Nghiên cứu điều chế cellulose vi tinh thể từ nguồn dư phẩm nông nghiệp sau thu hoạch tại việt nam ở quy mô pilot bằng chất lỏng ion (il)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI NGUYỄN TẤN HÀO NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CELLULOSE VI TINH THỂ TỪ NGUỒN DƯ PHẨM NÔNG NGHIỆP SAU THU HOẠCH TẠI VIỆT NAM Ở QUY MÔ PILOT BẰNG CHẤT LỎNG ION (IL) LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯỢC HỌC HÀ NỘI, 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ Y TẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI NGUYỄN TẤN HÀO NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CELLULOSE VI TINH THỂ TỪ NGUỒN DƯ PHẨM NÔNG NGHIỆP SAU THU HOẠCH TẠI VIỆT NAM Ở QUY MÔ PILOT BẰNG CHẤT LỎNG ION (IL) LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯỢC HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ DƯỢC PHẨM & BÀO CHẾ THUỐC MÃ SỐ: 8720202 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Thị Thanh Hải HÀ NỘI, 2022 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, với tất lịng kính trọng biết ơn xin gửi lời cảm ơn sâu sắc chân thành từ tận đáy lòng đến PGS.TS Đinh Thị Thanh Hải - cô tận tâm công việc Sự hướng dẫn, động viên, ân cần bảo giúp tơi hồn thành nội dung nghiên cứu đề tài luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới Ban giám hiệu, phịng Sau đại học, Thầy/Cơ giảng viên, kỹ thuật viên Bộ mơn Hóa Hữu cơ, Bộ mơn Cơng nghiệp dược, Bộ mơn Vật lý-Hóa lý Trường đại học Dược Hà Nội quan tâm, tạo điều kiện tốt để tơi học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới DS Đinh Anh Tuấn, anh chị em phòng R&D, xưởng sản xuất cơng ty Hóa Dược hợp chất tự nhiên Minh Trí, cơng ty Dược phẩm Ngun Hưng tận tình giúp đỡ q trình thực nghiệm hồn thành nội dung nghiên cứu đề tài luận văn Cuối cùng, xin bày tỏ biết ơn đến gia đình, bạn bè hỗ trợ giúp đỡ suốt thời gian học tập thực luận văn Do hạn chế định điều kiện thực nghiệm thân nên luận văn khơng tránh sai sót Tơi mong nhận góp ý thầy cơ, bạn bè để luận văn hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2022 HỌC VIÊN Nguyễn Tấn Hào MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU-CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH ẢNH ĐẶT VẤN ĐỀ PHẦN TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan cellulose cellulose vi tinh thể 1.1.1 Tổng quan cellulose .2 1.1.2 Tổng quan cellulose vi tinh thể 1.2 Tổng quan chất lỏng ion .7 1.2.1 Khái niệm phân loại chất lỏng ion .7 1.2.2 Tổng hợp chất lỏng ion 11 1.2.3 Ứng dụng chất lỏng ion 14 1.3 Đặc điểm thành phần cấu tạo ngun liệu ngơ, bã mía 16 1.3.1 Đặc điểm thành phần cấu tạo ngơ 16 1.3.2 Đặc điểm cấu tạo thành phần cấu tạo bã mía 20 1.4 Phương pháp xử lý bước đầu nguyên liệu ngơ, bã mía chất lỏng ion 21 1.4.1 Một số phương pháp xử lý bước đầu nguyên liệu sinh khối 21 1.4.2 Xử lý bước đầu sinh khối chất lỏng ion 25 