Đang tải... (xem toàn văn)
Báo cáo nghiên cứu nhựa phân hủy sinh học PHA Khả năng phân hủy sinh học của polymer bị ảnh hưởng bởi thành phần, khối lượng phân tử, độ kết tinh, độ dày, diện tích bề mặt và điều kiện môi trường10. Người ta nhận thấy rằng PHA có khối lượng phân tử thấp dễ bị phân hủy sinh học hơn. Hơn nữa, Mergaert và cộng sự đã báo cáo rằng copolyme của PHA có tốc độ phân hủy sinh học cao hơn so với homopolyme. Một trong những lợi thế lớn nhất của PHA so với các polymer phân hủy sinh học khác là khă năng phân hủy trong cả điều kiện hiếu khí và kị thông qua quá trình nhiệt phân hoặc thủy phân bằng enzym. Các nghiên cứu về phân hủy sinh học của PHB cho thấy PHB có thể phân hủy nhanh chóng trong môi trường hiếu khí, kỵ khí, do đó nó dễ dàng được xử lý mà không gây hại cho môi trường
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH POLYME – GIẤY TÌM HIỀU VỀ POLYMER PHÂN HỦY SINH HỌC POLYHYDROXYALKANOATE PHA VÀ ỨNG DỤNG Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Châu Giang Sinh viên thực hiện: Cao Phương Nhung Mã số sinh viên: 20191016 Mã học phần: CH3090 Lớp: CN Polyme composite-K64 Hà Nội, – 2022 LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian bắt đầu làm đồ án nay, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ q thầy cơ, gia đình bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi tới Anh Ngơ Lê Đồn Lâm Chị Đỗ Phạm Thùy Linh lời cảm ơn chân thành Và đặc biệt em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Châu Giang tận tâm hướng dẫn em hoàn thành đồ án Trong suốt q trình thực đồ án, khơng thể tránh khỏi sai sót Do vậy, em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu để viết em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn Cao Phương Nhung MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Copolymer DSC HA Homopolymer LDPE PET PCL PHA PLA PE PP PGA P(3HB-co-3HV) hydroxyvalerate) P(3HB) P(3HB-co-4HB) Diễn giải Polymer dị hình Differential scanning calorimetry–Phân tích nhiệt vi sai Hydroxyalkanoic acid Polymer đồng hình Polyethylene tỷ trọng thấp Polyethylene terephthalate Polycaprolactone Polyhydroxyalkanoate Polylactic acid Polyethylene Polypropylene Polyglycolic acid Poly(3-hydroxybutyrate-co-3- 3HO scl-PHA mcl-PHA SDS Tm Poly(3-hydroxybutyrate) Poly(3-hydroxybutyrate-co-4hydroxybutyrate) Poly(3-hydroxybutyrate-co-3hydroxyhexanoate) Poly(3-hydroxybutyrate-co-3hydroxyheptanoate) 3-hydroxyoctanoate PHA mạch ngắn PHA mạch trung bình Sodium dedocy sulfate Nhiệt độ nóng chảy Tg Nhiệt độ chuyển thủy tinh P(3HB-co3HHx) P(3HB-co-3HP) SEM Scanning electron microscope – Kính hiển vi điện tử quét %wt Percent weight – phần trăm khối lượng Xenlulozo axetat butyrat CAB Etyl xenlulozo EtC Tinh bột axetate SA PLLA Poly-L-Lactic axit DANH MỤC BẢNG Bảng Phạm vi ứng dụng, nguyên liệu, quy trình sản xuất, tình hình thương mại hóa xu hướng phát triển công nghệ số loại nhựa phân hủy sinh học Bảng So sánh thuộc tính vài loại PHA với nhựa có nguồn gốc dầu mỏ (nguồn Khanna Srivastava 2005) Bảng So sánh đặc tính P(4HB) với polyeste nhiệt dẻo có khả cạnh tranh DANH MỤC HÌNH Hình Cơng thức cấu tạo chung polyhydroxyalkanoates (PHA).R H gốc alkyl có