Khảo sát khả năng tạo chỉ cellulose vi sinh từ chủng gluconacetobacter

SỞ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TP HỒ CHÍ MINH TRUNG TÂM CƠNG NGHỆ SINH HỌC BÁO CÁO NGHIỆM THU KHẢO SÁT KHẢ NĂNG TẠO CHỈ CELLULOSE VI SINH TỪ CHỦNG Gluconacetobacter spp Mã số: VS03/15-16 Chủ nhiệm đề tài: TS PHAN MỸ HẠNH Cán thực hiện: Phan Mỹ Hạnh Trần Chí Hiếu Lê Thị Thùy Nhi TP Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2017 MỤC LỤC I THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI II ĐẶT VẤN ĐỀ II.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI II.2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 10 II.3 Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI VỀ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 11 III TỔNG QUAN TÀI LIỆU 12 3.1 Tình hình nghiên cứu nước liên quan đến đề tài: 12 3.2 Đặc điểm cellulose vi sinh: 13 3.3 Các chủng sinh tổng hợp cellulose vi sinh 16 3.4 Phân loại sợi quốc tế: 17 3.5 Quy trình sản xuất visco rayon 18 IV VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21 4.1 Nội dung thực 21 4.2 Phương pháp nghiên cứu 22 4.2.1 Sơ đồ bước thí nghiệm: 22 4.2.2 Tuyển chọn số chủng vi khuẩn Gluconacetobacter spp (1) 23 4.2.3 Khảo sát sơ khả sinh tổng hợp cellulose HS, GY*, H5 (2) 23 4.2.4 Chọn chủng làm đối tượng nghiên cứu cho bước sau (3) 23 4.2.5 Khảo sát nguồn carbon, nitơ, tác động đơn yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sinh khối (4) 23 4.2.6 Xác định yếu tố khác ảnh hưởng quan trọng thiết kế Plackett – Burman (5) 24 4.2.7 Tối ưu hóa theo Full Factorial Design (6) 24 4.2.8 So sánh kết mơ hình lý thuyết thực tế thu 24 4.2.9 Thử nghiệm tạo xơ sợi theo phương pháp Visco (7) 25 4.2.10.Thí nghiệm khảo sát công thức dung dịch bể phun: 27 4.2.11.Phun tạo xơ sợi xử lý xơ sợi thu sau phun 27 4.2.12.Kiểm tra đặc điểm hình dạng xơ sợi tạo thành 28 V KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 5.1 Tuyển chọn chủng vi khuẩn Gluconacetobacter spp từ nguồn có sẵn làm đối tượng tạo cellulose vi sinh: 28 5.2 Tối ưu hóa môi trường nuôi cấy tạo cellulose dựa lượng sinh khối cellulose tạo thành 31 5.2.1 Khảo sát nguồn đường, nitơ, tác động đơn yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sinh khối 31 5.2.2 Sàng lọc yếu tố quan thí nghiệm Plackett – Burman 33 5.2.3 Tối ưu hóa theo Full Factorial Design 36 5.3 Tạo dung dịch visco từ cellulose vi sinh (7) 39 5.3.1 Chuẩn bị nguyên liệu cellulose vi sinh cho khâu tạo xơ 39 5.3.2 Nguyên lý xây dựng quy trình tạo dung dịch visco từ cellulose vi sinh 39 5.3.3 Xử lý sơ màng cellulose thô 43 5.3.4 Khảo sát quy trình tạo dung dịch visco từ cellulose vi sinh 45 5.3.5 Khảo sát công thức dung dịch bể phun 53 5.3.6 Phun tạo xơ sợi (8) 55 5.3.7 Xử lý xơ sợi thu sau phun (9) 55 5.3.8 Nghiên cứu đặc điểm hình dạng, kích thước xơ sợi tạo thành 55 VI KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 62 VII TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 DANH SÁCH BẢNG Bảng - Thành phần hóa học vài loại vật liệu có chứa cellulose [] 14 Bảng - So sánh cellulose thực vật cellulose vi sinh .15 Bảng - So sánh cellulose tinh thể với loại vật liệu khác [] 15 Bảng - Bảng phân loại loại sợi nhân tạo theo BISFA [32] 17 Bảng - Bảng phân loại loại sợi thiên nhiên theo BISFA [32] 18 Bảng - Sơ đồ bước thí nghiệm .22 Bảng - Các yếu tố lựa chọn theo thí nghiệm Placket Burman 24 Bảng – Các yếu tố thí nghiệm Plackett – Burman: 34 Bảng - Ma trận thí nghiệm Plackett Burman với 11 yếu tố 34 Bảng 10 – Các yếu tố thí nghiệm Full Factorial Design 36 Bảng 11 - Ma trận thí nghiệm Full Factorial Design với yếu tố 36 Bảng 14 – Bố trí thí nghiệm Placket Burman thời gian lần .48 DANH SÁCH HÌNH Hình - So sánh cellulose vi sinh cellulose thực vật 13 Hình - Cấu trúc cellulose I (Cellulose I) I (Cellulose II) [] 14 Hình – Quy trình chế tạo sợi visco từ gỗ [] 21 Hình – Dung dịch visco khơng kết dính (A), cellulose chưa phản ứng hết (B) 26 Hình – Cốc đo độ nhớt BEVS 1108/8 theo tiêu chuẩn DIN 53211 27 Hình – Spinneret lỗ (A) 1000 lỗ (B) 27 Hình – 03 chủng có khả