1.5 Phương pháp điều chế MCC cách thủy phân cellulose .26 1.6 Các kết liên quan từ nghiên cứu tiền đề lựa chọn định hướng nghiên cứu đề tài luận văn 27 PHẦN ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28 2.1 Nguyên vật liệu thiết bị .28 2.1.1 Các dư phẩm sau thu hoạch 28 2.1.2 Thiết bị hóa chất 28 2.2 Phương pháp nghiên cứu .29 2.2.1 Phương pháp điều chế 29 2.2.2 Phương pháp đánh giá chất lượng MCC điều chế theo tiêu chuẩn Dược điển Mỹ 42 32 2.2.3 Phương pháp đánh giá chất lượng MCC điều chế theo số tiêu chuẩn khác 34 PHẦN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .36 3.1 Điều chế chất lỏng ion 36 3.1.1 Điều chế chất lỏng ion diethanoamoni hydrosulfat (IL1) 37 3.1.2 Điều chế chất lỏng ion chứa anion Cl- 38 3.2 Xây dựng quy trình điều chế MCC quy mô kg 10 kg nguyên liệu/mẻ 40 3.2.1 Xây dựng quy trình điều chế MCC quy mơ kg nguyên liệu/mẻ từ nguyên liệu ngô bã mía 40 3.2.2 Xây dựng quy trình điều chế MCC quy mô 10 kg nguyên liệu/mẻ từ nguyên liệu bã mía 49 3.3 Kiểm tra chất lượng MCC điều chế 54 3.3.1 Kiểm tra sơ chất lượng cellulose MCC điều chế phổ hồng ngoại 54 3.3.2 Kiểm tra sơ kích thước hạt MCC điều chế kính hiển vi điện tử quét qua (SEM) .56 3.3.3 Đánh giá chất lượng MCC điều chế theo tiêu chuẩn Dược điển Mỹ 42 xây dựng tiêu chuẩn sở MCC 58 3.3.4 Đánh giá độ đồng kích thước tiểu phân độ chịu nén MCC điều chế qua kỹ thuật đo kích thước tiểu phân khảo sát lực gây vỡ viên 62 PHẦN BÀN LUẬN 67 4.1 Bàn luận tổng hợp chất lỏng ion 67 4.1.1 Về lựa chọn cation anion 67 4.1.2 Về tổng hợp chất lỏng ion 68 4.2 Bàn luận phổ chất lỏng ion 68 4.2.1 Về phổ hồng ngoại IR chất lỏng ion 68 4.2.2 Về phổ khối MS chất lỏng ion 69 4.2.3 Về phổ 1H-NMR chất lỏng ion 70 4.2.4 Về phổ 13C-NMR chất lỏng ion 71 4.3 Bàn luận kết khảo sát độ tan cellulose chất lỏng ion .72 4.4 Bàn luận kết điều chế MCC từ dư phẩm sử dụng chất lỏng ion .73 4.4.1 Về khả hòa tan dư phẩm tách cellulose từ dư phẩm chất lỏng ion 73 4.4.2 Về thời gian hịa tan hồn tồn dư phẩm ngơ, bã mía chất lỏng ion 73 4.4.3 Về hiệu suất chiết tách cellulose thô chất lỏng ion 74 4.5 Bàn luận kết đánh giá tiêu chất lượng MCC điều chế 76 4.5.1 Về đánh giá sơ chất lượng cellulose MCC điều chế phổ IR .76 4.5.2 Về tiêu chất lượng MCC điều chế với tiêu chuẩn USP 42 sơ đánh giá độ đồng kích thước tiểu phân độ chịu nén 79 4.6 Bàn luận phổ IR quy mô sản xuất kg 10 kg .80 4.7 Bàn luận so sánh với quy trình điều chế MCC đăng ký sáng chế nâng cấp quy mô 81 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 PHỤ LỤC 96 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU-CHỮ VIẾT TẮT [(Et2(HOCH2CH2)NH]+[HSO4]- N,N-diethylethanolamoni hydrosulfat [(HOCH2CH2)2NH2]+[CL][(HOCH2CH2)2NH2]+[HSO4][bmim][PF4] [bmim][PF6] [DEA+][Cl-] [DEA+][HSO4-] [Emim][OH] [Et4N]Br [Pyr+][Cl-] 13 C-NMR H-NMR AFEX DEA DMSO-d6 DP EtOH Diethanolamoni clorid Diethanolamoni hydrosulfat 