nhiệt học và cơ học chất lưu tiểu luận công nghệ bao vi nang trong men vi sinh

chịu dường như là con đường hứa hẹn nhất để đảm bảo hiệu quả của quy trình.Các đặc tính của vật liệu phủ bao gồm khả năng chống chịu với nhiệt độ và áp suấtcao, độ ẩm thấp và tính thấm o

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ -   -

Nhiệt học và cơ học chất lưu Tiểu luận : Công nghệ bao vi nang trong men vi sinh

Sinh viên thực hiện: Hồ Ngọc Cường – 20210134

Nguyễn Hà Nhân Nghĩa – 20212448 Bùi Xuân Quốc – 20212452 Nguyễn Cảnh Hoàng – 20212437 Nguyễn Hữu Hồng Sơn – 20212454

MỤC LỤC

3) Phương pháp được sử dụng để bao vi nang 10

2) Bình đun sôi 21

V.Đề xuất để tăng tốc độ khuếch tán trong công nghệ bao vi nang đối với

I Mục đích thí nghiệm

 Tăng tốc độ khuếch tán nhằm mục đích cải thiện sự tồn tại của men vi sinh trongquá trình sản xuất và trong cơ thể

 Tăng tốc độ giải phóng vi nang qua đó tạo ra lớp màng bọc bao vi nang bảo vệ các

tế bào khỏi tác động PH, axit hữu cơ hoặc các hợp chất tan khác như oxy

II Giới thiệu

1 Công nghệ bao vi nang

mẽ giúp biến đổi và bảo vệ các hợp chất có hoạt tính sinh học cao như enzyme, tếbào (probiotic), chất thơm, chất màu thực phẩm … đồng thời là một biện pháp hữuhiệu để nâng cao giá trị sử dụng của chúng

2) Cơ chế hoạt động

 Cơ chế giải phóng bao vi nang giúp giải phóng vật liệu lõi một cách có kiểm soát,bền vững hoặc có chủ đích Ba cơ chế khác nhau mà vật liệu lõi được giải phóngkhỏi viên nang siêu nhỏ bao gồm: khuếch tán, hòa tan, thẩm thấu và bào mòn Các

cơ chế giải phóng ít phổ biến hơn bao gồm cắt bỏ (xói mòn vỏ chậm) và phân hủysinh học

 Cơ chế giải phóng phụ thuộc vào bản chất của ứng dụng:

 Ví dụ: Hương thơm nước hoa, các cấu trúc tự phục hồi dựa vào sự vỡ cơ học của

vỏ để giải phóng nội dung cốt lõi Vết nứt có thể do áp lực gây ra như trong trườnghợp mùi nước hoa hoặc do sự lan rộng của các vết nứt đối với các cấu trúc tự phụchồi

 Trong các cấu trúc tự phục hồi, các viên nang siêu nhỏ hoạt động như một phươngtiện lưu trữ và phân phối keo tại chỗ, để ngăn chặn sự lan rộng của các vết nứt Do

đó, một tác nhân chữa bệnh được bao bọc vi mô và một chất xúc tác kích hoạtphản ứng trùng hợp trong tác nhân đã chọn được nhúng trong một ma trận hỗnhợp Sự vỡ của bất kỳ viên nang siêu nhỏ nào do một vết nứt tiếp cận sẽ giảiphóng chất chữa lành vào mặt phẳng vết nứt bằng tác động mao dẫn Khi chấtchữa lành được giải phóng tiếp xúc với chất xúc tác, quá trình polyme hóa thuđược sẽ liên kết mặt vết nứt đóng lại, ngăn chặn khuyết tật trên đường đi của nó

 Ví dụ: Chất chữa lành dicyclopentadiene (DCPD) urea formaldehyde vi nang và

chất xúc tác Grubb's Ru đã được kết hợp vào nền epoxy để tạo ra hỗn hợp polyme

có khả năng tự chữa lành

3) Tác dụng

 Bao gồm 3 tác dụng chính : Giải phóng chậm, Giải phóng có kích thích và Giảiphóng theo yêu cầu