tổng hợp cellulose tốt môi trường H5 28 Hình – Hiệu suất sinh tổng hợp cellulose HS, GY* H5 29 Hình – Hình dạng tế bào kính hiển vi 1000x (A) khuẩn lạc BC-B0007 môi trường GY (B) 29 Hình 10 – Khảo sát ngưỡng pH .31 Hình 11 – Khảo sát nguồn đường 31 Hình 12 – Khảo sát ngưỡng đường sucrose từ 10 đến 190 g/l 32 Hình 13 – Khảo sát ngưỡng đường từ 10 đến 400 g/l 32 Hình 14 – Khảo sát nguồn nitơ 33 Hình 15 – Khảo sát ngưỡng hỗn hợp pepton cao nấm men (tỷ lệ 1:1) 33 Hình 16 – Kết thí nghiệm Plackett Burman 35 Hình 17 – Kết thí nghiệm Full Factorial Design 37 Hình 18 – Xác định ngưỡng tối ưu theo phương trình lý thuyết 37 Hình 19 – So sánh sinh khối tạo thành H10, HS, MT nước dừa 38 Hình 20 - Bao bì sản phẩm BC NUTRI 02 39 Hình 21 - Màng cellulose vi sinh nuôi cấy môi trường BC NUTRI 02 từ chủng G nataicola BC-B0007 trước ép (A) sau ép (B) 43 Hình 22 – Thí nghiệm tẩy trắng màng cellulose 44 Hình 23 – Màng sau ngâm NaOH nồng độ 5, 10, 20% sau xử lý với CS2 46 Hình 24 – Màng cellulose sau nghiền (a), sau ép loại nước (b) 46 Hình 25 – Cellulose kiềm sau đánh tơi bước 10 (A), sau phơi bước 11 (B) 47 Hình 26 – Dung dịch visco (A), dung dịch visco đĩa thủy tinh sau ép (B), màng cellulose tái tạo (C) 47 Hình 27 – Kết thí nghiệm thời gian khâu lần .49 Hình 28 – Bảng phân tích số liệu thí nghiệm Placket Burman yếu tố thời gian bước .50 Hình 29 – Sơ đồ bố trí thí nghiệm Blacket Burman thời gian lần 51 Hình 30 – Kết phân tích thí nghiệm Blackett Burman lần 51 Hình 31 - Ảnh hưởng nồng độ NaOH hòa tan tạo dung dịch visco 52 Hình 32 – Hệ thống lọc visco 53 Hình 33 – Hình chụp kính hiển vi điện tử bề mặt màng cellulose theo công thức bể phun 55 Hình 34 – Xơ cellulose vi sinh kích thước 60 micron sau xử lý (A), kính hiển vi điện tử (B) 56 Hình 35 – Sợi cellulose kính hiển vi điện tử (A), sau xử lý (B), hình dạng ngồi (C) mặt cắt ngang kính hiển vi điện tử quét (D) 57 Hình 36 – Cấu trúc xơ bị bọt khí kính hiển vi điện tử (A), sợi bị bọt khí kính hiển vi soi (B), sợi bị bọt khí nhìn ngang (C), tượng bong bóng bên cấu trúc sợi (D) .58 TÓM TẮT Đề tài “Khảo sát khả tạo cellulose vi sinh từ chủng Gluconacetobacter spp.” thực 02 năm (2015 – 2016), tập trung trả lời câu hỏi: “liệu sử dụng cellulose vi sinh chủng thuộc chi Gluconacetobacter spp (nay Komagataeibacter spp.) tổng hợp làm nguyên liệu chế tạo xơ, sợi, cho ngành dệt may hay không” Đề tài tuyển chọn chủng Komagataeibacter nataicola BC-B0007 làm đối tượng tạo cellulose, phát triển môi trường nuôi cấy BC NUTRI 01, BC NUTRI 02 để sản xuất cellulose vi sinh quy mô lớn, không phụ thuộc vào nguồn nước dừa tự nhiên, cải tiến quy trình kỹ thuật nhân ni sinh khối để bước tự động hóa quy trình Ngồi ra, đề tài tạo thành cơng mẫu xơ sợi từ cellulose vi sinh, bước đầu chứng minh cellulose vi sinh có khả sử dụng làm nguyên liệu chế tạo xơ, sợi lĩnh vực dệt may, đưa quy trình tổng quát để sản xuất xơ sợi từ cellulose vi sinh Tuy nhiên, thời gian có hạn, số khâu quy trình tổng quát chưa nghiên cứu kỹ, thiết bị chưa đồng cần tiếp tục cải tiến Trong trình thực đề tài, nhóm nghiên cứu nhận hỗ trợ lớn tinh thần vật chất Ban giám đốc Trung tâm Công nghệ Sinh học Thành phố Hồ Chí Minh, giúp đỡ anh chị em Phòng Vi sinh, hỗ trợ tư vấn từ Phân viện Dệt may Thành phố Hồ Chí Minh, Phân khoa Dệt may – Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh Đại học Y khoa Mátxcơva Đề tài đăng ký 01 sáng chế quy trình sản xuất xơ sợi nhân tạo visco từ xenluloza vi sinh (đã chấp nhận mặt hình thức), 01 kiểu dáng cơng nghiệp, 01 nhãn hiệu, hướng dẫn luận văn tốt nghiệp cho 01 sinh viên chuyên ngành công nghệ sinh học (em Nguyễn Ngọc Linh Phương – Đại học Tôn Đức Thắng) Trong thời gian thực đề tài có tham gia khoảng thời gian hai cán phịng Cơng nghệ Vi sinh Bùi Văn Tân Đạo Nữ Diệu Hồng THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI I I.1 Tên đề tài: Khảo sát khả tạo cellulose vi sinh từ chủng Gluconacetobacter spp (Mã số: VS03/15-16) I.2 Cơ quan quản lý: Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM I.3 Đơn vị chủ trì: Phịng Cơng nghệ vi sinh I.4 Cơ quan phối hợp chính: khơng I.5 Chủ nhiệm đề tài: TS Phan Mỹ Hạnh I.6 Cán bộ/Nhóm thực hiện: Phan Mỹ Hạnh Trần Chí Hiếu Lê Thị Thùy Nhi I.7 Thời gian thực hiện: 24 tháng (Từ tháng 01/2015 đến tháng 01/2017) I.8 Kinh phí duyệt: 400.000.000 VNĐ I.9 Kinh phí sử dụng: 400.000.000 VNĐ I.10 Các nội dung nghiên cứu thực so với đề cương đăng ký ST T Nội dung đăng ký Nội dung 1: Tuyển chọn chủng vi khuẩn Gluconacetobacte r spp từ nguồn có sẵn làm đối tượng tạo cellulose vi sinh Nội dung 2: Tối ưu hóa mơi trường ni cấy tạo cellulose dựa lượng sinh khối cellulose tạo thành Nội dung 3: Bước đầu khảo sát khả tạo cellulose vi sinh Thời gian (bắt đầu – kết thúc) 03/201 06/201 Kết dự kiến chủng Gluconacetobacte r spp làm đối tượng tạo Kết đạt Đán h giá Chủng Gluconacetobacte r nataicola BCB0007 (Komagataeibacte r nataicola) Đạt Đạt Đạt 06/201 09/201 Mơi trường tối ưu hóa theo sinh khối Tìm môi trường H10, phát triển sản phẩm BC NUTRI 01, BC NUTRI 02 10/201 10/201 Mẫu xơ, theo phương pháp visco Quy trình tổng quát chế tạo xơ sợi từ cellulose vi sinh, mẫu xơ, sợi Nghiên cứu đặc điểm lý hóa xơ sợi cellulose tạo thành 11/201 12/201 Hình chụp SEM, Đặc điểm lý hóa kính hiển vi điện xơ, sợi thu tử xơ sợi, kiểm tra khả tạo màng từ dung dịch visco Đạt 3/4 I.11 Các sản phẩm đạt so với đề cương đăng ký STT Sản phẩm đăng ký (đề cương) Sản phẩm đề tài Đánh giá Mẫu xơ, sợi từ cellulose vi sinh Đạt Mẫu Ngoài sản phẩm đề tài cịn có: - 01 sáng chế quy trình sản xuất xơ sợi nhân tạo visco từ xenluloza vi sinh (đã chấp nhận mặt hình thức) - 01 kiểu dáng cơng nghiệp (khay BC NUTRI) - 01 nhãn hiệu (BC NUTRI) - 01 luận văn thạc sĩ đạt loại - 01 luận văn tốt nghiệp đại học đạt loại giỏi II ĐẶT VẤN ĐỀ II.1 Tính cấp thiết đề tài Cellulose vi khuẩn S Hestrin M Schramm nhắc đến lần năm 1954 phát chủng Acetobacter xylinum (nay gọi Komagataeibacter xylinus hay Gluconacetobacter xylinus) có khả sinh tổng hợp lớp màng cellulose mơi trường có glucose oxy (S Hestrin M Schramm, 1954) Ngồi Komagataeibacter xylinus cịn có 10 lồi thuộc chi Komagataeibacter spp có khả tạo màng cellulose thô nuôi cấy tĩnh Theo Bielecki (2005), cellulose vi sinh có tính chất vơ độc đáo có độ tinh khiết cao, độ tinh thể hóa cao, mật độ đạt 300-900 kg/m3, độ bền kéo đứt lớn, khả hấp thụ, khả giữ nước cao, đồng thời có độ co giãn, đàn hồi độ dẻo tốt Ngoài ra, cellulose vi sinh hoàn toàn không độc hại, polymer phân hủy sinh học, trơ trình trao đổi chất người Chính thế, giới, loạt ứng dụng cellulose vi sinh nghiên cứu, số sản phẩm bán thương mại thị trường Nata de Coco (Thạch dừa), sản phẩm công ty Xylos Corp (Mỹ) - Prima CelTM, sản phẩm BiofillTM BioprocessTM công ty Fzmb GmbH Đức (P.R Chawla cs, 2009), BASYC® (Bacterial Synthesised Cellulose) Friedrich Schiller University Jena (Đức), Cellulon® Weyerhaeuser Co (Tacoma, Washington, Mỹ) Cetus Co (Emeryville, California, Mỹ) v.v Tuy có nhiều ứng dụng nhiều ngành khác cellulose vi sinh chưa nghiên cứu nhiều lĩnh vực dệt may, đặc biệt khâu tạo xơ sợi Các hướng nghiên cứu chủ yếu tập trung sử dụng NMNO để hòa tan cellulose vi sinh tạo sợi Lyocell, ví dụ nghiên cứu sử dụng NMNO để hòa tan cellulose vi sinh tạo sợi (Patent WO 2010031154); sử dụng NMNO hòa tan cellulose vi sinh chitosan, sau phun hỗn hợp thu phương pháp phun ướt (Lu, X., Tang cs, 2013) vv Cho đến chưa có sản phẩm thương mại từ nghiên cứu Ngoài Lyocell, loại xơ sợi nhân tạo phổ biến Rayon Rayon tạo từ vật liệu có nguồn gốc cellulose thực vật (như bột gỗ, vải vụn vv), qua trình xử lý hóa học thành dung dịch đồng phun qua lỗ nhỏ để tạo tơ, tơ tiếp tục xử lý hóa học để tạo thành xơ sợi nhân tạo Xơ sợi rayon cho cảm nhận kết cấu lụa tơ tằm, len, cotton vải lanh Loại vải Rayon dễ nhuộm màu, mềm, trơn, lạnh, thoải mái có khả thấm nước cao không cách nhiệt phù hợp để làm vật liệu may mặc vùng có khí hậu nóng ẩm Cho đến nay, sản phẩm từ xơ sợi Rayon có mặt khắp nơi giới Trong cơng nghệ tạo xơ sợi rayon công nghệ visco lâu đời công nghệ thúc đẩy ngành công nghiệp dệt may phát triển loạt sản phẩm xơ sợi dệt nhân