử lý nước thải” [11] Nguyễn Thị Thu Sang, “Quy trình sản xuất Bacterial cellulose,” 2017 [12] Nguyễn Thị Minh Phương, “Bài giảng "Cơng nghệ hóa chất vật liệu từ sinh khối"” [13] Yi, Tan cộng sự., “From Cellulose to Cellulose Nanofibrils—A Comprehensive Review of the Preparation and Modification of Cellulose Nanofibrils,” 2020 [14] Missoum, Karim et al., “Nanofibrillated Cellulose Surface Modification: A Review,” 2013 ... bề mặt mang điện tích âm, thúc đẩy phân tán đồng nước lực đẩy tĩnh điện Mặc dù tương tác giữ tinh thể nano mạnh, trình khử lưu huỳnh cao dễ bị phân tán điều dẫn đến phát triển trạng thái lyot... BC, chất ưa nước phân tán tốt nước Trong đó, HP-BC chất lưỡng tính, phân tán nước dung mơi hữu Hơn nữa, HP-BC tổng hợp thành nhựa polymethyl methacrylate (PMMA) với độ phân tán cao Nhựa tổng hợp... nactic Các CNC giống dạng que, phân tán nước, tự xếp với tạo thành pha nactic chetic với đặc tính tinh thể lỏng Các yếu tố khác kích thước, hình dạng, độ phân tán, điện tích, chất điện phân kích