tiểu luận công nghệ bao vi nang trong men vi sinh

Quá trình khuếch tán trong công nghệ bao vi nang132 Điều kiện để sử dụng, hình thành phương trình Higuchi 173 Tăng các lớp của phương trình Higuchi Làm dày thành vi nang 184 Mô hình động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ -     -

Tiểu luận : Công nghệ bao vi nang trong men vi sinh

Sinh viên thực hiện: Hồ Ngọc Cường

MỤC LỤC

4 Quá trình khuếch tán trong công nghệ bao vi nang 13

2) Điều kiện để sử dụng, hình thành phương trình Higuchi 173) Tăng các lớp của phương trình Higuchi (Làm dày thành vi nang) 184) Mô hình động hoá lý thuyết quá trình giải phóng dược chất 2 lớp 19

1) Đặt vấn đề 26

4) Phương pháp thí nghiệm ( Dựa trên số liệu đã được chứng minh ) 28

2) Khảo sát mô hình giải phóng qua viên 1 lớp bằng phương trình Higuchi 313) Khảo sát đặc điểm giải phóng của viên cốt trơ 2 lớp 33

I Mục đích thí nghiệm

 Tăng tốc độ khuếch tán nhằm mục đích cải thiện sự tồn tại của men vi sinh trong quá 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, tế bào (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 phóng khỏi 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 hủy sinh 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 phương tiện 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 hoạt phản ứng trùng hợp trong tác nhân đã chọn được nhúng trong một ma trận hỗn hợp Sự vỡ của bất kỳ viên nang siêu nhỏ nào do một vết nứt tiếp cận sẽ giải phóng chất chữa lành vào mặt phẳng vết nứt bằng tác động mao dẫn Khi chất chữa lành được giải phóng tiếp xúc với chất xúc tác, quá trình polyme hóa thu được 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 Giải phóng 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 phóng vật liệu lõi có kiểm soát khuếch tán Trong lĩnh vực hóa chất nông nghiệp, phân bón 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 một nhiệm vụ rất phức tạp Tùy thuộc vào cấu trúc viên nang, các cơ chế kích hoạt khác nhau (các yếu tố kích thích) như nhiệt độ, tia UV, hoạt động của enzym hoặc thay 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 trường hợp 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 dụng công 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 có đường 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 và ngay lập tức giải phóng hương thơm Quá trình này tự lặp lại và tạo ra một mùi hương tươi mát lâu dài

2 Men vi sinh Probiotics

1) Giới thiệu

Probiotics thường được định nghĩa là các chủng vi khuẩn sống khi được uống đủ

lượng sẽ mang lại lợi ích sức khỏe cho người dùng Nói một cách dễ hiểu, men vi sinh là những vi khuẩn tốt, giúp hệ tiêu hóa dễ tiêu thụ thức ăn, duy trì sức khỏe và chống lại bệnh tật

Trong thực tế, không ít người tìm cách sử dụng men vi sinh vì lợi ích sức khỏe chung chung trong khi đây cũng là một cách thức trị liệu của bác sĩ dành cho các bệnh lý rối loạn tiêu hóa, tăng cường chức năng đường ruột Hơn nữa, ngay cả những người khỏe mạnh cũng có thể nhận được những lợi ích từ men vi sinh, giảm

tần suất xảy ra những khó chịu trên đường tiêu hóa như đầy hơi, co thắt, tiêu chảy và táo bón.

Các nhà khoa học luôn tìm tòi, khám phá thêm nhiều chế phẩm sinh học mới đóng vai trò làm men vi sinh để phù hợp với nhiều đối tượng khác nhau Tuy nhiên, hai nhóm vi khuẩn phổ biến nhất thường được sử dụng để sản xuất men vi sinh cho người là Lactobacillus và Bifidobacterium Ngoài ra, nấm men, Saccharomyces boulardii và một số chủng E coli cũng đang là các “ứng cử viên” tiềm năng được sử dụng làm men vi sinh

Các chủng vi khuẩn trên được làm bất hoạt, đông khô và bào chế dưới dạng viên nang, viên nén, bột hoặc hỗn dịch uống Khi vào trong cơ thể, các vi khuẩn sẽ trở thành dạng hoạt động Tuy nhiên, probiotic luôn có sẵn trong chế độ ăn uống đầy đủhàng ngày như trong một số thực phẩm bao gồm sữa chua hay các sản phẩm lên men Mặc dù vậy, một lợi thế của việc bổ sung probiotics tổng hợp là đạt được nồng độ cao, đã được pha chế đúng cách, dễ bảo quản và có thời hạn sử dụng lâu hơn so với chế phẩm sinh học tự nhiên Trái lại, nguồn probiotic từ thực phẩm thường được xác định là an toàn, không phải là thuốc, phù hợp cho sức khỏe tự nhiên hơn và có thể dùng không cần chỉ dẫn đặc biệt của bác sĩ cũng như tránh được các tác dụng phụ không mong muốn