tạo từ cellulose thực vật Quy trình sản xuất màng cellulose từ visco ba nhà bác học Charles Frederick Cross, Edward John Bevan Clayton Beadle khám phá từ năm 1898, nhiên, đến năm 1913 sản phẩm thương mại từ xơ sợi cellulose sản xuất nhà máy the 'La Cellophane SA factory, Bezons, Pháp tiến sĩ Jacques Brandenberger phát triển phim cellulose mỏng suốt (Vijay Kumar Thakur, 2015) Nguyên liệu dùng chế tạo xơ sợi Rayon theo quy trình visco cellulose thực vật, chủ yếu dùng bột gỗ gần có thêm bột tre Loại gỗ dùng chế tạo xơ sợi nhân tạo từ cellulose tái sinh gỗ có tuổi đời từ - 75 năm, ví dụ: vân sam, thông (gỗ mềm); bạch dương, phong (gỗ cứng) Để loại lignin hemicellulose thường sử dụng phương pháp sulphite hóa, dùng chủ yếu HSO3- SO2 Theo đó, gỗ sau đưa nhà máy bóc vỏ, bào nhỏ, nấu, rửa, làm trắng, hoàn thiện (V B Gupta V K Kothari, 1997) Công nghệ tạo dung dịch visco tóm gọn theo bước phản ứng (V.B Gupta V.K Kothari, 1997): chuyển cellulose thực vật thành cellulose kiềm NaOH, sunfua hóa nhờ thêm CS2 để tạo thành cellulose xanthate, sau hịa tan cellulose xanthate NaOH để tạo dung dịch visco Dung dịch visco phun vào bể có chứa H2SO4, đẩy CS2 khỏi cấu trúc phân tử đồng thời nối mạch cellulose lại với nhờ mà tạo loại xơ sợi Việc sử dụng lâu năm có tuổi đời từ – 75 năm gây lãng phí nguồn tài ngun rừng, cơng nghiệp chế tạo bột giấy nguyên nhân dẫn đến tình trạng chặt phá rừng, ngồi trình khử lignin tẩy trắng gỗ sử dụng lượng lớn hóa chất, chất thu hồi, thải nguồn nước khơng khí, tác nhân gây ô nhiễm môi trường Do vậy, cần có loại nguyên vật liệu thay thế, có đặc tính vật lý phù hợp để làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp chế tạo xơ sợi Rayon, thân thiện với mơi trường, có khả tái sinh sản xuất quy mơ cơng nghiệp Về đặc điểm, cấu trúc cellulose vi sinh giống với cấu trúc cellulose thực vật, nhiên chúng khác biệt số lượng đơn phân D-glucose chuỗi dẫn đến khác biệt mức độ polymer hóa Ví dụ, cellulose sợi bơng có mức độ polymer hóa thành tế bào bậc khoảng 2000 - 6000, bậc hai – 13000 – 14000 đơn phân; cellulose gỗ – 8000 – 10000 đơn phân cellulose từ vi khuẩn K xylinus – 2000 – 6000 đơn phân (Bielecki S 2005) Khả ngậm nước cellulose vi sinh cao từ 96-98,2% Cellulose vi sinh có chứa đến gần 60% I thực vật tầm 30% (Sugiyama J., 1999) Trong thành phần màng thô sau ni cấy có 96-97% nước, cịn lại cellulose tinh khiết, không chứa lignin hay hemicellulose Như vậy, cellulose vi sinh có tiềm thay cellulose thực vật làm nguyên liệu chế tạo xơ sợi Rayon theo nhiều phương pháp khác nhau, có cơng nghệ visco Sử dụng cellulose vi sinh tránh khâu xử lý ban đầu gây nhiễm, ngồi đơn giản hóa quy trình tạo dung dịch visco Hiện chưa có nghiên cứu chuyên sâu sử dụng cellulose vi sinh tạo xơ sợi theo công nghệ visco cơng nghệ có tuổi đời từ lâu áp dụng rộng rãi lĩnh vực dệt may, Việt Nam chưa có nghiên cứu chuyên sâu vấn đề Về mặt chất, bước quy trình visco khơng thay đổi cellulose vi sinh khác với cellulose thực vật cần quy trình riêng tương ứng để áp dụng quy mô công nghiệp II.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Chính thế, mục tiêu tổng quát của đề tài bước đầu khảo sát khả tạo tạo mẫu cellulose từ Gluconacetobacter spp quy mơ phịng thí nghiệm theo phương pháp visco Mục tiêu cụ thể: - Tuyển chọn chủng vi khuẩn Gluconacetobacter spp có khả tạo cellulose vi sinh hiệu 10 bể phun (spin bath) sợi visco Một cách giải thích khác trì hỗn khơng cho acid vào cấu trúc sợi hay chặn nước thoát từ sợi nhờ tạo cấu trúc màng Tuy nhiên theo nghiên cứu Tornell Zn2+ khơng ảnh hướng đến khả thẩm thấu acid vào sợi, điều giống ngăn nước Có thêm Zn spin bath giúp tăng độ bền sợi - Các chất bổ sung khác: amines, quaternary bases, PEG, dithiocarbamates giúp trì hỗn q trình tái tạo Ví dụ phản ứng Zn2+ gốc -CS2 xúc tác chất ổn định tạo lớp màng ổn định chứa hợp chất sulphur Zn bề mặt sợi, từ làm giảm tốc độ thẩm thấu acid vào giảm nước ngồi dẫn đến trì hỗn tốc độ tái tạo tăng độ căng duỗi -> dùng cho loại sợi có độ bền cao Trong thí nghiệm này, tiến hành quan sát thay đổi