số lượng C dao động từ 1-13, x = 1-4, n = 100 – 30000 Hình Cấu trúc PHA theo cách phân loại, 3HB = 3hydroxybutyrate, 3HV = 3-hydroxyvalerate, 3HHx = 3hydroxyhexanoate, 3HO = 3-hydroxyoctanoate, 3HD = 3hydroxydecanoate 3HDD = 3-hydroxydodecanoate Hình Một số chủng vi khuẩn Bacillus subtilis sử dụng để sản xuất polyhydroxyalkanoat Hình Ứng dụng PHA Hình Màng khung nuôi cấy van ba từ P(4HB) MỞ ĐẦU Nhựa chiếm vai trò lớn đời sống xã hội nhiều ngành công nghiệp khác Cùng với phát triển xã hội nhu cầu nhựa ngày tăng Chỉ tính riêng năm 2021, tồn giới thải mô trường 353 triệu rác thải nhựa loại Đa số nhựa plastic khó phân hủy 9% số tái chế Ở nước ta, với phát triển kinh tế, xã hội năm qua, sản lượng vật liệu polymer sử dụng tăng liên tục Theo số thông kê Bộ Tài nguyên Môi trường, năm Việt Nam có khoảng 1,8 triệu rác thải nhựa thải môi trường, riêng Hà Nội Thành phố Hồ Chí Minh, số lượng rác thải nhựa ngày đưa ngồi mơi trường lên đến 80 cịn có xu hướng tăng Nhựa dẻo truyền thống làm từ chất tổng hợp có nguồn gốc từ hóa dầu dần cạn kiệt giá thành ngày tăng Mặt khác, nhựa có nguồn gốc từ dầu mỏ khó tái chế, độ bền khơng cao loại nhựa cần đến trăm năm bị phân hủy hết Bên cạnh trình phân hủy sản phẩm tự nhiên giải phóng nhiều hợp chất độc hại Sự tích tụ loại rác thải gây nên vấn đề nghiêm trọng mặt môi trường sinh thái, ảnh hưởng cách trực tiếp gián tiếp đến sống nhiều loại sinh vật đo có người Nhằm giải vấn đề trên, từ năm 70 trở lại đây, nhà khoa học giới tập trung nghiên cứu điều chế ứng dụng polymer phân hủy sinh học giải pháp vật liệu thay Trong số polymer sinh học biết tới polyhydroxyalkanoat (PHA) loại polymer quan tâm nghiên cứu nhiều chúng mang đặc điểm trội như: (1) có thuộc tính hóa-lý tương tự polymer truyền thống, (2) có tính tương thích sinh học cao, (3) có khả bị phân hủy tác nhân sinh học (nấm, vi khuẩn, xạ khuẩn) thải ngồi mơi trường [20] PHA tích lũy tế bào vi sinh vật đóng vai trị nguồn tích lũy cacbon lượng Sự tích lũy PHA xảy môi trường sống vi sinh vật dư thừa nguồn cacbon thiếu nguyên tố dinh dưỡng O, N, P, S hay Mg, [1-2] Có khoảng 150 loại PHA khác nhau, loại có tính chất đặc trưng riêng phù hợp với hướng ứng dụng khác công nghiệp, nông nghiệp y tế, Trong đó, có hai loại pHA poly (3-hydroxybutyrate) (P3HB) poly ( hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) (PHBV) sản xuất ứng dụng quy mô công nghiệp CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ POLYMER PHÂN HỦY SINH HỌC Khái niệm Polymer phân hủy sinh học polymer có nguồn gốc tự nhiên tổng hợp, có đặc tính dễ bị phân hủy hồn tồn tác nhân sinh học vi khuẩn, nấm Quá trình phân hủy xảy điều kiện hiếu khí kị khí, phân cắt polymer thành thành phần đơn phân, sau tiếp tục chuyển hóa hệ enzym vi sinh vật tạo sàn phẩm cuối C O2 H O Phân loại polymer phân hủy sinh học Trên sở phương pháp sản xuất, người ta chia polymer phân hủy sinh học thành ba nhóm sau: - Polymer tách trực tiếp từ nguồn tự nhiên (chủ yếu thực vật) Ví dụ như: polysaccarit (tinh bột, cellulose, chitin/chitosan, ) protein ( casin, gluten bột mì) - Polymer sản xuất phương pháp tổng hợp hóa học từ monomer Điển hình polymer poly acid lactic (PLA), poly glycolic (PGA), dạng đồng trùng hợp poly lactic-glycolic (PLGA), Đây polymer tổng hợp hóa học từ đơn phân vật liệu sinh học acid lactic, acid glycolic - Polymer phân hủy sinh học sản xuất nhờ vi sinh vật Nhiều vi sinh vật sản sinh polyester từ nguồn cacbon (C) khác trình sinh trưởng PHA nhóm polymer sản xuất theo đường lên men vi sinh vật mang nhiều đặc điểm tương tự polymer hóa dầu Tác nhân gây phân hủy sinh học 3.1 Vi sinh vật Có hai loại vi sinh vật gây phản phân hủy sinh học đóng vai trị quan trọng nấm vi khuẩn[39]: Nấm vi sinh vật quan gây phân hủy vật liệu Chúng xuất mơi trường có độ ẩm cao, nhiệt độ khoảng 50-55°C, có khơng khí hết có mặt vật liệu cung cấp thức ăn Chúng thâm nhập vào polymer, sản sinh enzym, phá vỡ hợp chất hữu tiêu thụ Với 80000 chủng nấm biết tới chủng nấm Fusanrium L203 thử nghiệm cho hiệu phân hủy polymer tối ưu Vi khuẩn thuộc nhóm sinh vật đơn bào, thuộc loại kí sinh trùng, lồi có số lượng đơng tự nhiên Các vi sinh vật phân hủy hợp chất hữu xuất chủ yếu môi trường đất nước, chúng phân làm loại: kị khí hiếu khí Vi khuẩn hiếu khí phân hủy hợp chất hữu chủ yếu C O2 H O Vi khuẩn kị khí phân hủy hợp chất hữu khí metan số khí khác H S Khi thâm nhập vào vật liệu chúng sản sinh enzym, enzym công phá vỡ cấu trúc mạch phân tử, tiêu thụ chất hữu 3.2 Một số tác nhân khác Ngoài loại vi sinh vật giúp polymer phân hủy sinh học cịn số tác nhân khác đóng góp vào trình phân hủy polymer với vi sinh vật: ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, [39] Nhiệt độ: nhiệt độ tác nhân khiến cho cấu trúc polymer bị phá vỡ khiến vật liệu bị phân rã tạo điều kiện cho q trình phân hủy sinh học Ngồi ra, yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng phát triển vi sinh vật Vì thế, nhiệt độ có tính định cao đến tốc độ phân hủy Độ ẩm: loại vi sinh vật có ngưỡng độ ẩm riêng để sinh trưởng phát triển Đa phần vi sinh vật thực tốt vai trò phân hủy sinh học polymer phân hủy sinh học độ ẩm khơng khí đạt 80% độ ẩm môi trường >20% Ánh sáng: phân hủy quang việc sử sụng ánh sáng để làm biến đổi cấu trúc vật liệu khiến chúng xuống cấp trầm trọng dễ bị phân Tia cực tím ánh sáng tương tác với liên kết cacbon bậc chuỗi polymer phá vỡ liên kết Ứng dụng polyme phân hủy sinh học Hiện nay, polymer phân hủy sinh học trở thành sản phẩm thương mại quan trọng, ứng dụng cho mục đích khác chủ yếu cho lĩnh vực: y học, nông nghiệp bao bì Tuy nhiên giá thành sản phẩm cịn cao đặc tính chun dụng nên chủ yếu ứng dụng y học, tiềm phát triển ứng dụng nơng nghiệp bao bì triển vọng [41] Trong y học, polymer phân hủy sinh học ứng dụng làm khâu phẫu thuật, thử nghiệm làm mô cấy phẫu thuật mạch máu chỉnh hình, thay tế bào bị bệnh khơng hoạt đơng nữa, thay tồn phần chức quan, làm mơ mềm dạng viên nang giúp giải phóng thuốc có khả điều khiển thể Trong nơng nghiệp, màng polymer phân hủy sinh học quan tâm ứng dụng làm màng che phủ đất, bầu ươm cây, từ năm 1930-1940 Sau phân hủy trở thành nguồn phân bón cho trồng Polymer phân hủy sinh học ứng dụng làm bao bì thân thiện với mơi trường Đây giải pháp hồn hảo để thay cho bao bì polymer có nguồn gốc từ dầu mỏ-loại bao bì vấn nạn môi trường Cả ba loại polymer phân hủy sinh học nói có