H1 TÁC DỤNG CỦA VI NANG

a) Giải phóng chậm

 Các đặc tính của lớp vỏ polyme của viên nang siêu nhỏ được xác định bởi độ dày

và mức độ liên kết ngang của nó Điều này được sử dụng để thao tác giải phóngvật liệu lõi có kiểm soát khuếch tán Trong lĩnh vực hóa chất nông nghiệp, phânbón dài hạn được hưởng lợi từ hiệu ứng tích trữ của việc giải phóng chậm các chấtdinh dưỡng

b) Giải phóng có kích thích

 Cố tình giải phóng một chất tại một thời điểm xác định trong ứng dụng là mộtnhiệm vụ rất phức tạp Tùy thuộc vào cấu trúc viên nang, các cơ chế kích hoạtkhác nhau (các yếu tố kích thích) như nhiệt độ, tia UV, hoạt động của enzym hoặcthay đổi giá trị pH được có thể được sử dụng Sự thích ứng của vật liệu vỏ và cơ

chế kích hoạt yêu cầu một giải pháp riêng có thể được thực hiện trong tùy trườnghợp phù hợp

c) Giải phóng theo yêu cầu

 Áp suất và ma sát là cơ chế kích hoạt phổ biến nhất được sử dụng trong ứng dụngcông nghiệp của viên nang siêu nhỏ Nước xả vải với hương thơm tươi mát dài lâuhiện được coi là tiên tiến nhất trong ngành tẩy rửa Các viên nang siêu nhỏ cóđường kính từ 20 µm đến 30 µm, chứa đầy tinh dầu thơm, được phân bổ đều trên

đồ giặt và bám chặt vào vải Khi mặc quần áo, các viên nang vỡ ra do ma sát vàngay lập tức giải phóng hương thơm Quá trình này tự lặp lại và tạo ra một mùihương tươi mát lâu dài

2 Công nghệ bao vi nang trong men vi sinh

1) Mục đích

 Cải thiện sự tồn tại của men vi sinh trong quá trình sản xuất và trong cơ thể

 Trong số các cách tiếp cận khác nhau được đề xuất để cải thiện sự tồn tại củaProbiotic trong quá trình sản xuất và đi qua đường tiêu hóa trên, bao vi nang đã

nhận được sự quan tâm đáng kể Sự bất động tế bào nói chung có xu hướng.

làm tăng khả năng tồn tại và ổn định của vi sinh vật dưới hình thái vi nang trongquá trình khai thác chúng

 Tuy nhiên, hiệu quả có thể khác nhau tùy thuộc vào phương pháp được sử dụng vàmôi trường nuôi cấy được xem xét Trong hầu hết các trường hợp, việc bao vinang Probiotics bằng cách sử dụng các chất tạo màng sinh học tự nhiên như canxialginate, protein, polisaccarit tự nhiên và biến đổi, lipit và polyme tổng hợp đãđược các nhà nghiên cứu ưa chuộng cho các ứng dụng men vi sinh Probiotics(Picot, 2004) Mặc dù đầy hứa hẹn ở quy mô phòng thí nghiệm, các công nghệđược phát triển để sản xuất hạt vi nang đều gặp khó khăn khi sản xuất quy mô lớn(Poncelet, 1996)

2) Công nghệ bao vi nang

 Bao vi nang Probiotics nhằm bảo vệ hiệu quả các tế bào khỏi tác động của pH,

axit hữu cơ hoặc các hợp chất hòa tan khác như oxy có thể dễ dàng khuếch tán

trong môi trường rất ngậm nước Do đó, việc phát triển các công nghệ bao vi nang

tế bào bằng cách sử dụng các vật liệu bao hiệu quả, cấp thực phẩm và tiết kiệm chiphí là một ưu tiên thực sự để tổng quát hóa việc sử dụng các men vi sinh được baonang trong ngành công nghiệp thực phẩm

 Một số yếu tố phải được xem xét khi thiết kế bao vi nang để duy trì khả năng tồntại của Probiotic trong sản phẩm

 Đầu tiên, các hạt bột vi nang khô với kích thước hạt rất nhỏ, có đường kính trongkhoảng từ 5 đến 300 µm và được kiểm soát là mong muốn vì nhiều lý do, baogồm độ ổn định cao hơn, dễ dàng xử lý và bảo quản các chất nuôi cấy và hạn chếảnh hưởng đến các đặc tính cảm quan của sản phẩm cuối cùng, đặc biệt là kết cấusản phẩm