1-Butyl-3-methylimidazolin tetrafluorophosphat 1-Butyl-3-methylimidazolin hexafluorophosphat Diethanolamoni clorid Diethanolamoni hydrosulfat 1-ethyl-3-methylimidazolin hydroxyd Tetraethylamoni bromid Pyridin hydroclorid Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C (Nuclear magnetic resonance of 13C) Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H (Nuclear magnetic resonance of 1H) Sự trương nở sợi amoniac (Ammonia fiber expansion) Diethanolamin Dimethyl sulfoxid deterium hóa Độ polymer (Degree of polymerization) Ethanol IL Ionic liquid (Chất lỏng ion) IR Phổ hồng ngoại (Infrared spectroscopy) J Hằng số ghép cặp LODP MW MCC MeOH Độ polymer ổn định (Level-off Degree of polymerization) Khối lượng phân tử (Molecular mass) Microcrystalline cellulose (Cellusose vi tinh thể) Methanol MS Phổ khối lượng (Mass spectrometry) NL Nguyên liệu NHC SEM SX N-Heterocyclic carbene Kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscope) Độ tan cellulose chất X TLTK Tài liệu tham khảo TMS Tetramethylsilan TP Thương phẩm USP Dược điển Mỹ 𝛿 Độ dịch chuyển hóa học (ppm) DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Một số hoá chất sử dụng 28 Bảng 2.2 Một số trang thiết bị sử dụng 29 Bảng 3.1 Quy trình điều chế chất lỏng ion 37 Bảng 3.2 Quy ước ký hiệu chất lỏng ion sử dụng nghiên cứu .40 Bảng 3.3 Kết khảo sát tỷ lệ chất lỏng ion phù hợp để hịa tan hồn tồn dư phẩm 41 Bảng 3.4 Thời gian hịa tan hồn tồn dư phẩm chất lỏng ion 42 Bảng 3.5 Thể tích phản dung môi sử dụng để tách cellulose 43 Bảng 3.6 Thông số kết cellulose thô thu sau xử lý với chất lỏng ion 43 Bảng 3.7 Thông số kết tẩy trắng cellulose thô .44 Bảng 3.8 Quy trình điểu chế MCC quy mô kg nguyên liệu/mẻ từ ngơ bã mía .47 Bảng 3.9 Thông số kết sản phẩm cellulose thô thu sau tách 51 Bảng 3.10 Kết đo phổ hồng ngoại mẫu cellulose điều chế thương phẩm 54 Bảng 3.11 Độ kết tinh MCC điều chế thương phẩm 55 Bảng 3.12 Kết đo phổ hồng ngoại MCC thương phẩm điều chế 55 Bảng 3.13 Yêu cầu kỹ thuật chất lượng MCC theo USP 42 TCCS .59 Bảng 3.14 Kết đánh giá chất lượng mẫu MCC Lô PMB160920 60 Bảng 3.15 Kết đánh giá chất lượng mẫu MCC Lô PBM 290920 .61 Bảng 3.16 Kết đánh giá chất lượng mẫu MCC Lô PBM 261020 .61 Bảng 3.17.Tỷ lệ phân bố kích thước trung bình kích thước tiểu phân MCC .63 Bảng 3.18 Thông số khối lượng viên lực gây vỡ viên 66 Bảng 4.1 Kết phân tích phổ IR hợp chất 68 Bảng 4.2 Kết phổ MS chất lỏng ion .69 Bảng 4.3 Kết phổ 1H-NMR chất lỏng ion 70 Bảng 4.4 Kết phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân carbon-13 (13C-NMR) 71 Bảng 4.5 So sánh kết hiệu suất điều chế MCC quy mô kg 10kg từ nguyên liệu bã mía 75 Bảng 4.6 Biện giải phổ hồng ngoại (IR) cellulose thị trường cellulose chiết tách bã mía .76 Bảng 4.7.Một số dải hấp thụ đặc trưng lignin TLTK .77 Bảng 4.8 Biện giải phổ hồng ngoại (IR) MCC thương phẩm MCC điều chế từ bã mía 