màu sắc sau cho kính chứa dung dịch visco vào bể phun khác Phản ứng xảy sau: C6H9O4OCSSNa + H2SO4 -> C6H9O4OH + CS2 + Na2S04 Cellulose xanthate cellulose Spin bath 1(g/l): có H2SO4 9% (90 g/1 lit) Spin bath (g/l): 90 g H2SO4, 280g Na2SO4, 5g ZnSO4 Spin bath (g/l): 70 g H2SO4, 150g Na2SO4, 4g ZnSO4, 0,5g MgSO4 Spin bath (g/l): 50g H2SO4, 120 g Na2SO4, 40g ZnSO4, 0,5g PEG (polyethylene glycol) Spin bath (g/l): 60g H2SO4, 100 g Na2SO4, 40g ZnSO4 Trong spin bath thấy có phản ứng diễn tức thời tạo khí CS2 bay lên, phản ứng xảy nhanh tạo bọt khí bề mặt tạo lớp màng ngăn phía sợi phản ứng, từ giảm chất lượng xơ sợi Trong spin bath thí nghiệm, spin bath 1,2 sủi bọt nhanh, màng chuyển từ màu vàng cam đặc trưng sang trắng gần Spin bath 3,4,5 chuyển dần từ màu vàng cam đặc trưng sang trắng, spin bath sủi bọt chuyển màu chậm nhất, lượng bọt bám bề mặt màng Quan sát bề mặt màng kính hiển vi Imager cho thấy tượng nổ bọt khí xảy Spin bath 4, sau đến spin bath Ở spin bath 5,6 H2SO4 phản ứng tức thời lên bề mặt, gây tưởng nổ bong bóng Cellulose tạo thành nhanh tạo màng ngăn cản không cho H2SO4 tiếp cận vào bên Spin bath (10x) Spin bath (10x) 54 Spin bath (10x) Spin bath (10x) Spin bath (10x) Hình 33 – Hình chụp kính hiển vi điện tử bề mặt màng cellulose theo công thức bể phun Để chất lượng xơ sợi tốt cần làm chậm thời gian H2SO4 tiếp xúc phản ứng với visco, thí nghiệm trên, thí nghiệm tạo hạt bọt khí nhỏ, phản ứng diễn từ từ, bước phun sử dụng công thức Spin bath làm công thức bể phun 5.3.8 Phun tạo xơ sợi (8) Để phản ứng diễn từ từ, tránh tượng tạo bọt khí gây đứt mạch xơ phun, dung dịch visco sau lọc loại khí phun với áp lực 20 bar (20.105Pa) nhiệt độ 45-50oC qua đầu phun 1-1000 lỗ vào bể phun có chứa lít dung dịch spin bath gồm thành phần theo công thức (g/l): 50 g H2SO4, 120 g Na2SO4, 40 g ZnSO4, 0,5 g PEG (polyethylene glycol), nước đến lít Tùy thuộc vào số lượng lỗ đầu phun mà xơ sợi cellulose thu có kích thước khác 5.3.9 Xử lý xơ sợi thu sau phun (9) Xử lý xơ sợi visco tạo thành, sau qua trình xơ trạng thái trương chứa khoảng 80% dung dịch đông tụ (3,5 – 4,5% axit sunfuric, 12 –15% sunfat 2% tạp chất khác chủ yếu lưu huỳnh tự do), cần xử lý xơ tiếp tục nước ấm để loại axit sunfuric muối, loại bỏ lưu huỳnh dung dịch natrisunfit – 2,5%, rửa axit axetic 1% để loại muối khó tan, sau trình xử lý trên, cần rửa kỹ nước, nước dùng trình rửa cần phải sạch, dạng nước mềm, không chứa ion kim loại nặng hợp chất hữu Cách tiến hành sau: xơ sợi thu sau phun rửa nước ấm nhiệt độ 40 - 50°C, sau rửa với dung dịch natrisunfit (Na2SO3) có nồng độ – 2,5% nhiệt độ 50 - 60°C, rửa lại nước nhiệt độ 40 - 50°C, sau rửa tiếp dung dịch axit axetic 1%, rửa kỹ lại nước nhiệt độ 40 - 50°C, thu xơ sợi visco sau xử lý khơng cịn màu mùi lưu huỳnh tạp chất khác, có màu trắng khơng mùi giống cellulose ban đầu 5.3.10.Nghiên cứu đặc điểm hình dạng, kích thước xơ sợi tạo thành Sử dụng đầu phun (spinneret) loại lỗ 1000 lỗ (kích thước lỗ 60 micron) để tạo xơ theo quy trình nghiên cứu trên, kết thí nghiệm cho thấy dung dịch phun vào bồn chứa spin bath phản ứng sủi bọt khí (CS2), chuyển dần từ màu vàng sang trắng (chuyển từ cellulose xanthate thành cellulose), tạo đoạn dài trước bị đứt bọt khí 55 Xơ thu sau phun có khả hút nước tốt, tạo cấu trúc xốp vắt nhiên có số đoạn bị đứt gãy (Hình 34 A) Hình ảnh quan sát kính hiển vi điện tử Imager cho thấy xơ có kích thước từ 40 – 80 micron (kích thước 54,76 micron Hình 34 B), thân có đường rãnh chạy dài đặc trưng xơ visco Các đường rãnh tạo thành trình loại nước khỏi cấu trúc xơ Hình ảnh quan sát kính hiển vi điện tử quét SEM cho thấy rõ đường rãnh bề mặt sợi đặc trưng cho xơ sợi visco, rãnh bị đứt đoạn, sợi trơn, khơng bị nổ bong bóng bề mặt Hình ảnh cắt ngang xơ cho thấy cấu trúc bên mịn, đặc có kết dính chặt với B Hình 34 – Xơ cellulose vi sinh kích thước 60 micron sau xử lý (A), kính hiển vi điện tử (B) A Sợi cellulose dạng tạo thành cách phun dung dịch visco qua đầu phun 1000 lỗ, vào bể phun, xơ chập vào nhau, phản ứng với H2SO4 để tái tạo lại thành