 Thứ hai, xem xét các yếu tố bất lợi gặp phải trong quá trình chế biến và bảo quản,việc phát triển các vi nang đa pha sử dụng vật liệu phủ có nhiều đặc tính chống

chịu dường như là con đường hứa hẹn nhất để đảm bảo hiệu quả của quy trình.Các đặc tính của vật liệu phủ bao gồm khả năng chống chịu với nhiệt độ và áp suấtcao, độ ẩm thấp và tính thấm oxy, độ hút ẩm thấp, khả năng hòa tan trong nướcthấp, khả năng chống lại độ pH thấp hoặc độ bền với dạ dày Trong số các vật liệu.

phủ cấp thực phẩm hiện có trên thị trường, polysaccarit và protein tạo thành màngthường có khả năng thấm ẩm, đặc biệt là ở các giá trị độ ẩm tương đối cao

3) Phương pháp được sử dụng để bao vi nang

 Lớp bao phải thể hiện các đặc tính ngăn cản khí và lipid tốt Các lớp bao dựa trênlipid thể hiện các đặc tính ngăn nước tuyệt vời, làm chậm sự di chuyển của khí vàtương đối ổn định với nhiệt Tuy nhiên, đặc tính cơ học của chúng thường yếu

 Cuối cùng, phương pháp được sử dụng để bao men vi sinh phải giúp cho một sốlượng lớn các vi khuẩn có thể sống và hoạt động chuyển hóa Vì vậy, việc sử dụng.

các mẫu cấy vi khuẩn ở dạng khô dễ xử lý hơn, ít bị tổn thương hơn và ít phản ứngvới môi trường của chúng hơn, có thể là một chiến lược đặc biệt phù hợp Trong

số nhiều kỹ thuật có thể được sử dụng để bao vi nang, công nghệ bao phun sấytầng sôi các hạt bột của vi sinh vật chắc chắn là công nghệ hứa hẹn nhất cho đến

nay.

III Cơ sở lý thuyết

1 Hiện tượng khuếch tán

 Hiện tượng khuếch tán là hiện tượng các chất tự hòa tan, lẫn vào nhau do sựchuyển động không ngừng của các phân tử Hiện tượng này xảy ra khi nhiệt độtăng cao Vì nhiệt độ càng cao thì các phân tử chuyển động càng nhanh, quá trìnhkhuếch tán diễn ra nhanh hơn

 Hiện tượng khuếch tán có thể xảy ra ngay cả khi nhiệt độ thường Chất lỏng vàchất khí trải qua sự khuếch tán khi các phân tử có thể di chuyển ngẫu nhiên

 x : tọa độ không gian theo một phương

 Ngoài ra còn trường hợp nếu trong quá trình khuếch tán có hạt xuất hiện hoặc bởicác quá trình khác:

 x : tọa độ không gian theo một phương

 σA : số hạt tạo ra trong một đơn vị thể tích trong một đơn vị thời gian

4 Quá trình khuếch tán trong công nghệ bao vi nang

 Chất lỏng bên ngoài môi trường thâm nhập dần vào lớp vỏ vi nang, hòa tan dầndược chất trong lõi Sau đó, nó đưa chất trong lõi vi nang rò rỉ dần ra ngoài quacác khe hở trong mạng lưới màng bao

 Chính vì thế, sự giải phóng hoạt chất trong vi nang phụ thuộc vào các yếu tố:

 Tốc độ chất lỏng hòa tan thâm nhập vào màng bao vi nang

 Tốc độ chất lỏng hòa tan dược chất trong lõi

 Tốc độ dược chất rò rỉ ra ngoài và phân tán khỏi bề mặt màng bao

 Sự giải phóng hoạt chất dựa trên phương trình Higuchi và phương trình này đượcxây dựng trên cơ sở phương trình khuếch tán và định luật Fick

 Phương trình Higuchi :

Q =√D

τ ⋅(2 A−ε⋅CS) CS.t

 Q: lượng hoạt chất giải phóng trên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc trong thờigian t

 D: Hệ số khuếch tán của chất tan trong dung dịch

 A: Tổng lượng hoạt chất trên 1 đơn vị thể tích

 CS: Độ hòa tan của dược chất trong dịch thẩm thấu

 ε: Độ xếp của thành vi nang.

 τ: Độ quanh co của hệ thống mao dẫn trong màng bao.