78 Bảng 4.9 Biện giải phổ hồng ngoại (IR) MCC điểu chế quy mô kg 10kg nguyên liệu 80 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc cellulose Hình 1.2 Liên kết hydro nội phân tử liên phân tử cellulose Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể cellulose I (A), II (B), III (C) IV (D) [68] Hình 1.4 Sự chuyển đổi dạng kết tinh cellulose Hình 1.5 Cấu trúc chất lỏng ion hệ đầu [17] Hình 1.6 Cấu trúc chất lỏng ion hệ hai [17] .10 Hình 1.7 Cấu trúc chất lỏng ion protic [17] .10 Hình 1.8 Phương pháp tổng hợp số chất lỏng ion qua trung gian NHC 12 Hình 1.9 Phương pháp tổng hợp chất lỏng ion theo chức .13 Hình 1.10 Cấu trúc ban đầu cấu trúc vòng thơm tiểu đơn vị lignin 18 Hình 1.11 Mơ hình phân tử lignin với cầu nối C-C(màu cam) C-O (màu xanh) [83] .19 Hình 1.12 Cấu trúc hemicellulose với phần D-galatose (màu xanh đậm), D-glucose (màu xanh lá), L-arabinose (màu đỏ) [17] 20 Hình 3.1 Sơ đồ tổng hợp chất lỏng ion diethanolamoni hydrosulfat .37 Hình 3.2 Sơ đồ tổng hợp chất lỏng ion pyridin hydroclorid 38 Hình 3.3 Sơ đồ tổng hợp chất lỏng ion diethanolamoni clorid .39 Phụ lục 12 Phổ 13C-NMR chất lỏng ion diethanolamoni clorid 114 Phụ lục 12b Phổ 13C-NMR chất lỏng ion diethanolamoni clorid (phổ giãn) 115 Phụ lục 13 Phổ IR hỗn hợp cellulose, lignin hemicellulose tách từ sinh khối 116 Phụ lục 14 Phổ IR cellulose thương phẩm (CEL 0) 117 Phụ lục 15 Phổ IR cellulose chiết tách từ bã mía chất lỏng ion diethanolamoni hydrosulfat (CEL 2) 118 Phụ lục 16 Phổ IR cellulose chiết tách từ bã mía chất lỏng ion pyridin hydroclorid (CEL 1) 119 Phụ lục 17 Phổ IR cellulose chiết tách từ bã mía chất lỏng ion diethanolamoni clorid (CEL 3) 120 Phụ lục 18 Phổ IR mẫu MCC thương phẩm 121 Phụ lục 19 Phổ IR mẫu MCC điều chế MCC HA01 (PB160920) 122 Phụ lục 20 Phổ IR mẫu MCC điều chế MCC HA02 (PB290920) 123 Phụ lục 21 Phổ IR mẫu MCC điều chế MCC HA03 (PB261020) 124 Phụ lục 22 Phổ IR mẫu MCC điều chế quy mơ kg ngun liệu bã mía 125 Phụ lục 23 Phổ IR mẫu MCC điều chế quy mô 10 kg nguyên liệu bã mía 126 Phụ lục 24 Phiếu kiểm nghiệm mẫu MCC điểu chế quy mô kg từ nguyên liệu bã mía 127 Phụ lục 25 Phiếu kiểm nghiệm mẫu MCC điểu chế quy mô 10 kg từ nguyên liệu bã mía 128 ... vi? ??t chất lỏng ion, tiến hành nghiên cứu báo cáo kết cơng trình: ? ?Nghiên cứu điều chế cellulose vi tinh thể từ nguồn dư phẩm nông nghiệp sau thu hoạch Vi? ??t Nam quy mô pilot chất lỏng ion (IL)? ??... HỌC DƯỢC HÀ NỘI NGUYỄN TẤN HÀO NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CELLULOSE VI TINH THỂ TỪ NGUỒN DƯ PHẨM NÔNG NGHIỆP SAU THU HOẠCH TẠI VI? ??T NAM Ở QUY MÔ PILOT BẰNG CHẤT LỎNG ION (IL) LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯỢC... tiêu sau: Xây dựng quy trình điều chế cellulose vi tinh thể từ dư phẩm nơng nghiệp (lá ngơ, bã mía) sau thu hoạch sử dụng số chất lỏng ion xử lý sinh khối quy mô pilot Đánh giá chất lượng cellulose