cellulose Tùy thuộc số lượng lỗ áp lực phun cho loại sợi có kích thước khác B A 56 C D Hình 35 – Sợi cellulose kính hiển vi điện tử (A), sau xử lý (B), hình dạng ngồi (C) mặt cắt ngang kính hiển vi điện tử quét (D) Trong trình phun, máy bơm tạo áp gây đảo trộn dung dịch visco dẫn đến hình thành bọt khí dung dịch Bọt khí gây đứt mạch tượng bong bóng lịng sợi, dẫn đến sợi dễ bị đứt gãy, chất lượng giảm rõ rệt Chính vậy, khơng thể thực số thí nghiệm để xác định đặc điểm hóa lý xơ sợi tạo thành Để khắc phục vấn đề cần thay thiết bị phun chun dụng sử dụng cho cơng nghệ visco Hình ảnh bọt khí Hình 36 B A 57 C D Hình 36 – Cấu trúc xơ bị bọt khí kính hiển vi điện tử (A), sợi bị bọt khí kính hiển vi soi (B), sợi bị bọt khí nhìn ngang (C), tượng bong bóng bên cấu trúc sợi (D) Từ kết thí nghiệm cho thấy cellulose vi sinh kết nối với để tạo dạng xơ, sợi nhờ công nghệ visco Như vậy, hướng sử dụng cellulose vi sinh để tạo xơ sợi, thực nhiên cần chuẩn hóa quy trình, thiết bị Tồn quy trình tạo xơ sợi visco từ cellulose vi sinh sơ đồ: STT Tên bước Nuôi cấy thu sinh khối cellulose Mục đích/ thơng số kỹ thuật Thu sinh khối Trung bình lít mơi trường thu 3,8 ± 0,05 kg sinh khối ướt chưa qua xử lý Màng cellulose thơ thu có màu trắng đục vàng, 100 g màng cellulose thơ có chứa 9697% nước, 2-3% cellulose tinh khiết, thành phần lại protein, lipit tro chiếm 0,2%, khơng chứa lignin hemicellulose 58 Hình ảnh minh họa Làm phía ngồi Loại bớt nước dịch mơi trường cịn sót lại Tiệt trùng, phá vỡ tế bào, bảo quản màng Bảo quản màng, tạo tinh thể để dễ xay nhuyễn Phá vỡ cấu trúc cellulose vi sinh, tạo điều kiện cho NaOH xâm nhập Xử lý sơ 59 Loại bớt nước, mơi trường cịn sót lại Độ ẩm sau ép đạt 65 – 80% Tạo cellulose kiềm Ép NaOH Loại bỏ NaOH dư, cân dư đối tỷ lệ NaOH tham gia phản ứng Đánh tơi Tăng diện tích tiếp xúc CS2 với cellulose kiềm Cellulose kiềm tơi, xốp, màu trắng Tạo cellulose kiềm 60 Làm chín Giảm độ trùng hợp (aging) Cellulose kiềm khơ, độ ẩm 70 – 80%; Đánh tơi Tạo dạng tơi xốp bơng, Xanthate hóa Tạo cellulose xanthate (cellulose natri xanthogenate) có màu màu vàng cam đặc trưng 61 10 Hòa tan NaOH tạo dung dịch visco Hòa tan cellulose cellulose natri xanthogenate Dung dịch viscose đồng nhất, màu đặc trưng, khơng tách lớp, khơng có cặn phía Có khả tạo lại màng cho vào dung dịch H2SO4 10% Độ nhớt từ 14 -20 poise 11 Làm chín 11 Lọc 12 Loại khơng khí Phun Để phản ứng xảy hoàn toàn, phân bố lại nhóm CS2 tạo dung dịch đồng Lọc cặn, lọc mảng cellulose chưa phản ứng hết Loại không khí 13 14 VI Tái tạo cellulose, sợi khơng bị đứt đoạn Xử lý xơ, Xơ sợi visco sau xử sợi sau lý khơng cịn màu mùi phun lưu huỳnh tạp chất khác, có màu trắng không mùi giống xenluloza ban đầu KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Trong năm 2015 – 2016, đề tài thực đầy đủ nội dung 1, 2, phần nội dung theo kế hoạch triển khai, cụ thể sau: 62 Tuyển chọn chủng Gluconacetobacter nataicola BC-B0007 để tạo cellulose vi sinh khối lượng lớn - Tối ưu hóa mơi trường ni cấy G nataicola BC-B0007, phát triển thương mại hóa sản phẩm BC NUTRI 01, BC NUTRI 02 đáp ứng nhu cầu sản xuất quy mô công nghiệp, không phụ thuộc vào nguồn nước dừa nước - Tìm quy trình sản xuất màng cellulose vi sinh quy mô pilot, đủ nguyên liệu phục vụ bước khảo sát khả tạo cellulose vi sinh - Bước đầu thiết lập quy trình chế tạo dung dịch visco, phun tạo mẫu xơ sợi - Bước đầu thiết kế hệ thống máy móc quy mơ phịng thí nghiệm phục vụ khảo sát khả tạo cellulose vi sinh Dựa vào kết đề tài cho thấy có khả sử dụng cellulose vi sinh để tạo xơ sợi, phục vụ cơng nghiệp dệt may, nhiên quy trình, thiết bị phải điều chỉnh cho phù hợp - 63 Kiến nghị: Chỉ cellulose vi sinh sử dụng công nghệ visco khái niệm hoàn toàn Việt Nam, theo thông báo từ CESTI (Trung tâm Thông tin Khoa học Cơng nghệ Hồ Chí Minh), đến tháng 03 năm 2017 chưa có nghiên cứu nước liên quan đến lĩnh vực Chính q trình nghiên cứu nhóm gặp khơng khó khăn, đặc biệt tìm hiểu sâu quy trình tạo visco thiết bị phụ trợ phục vụ nghiên cứu, dẫn đến thí nghiệm phải kéo dài trang thiết bị