H2 LƯỢC ĐỒ MÔ HÌNH HIGUCHI

 Trong đó, tốc độ giải phóng chất tán là:

Cⅆt

ⅆ =D ⋅ A ⋅

(Cs−Ct)

x

 dC/dt là tốc độ hòa tan chất tan

 A là diện tích bề mặt hòa tan

 Cs, Ct lần lượt là nồng độ bão hòa chất tan và nồng độ chất tan tại thời điểm txác định

 D là hệ số khuếch tán

 x là chiều dày lớp khuếch tán

5 Tốc độ khuếch tán:

 Hệ số khuếch tán phân tử của chất thể hiện khả năng lây lan là một trong nhữngtính chất vật lý của vật chất Theo định luật Fick, hệ số khuếch tán theo hướng phổbiến trong các đơn vị thời gian trên một đơn vị điều kiện nồng độ cao, các đơn vịdiện tích khuếch tán thẳng đứng cho khối lượng của một chất hoặc nốt ruồi, nghĩa

là pháp luật Fick

 Có thể thấy cho dù là trường hợp nào thì phương trình khuếch tán cũng có ảnhhưởng bởi hằng số khuếch tán D Nồng độ hạt n khuếch tán theo thời gian sẽ tăngkhi hệ số khuếch tán D tăng

6 Phương trình Higuchi

H3 GIẢN ĐỒ HIGUCHI – SỰ PHÂN CHIA CÁC VÙNG GIẢ ĐỊNH

 Xét trong mô hình thuốc dang rắn được coi giải phóng theo từng lớp, khi lớp nàyhết lớp khác sẽ diễn ra sự hoà tan và khuếch tán => Phân ra các vùng giả định

 Độ hoà tan của thuốc : 0 < x < ε ( Hoà tan hoàn toàn )

 Dòng chất lòng thấm vào sự hoà tan thuốc : C = Cs

 Do sự chêch lệch gradient nồng độ, nồng độ chất tan Cs sẽ giảm cho đến khi C = 0tại liên kết khi 2 môi trường tiếp xúc

 Khi thể tích ε < x < L, lượng nước thấm vào là chưa đủ để hoà tan chất tan =>vẫn tồn tại các hạt chất rắn chưa bị phân rã

 Lúc này, dung dịch ở trạng thái bão hoà

 Khi x > L, chưa có nước thấm vào, chưa có sự hoà tan chất tan

 Bề mặt chung giữa vùng thuốc bị phân tán hoàn toàn và vùng chứa các phân tửthuốc bị hoà tan 1 phần di chuyển trong matrix theo thời gian

 Phân tích giản đồ, ta có:

 dQ : sự biến thiên nồng độ trong một đơn vị thể tích

 dx : sự biến thiên độ dày vùng dị thể các phân tử thuốc chưua bị hoà tanhoàn toàn

 Dm : hệ số khuếch tán của chất tan được xét

1) Nguyên lý công nghệ bao vi nang bằng Higuchi

 Mô hình phương trình Higuchi đặc biệt được áp dụng vào hệ thống bão hoà va đưa

ra, đề xuất cho các loại hình dạng và hình học khác, chẳng hạn: hình cầu

 Phương trình Higuchi được điều chỉnh để phù hợp cho các hệ thống xốp giúp giảiphóng chất tạo ra các màng bọc cho viên vi nang siêu nhỏ

 Phương trình Higuchi được điều chỉnh và đưa vào sử dụng trong nguyên lý côngnghệ bao vi nang:

Q =√D

τ ⋅(2 A−ε⋅CS) CS.t

❑

2) Điều kiện để sử dụng, hình thành phương trình Higuchi

 Nồng độ thuốc trong mỗi đơn vi thể tích matrix phải lớn hơn đáng kể so với nồng

độ thuốc bão hoà

 Môi trường lỏng mà thuốc khuếch tán vào được coi như tại đó nồng độ thuốckhông đáng kể

 Các hạt thuốc được coi như là nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách khuếch tán

 Hằng số khuếch tán của chất tan được coi như cố định

 Không có tương tác đáng kể nào giữa thuốc và matrix

IV Phương pháp mô phỏng và thí nghiệm

 Với mục đích tăng Q – lượng hoạt chất giải phóng trên một đơn vị diện tích bề mặttiếp xúc trong thời gian t để có thể giải phóng một cách hiệu quả và tạo lớp vỏ bảo

vệ sự tồn tại của men vi sinh một cách tốt hơn

 Tăng tốc độ giải phóng chất tán

 Tăng D – hệ số khuếch tán

 Cần thay đổi tộc độ khuếch tán

 Phương pháp thay đổi tốc độ khuếch tán dựa trên phương trình trên cơ sở lýthuyết bao gồm :