khơng đồng Xơ visco loại xơ versatile (dễ biến đổi) người tạo ra, cần thay đổi chút bước tạo visco dẫn đến thay đổi đáng kể đặc tính xơ visco tạo thành Một cách để thay đổi là: 1, thay đổi DP cellulose ban đầu, 2, thêm chất định hình (modifier) vào dung dịch visco vào dung dịch phun, 3, thay đổi thành phần dung dịch phun, 4, xử lý sau phun Đề tài khái quát bước quy trình tạo xơ sợi từ cellulose vi sinh theo phương pháp visco chưa thể sâu vào công đoạn Để chất lượng xơ sợi tăng lên có đặc tính đặc trưng cần có nghiên cứu chuyên sâu Vấn đề cần lưu ý đề tài việc phải sử dụng CS2 trình tạo dung dịch visco, sản phẩm phụ sinh có mùi gây khó chịu, CS2 hóa chất nguy hiểm, phải có hệ thống hút mùi đảm bảo an tồn Đề tài mang tính chất định hướng, đưa ý tưởng sử dụng cellulose vi khuẩn biến tính để sử dụng ngành dệt may thay cho gỗ cotton, sản xuất với số lượng khơng phụ thuộc tự nhiên, cịn nhiều cơng nghệ khác áp dụng, cần nghiên cứu thêm phương pháp không gây ô nhiễm mơi trường đơn giản, ví dụ ép đùn áp lực lớn qua lỗ phun kích thước nhỏ để loại nước liên kết tạo loại sợi có độ bền cao (“thép cellulose vi sinh”), nhiên vấn đề phụ thuộc vào công nghệ máy móc phụ trợ Cellulose vi sinh chất thân thiện với môi trường, hướng không sử dụng hóa chất q trình xử lý mà sử dụng biện pháp vật lý (nghiền, xay, ép, chải vv) nên khuyến khích Hướng ứng dụng cellulose vi sinh công nghiệp dệt may hướng hoàn toàn Việt Nam, cần hỗ trợ, liên kết Viện, Trường, Doanh nghiệp, tạo chương trình nghiên cứu liên ngành hướng đến sản phẩm cuối có giá trị gia tăng cao xơ sợi, chỉ, vải không dệt, lớp phủ bề mặt, lớp đệm lót, khăn tay vv Ngồi ra, trình nghiên cứu nhận thấy từ dung dịch viscose tạo cấu trúc 3D, mở nhiều hướng ứng dụng mới, đặc biệt lĩnh vực y học để tạo cấu trúc mô mạch máu, ống dẫn niệu vv Để phát triển hướng ứng dụng quy trình viscose tạo cấu trúc 3D từ cellulose vi khuẩn sử dụng y học đề nghị liên kết với Đại học Y khoa Mátxcơva 64 VII TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 N Reddy, Y Yang Innovative Biofibers from Renewable Resources SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2015 – p 84 Patent WO 2010031154 A2 Bacterial cellulose fiber, thread and tape production process and resulting products, 2010 Lu, X., Tang, S., Huang, B., Shen, X., Hong, F.: Fibers Polym 14(6), 935 (2013) Gao, Q., Shen, X., Lu, X.: Carbohydr Polym 83, 1253 (2011) Jalaluddin, A., Yamamoto, A., Gotoh, Y., Nagura, M.: Text Res J 80(17), 1846 (2010) Patent CN103173899 Nanometer bacterial cellulose ultrafine fiber yarn processing method, 2013 Неверова О.А Пищевая биотехнология продуктов из сырья растительного происхождения: Учебное пособие./ О.А Неверова, Гореликова Г.А, Позняковский В.М – Новосибрск: Сиб Унив Изд-ство, 2007 – 16c W Czaja, A Krystynowicz, S Bielecki, R.M Brown Jr., Microbial cellulose – The natural power to heal wounds, Biomaterials,27 (2006) 145–151 Steinbüchel A Biopolymers for Medical and Pharmaceutical Applications: Humic Substances, Polyisoprenoids, Polyesters, and Polysaccharides/ A Steinbüchel, Robert H Marchessault// Wiley, 2005.-p.31-84 10 Sugiyama J Electron diffraction study on the two crystalline phases occurring in native cellulose from an algal cell wall/ J Sugiyama, R Vuong, H Chanzy // Macromolecules, 1991, 24.- p 4168 - 4175 11 M Iguchi Bacterial cellulose –A masterpiece of nature’s arts/ M Iguchi, S Yamanaka, A Budhiono //J Mater Sci., 2000, 35.- p.261–270 12 Дудкин М.С Гемицеллюлозы/ М.С Дудкин, В.С Громов, Ведерников Н.А и др – Рига: Зинатне, 1991 – с 7-10 13 Peter Zugenmaier Crystalline Cellulose and Derivatives: Characterization and Structures/ Springer, 2008, 285 – p 14 Klemm D Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material/ D Klemm, B Heublein, H-P Fink, A Bohn// Angew Chem Int Ed, 2005, 44.- p.3358 3393 15 Eichhorn S J Review: current international research into cellulose nanofibres and nanocomposites / S J Eichhorn, A Dufresne, M Aranguren at all // Journal of Material Science, 2010, 45.- p.1-33 16 Bielecki S Bacterial cellulose, in: Polysaccharides and polyamide in the food industry: Properties, production and patents/ S Bielecki, A Krystinowicz, M B C., Turkiewcz, and H Kalinowska // Wiley VCH, Weinhein, 2005.- р.31-84 17 Chanliaud E Mechanical properties of primary plant cell wall analogues/ E Chanliaud, K M Burrows, G Jeronimidis and M J Gidley// Planta, 2002, 215.- p 989–996 66 18 Klemm D Nanocellulose innovative polymers in research and application / D Klemm, D Schumann, F Kramer, N Hebler, M Hornung, H P Schmauder and S Marrsch // Advance of Polymer Science, 2006, 205.- p 49-96 19 S J Eichhorn Review: current international research into cellulose nanofibres and nanocomposites/ S J Eichhorn, A Dufresne, M Aranguren, N E Marcovich, J R Capadona, S J Rowan, C Weder, W Thielemans, M Roman, S Renneckar, W Gindl, S Veigel, J Keckes, H Yano, K Abe, M Nogi, A N Nakagaito, A Mangalam, J Simonsen, A S Benight, A Bismarck, L A Berglund, T Peijs// Journal of Materials Science, January 2010, Volume 45, Issue 1, pp 1-33 20 Brown A.J On an acetic ferment which forms cellulose / A.J Brown // J Chem Soc Trans., 1886, 49.- p 432–439 21 Patent US6818434 - Cellulose-producing bacteria // Kunihiko Watanabe, – 2004 22 Debasree Dutta Nitrogen-fixing and cellulose-producing Gluconacetobacter kombuchae sp nov., isolated from Kombucha tea/ Debasree Dutta, Ratan Gachhui.//International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 2007, 57.- p.353–357 23 Dellaglio F и др Description of Gluconacetobacter swingsii sp nov and Gluconacetobacter rhaeticus sp nov., isolated from Italian apple fruit/ F Dellaglio et all.// Int J Syst Evol Microbiol, 2005, 55.- p 2365-2370 24 Patent US2008085520-A1; US7803601-B2 New cyanobacterium comprising exogenous bacterial cellulose operon, useful for producing extracellular glucose or for fixing carbon into a photobiomass/ D R Nobles., R M Brown (2008 13p) 25 Cannon R E Biogenesis of BC/ R E Cannon, S M Anderson Critical Reviews in Microbiology, 1991, 17 (6) - p 435-447 26 Costeron J.W The role of bacterial cellulose exopolysaccharides in nature and disease/ J.W Costeron // J Ind Microbiol Biotechnol., 1999, 22.- p.551-563 27 Williams W.S Alternative environmental roles of cellulose produced by Acetobacter xylinum/ W.S Williams, R.E Cannon// Appl Environ Microbiol., 1989, 55.- p.24482452 28 Jonas R Production and application microbial cellulose/ R Jonas, L.F Farad// Polymer Degrad Stabil., 1998, 59.- p.101-106 29 Okamoto T Cloning of the Acetobacter xylinum cellulase gene and its expression in E coli and Zymomonas mobilis./ T Okamoto, S Yamano, H Ikeaga and K Nakamura// Appl Microbiol Biotechnol., 1994, 42.- p 563 – 568 30 Koo H.M Evidence that a Beta-1,4-endoglucanase secreted by Acetobacter xylinum plays an essential role for the formation of cellulose fiber/ H.M., Koo S.H Sony, Y.R Pyun and Y.S Kim// Biosci Biotech Bioeng., 1991, 62.- p.2257 – 2259 31 Ross P Cellulose biosynthesis and fuction in bacteria/ P Ross, R Mayer and M Benziman// Microbiol Rev., 1991, 55.- p.35-58 32 http://www.bisfa.org/ 33 Vijay Kumar Thakur Nanocellulose Polymer Nanocomposites: Fundamentals and Applications// Scrivener Publishing, 2015 67 34 Серков А.Т Визкозные волокна – М.: Химия, 1980, 296с 35 V.B Gupta and V.K Kothari Manufactured Fibre Technology, Springer, 1997 36 http://nptel.ac.in/courses/103103029/module7/lec40/2.html 37 Yuzo Yamada, Pattaraporn Yukphan, Huong Thi Lan Vu, Yuki Muramatsu, Duangjai Ochaikul, Somboon Tanasupawat, Yasuyoshi Nakagawa (2012), “Description of Komagataeibacter gen nov., with proposals of new combinations (Acetobacteraceae)”, The Journal Of General And Applied Microbiology 58, pp 397404 38 Johanna Eriksson Pilot spinning of viscose staple fibres Screening for important spinning parameters using design of experiments// Umea University, 2015 TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm TRƯỞNG PHÒNG CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI TS Phạm Nguyễn Đức Hoàng TS Phan Mỹ Hạnh GIÁM ĐỐC TS Dương Hoa Xô 68