 Độ chênh lệch về nồng độ giữa hai ngăn càng lớn thì tốc độ khuếch tán thựccàng lớn

 Giảm áp suất p

 Phân tử A càng nhỏ, chuyển động phân tử càng nhanh, tốc độ khuếch tán thựccàng lớn

 Giảm trọng lượng của hạt

 Nhiệt độ càng cao, tốc độ chuyển động của các phân tử càng lớn, tốc độkhuếch tán thực càng lớn

 Tăng nhiệt độ nhiệt động học

 Xét thí nghiệm : Cho chất A vào bình, ngăn bình làm đôi bởi một tấm kim loại có

đục những lỗ nhỏ và cho chất A vào một ngăn, giả sử bên trái Lúc này quan sát tạimặt cắt giữa hai ngăn, tức là vị trí tấm kim loại Một thời gian sau, các phân tử Abắt đầu di chuyển sang ngăn bên phải, qua các lỗ Số lượng các phân tử A từ ngăntrái sang phải ngày càng tăng

 Chiều khuếch tán của các phân tử A theo hướng từ trái sang phải

1 Tăng T

 Thí nghiệm về tốc độ khuếch tán khi tăng T – nhiệt độ hat : Xét 2 bình như nhauđựng lượng nước giống nhau ở cùng một môi trường Thả 1 giọt màu vào bìnhkhông đun sôi và 1 giọt vào bình đang được đun sôi Quan sát sự khuếch tán khităng nhiệt độ

1) Bình không đun sôi

Trước khi thả giọt màu Sau 5s thả giọt màu

2) Bình đun sôi

Trước khi thả giọt màu Sau 5s thả giọt màu

(Graba, 2021)

 Kết luận: Khi tăng nhiệt độ nhiệt động học chất lên thì cá hạt phân tử chuyển

động nhanh hơn làm tốc độ khuếch tán trở tăng

2 Giảm áp suất p ( Tạo sự chênh lệch nồng độ )

 Giảm áp suất là giảm số lượng phân tử khí trong một thể tích nhất định

 Điều này có nghĩa là giờ đây có nhiều không gian hơn cho các phân tử khí dichuyển tự do và va chạm của chúng ít thường xuyên hơn Hệ quả là khoảng cáchtrung bình mà mỗi phân tử di chuyển giữa các lần va trạm tăng lên Điều này dẫnđến sự gia tăng tốc độ của các phân tử riêng lẻ, do đó làm tăng tốc độ khuếch tán

 Thí nghiệm : Cho chất A vào cả hai ngăn với khối lượng khác nhau Tạo ra nồng

độ ban đầu khác nhau của chất A giữa hai ngăn Tại mặt cắt giữa hai ngăn, nhậnthấy: trong một đơn vị thời gian, số lượng các phân tử A từ ngăn có nồng độ caosang ngăn có nồng độ thấp lớn hơn số lượng các phân tử A từ ngăn có nồng độthấp sang ngăn có nồng độ cao

 Tốc độ khuếch tán thực sẽ có hướng từ ngăn có nồng độ ban đầu cao sang ngăn cónồng độ thấp

 Độ lớn của tốc độ khuếch tán thực tỉ lệ thuận với độ chênh lệch nồng độ ban đầugiữa hai ngăn

Tốc độ khuếch tán thức: Hình a- nồng độ dung dịch trong ngăn 1 bằng ngăn 2(1M) Trong một đơn vị thời gian, số lượng các phân tử từ ngăn 1 sang ngăn 2bằng số lượng các phân tử từ ngăn 2 sang ngăn 1 Tốc độ khuếch tán thực bằngzero Hình b- nồng độ dung dịch trong ngăn 1 (2M) lớm hơn nồng độ dung dịchtrong ngăn 2 (1M) Trong một đơn vị thời gian, số lượng các phân tử từ ngăn 1sang ngăn 2 lớn hơn số lượng các phân tử từ ngăn 2 sang ngăn 1 Tốc độ khuếchtán thực hướng từ ngăn 1 sang ngăn 2.

 Kết luận: Tại trạng thái cân bằng, nồng độ các phân tử chất A trong hai ngăn bằng

nhau, tốc độ khuếch tán thực bằng không, nghĩa là trong một đơn vị thời gian, số