2) Cơ chế hoạt động trong hệ tiêu hoá

Probiotic hoạt động trong hệ tiêu hóa chủ yếu bằng cách tăng cường sức khỏe của hệ thống miễn dịch và đường ruột của cơ thể, trấn áp các vi khuẩn có hại có thể gây bệnh cũng như nuôi cấy lại môi trường lợi khuẩn

 Điều trị triệu chứng táo bón và đầy hơi trong ổ bụng

 Cải thiện các triệu chứng của hội chứng ruột kích thích

 Ngăn ngừa và điều trị viêm đại tràng mãn tính, viêm túi thừa

 Tăng sức đề kháng, cải thiện triệu chứng đau bụng ở trẻ bú mẹ hoàn toàn

 Ngăn chặn các vi khuẩn gây hại phát triển và tăng sinh lên trong đườngruột, bám vào niêm mạc ruột và gây bệnh

 Ngăn chặn sự hấp thu độc tố của các vi khuẩn gây bệnh bằng cách cải thiện sức khỏe của hàng rào niêm mạc ruột để chống lại nhiễm trùng

 Tăng cường khả năng của hệ thống miễn dịch trong đường ruột và trong toàn cơ thể nói chung, sẵn sàng chống lại bất kỳ sự xâm nhập của vi khuẩn gây bệnh có thể xảy ra bất kỳ lúc nào

3) 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 của Probiotic 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 trong quá trình khai thác chúng.

Tuy nhiên, hiệu quả có thể khác nhau tùy thuộc vào phương pháp được sử dụng và môi trường nuôi cấy được xem xét Trong hầu hết các trường hợp, việc bao vi nang Probiotics

bằng cách sử dụng các chất tạo màng sinh học tự nhiên như canxi alginate, protein, polisaccarit tự nhiên và biến đổi, lipit và polyme tổng hợp đã được 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 nghệ được phát triển để sản xuất hạt vi nang đều gặp khó khăn khi sản xuất quy mô lớn (Poncelet, 1996).

Công nghệ bao vi nang men vi sinh Probiotics

Nguyên lý

Công nghệ bao vi nang trong men vi sinh là một quá trình quan trọng trong việc bảo vệ và cải thiện hiệu suất của các loại vi khuẩn hoặc men vi sinh khi sử dụng chúng trong các ứng dụng công nghiệp, nông nghiệp, y học và môi trường Nguyên tắc cơ bản của công nghệ bao vi nang trong men vi sinh dựa vào việc bao bọc các vi khuẩn hoặc men trong lớp vỏ bảo vệ, giúp bảo vệ chúng khỏi tác động bên ngoài, duy trì sự sống và tăng khả năng thích nghi trong môi trường ứng dụng.

Cơ chế

1 Bảo vệ khỏi điều kiện môi trường bên ngoài: Lớp vỏ bảo vệ ngăn

chặn tác động của các yếu tố môi trường như ánh sáng, nhiệt độ cao hoặc thấp, pH thay đổi, và các tác nhân hóa học Điều này giúp bảo vệ

vi khuẩn hoặc men vi sinh khỏi bị tổn thương hoặc mất khả năng hoạt động khi ở trong môi trường khắc nghiệt

2 Kiểm soát tốc độ phát hành: Lớp vỏ bảo vệ có thể điều chỉnh tốc độ

phát hành các chất hoạt động của vi khuẩn hoặc men vi sinh Điều này

có thể cải thiện hiệu suất và độ ổn định của quá trình phản ứng hoặc ứng dụng mà chúng tham gia

3 Cải thiện sự sống và thích nghi trong môi trường khắc nghiệt:

Lớp vỏ bảo vệ cung cấp một môi trường ổn định hơn cho vi khuẩn hoặcmen vi sinh, giúp chúng tồn tại và hoạt động tốt hơn trong môi trường

có biến đổi

4 Kiểm soát tác động đến môi trường và người dùng: Công nghệ

bao vi nang có thể giảm tác động của vi khuẩn hoặc men vi sinh đối với môi trường xung quanh và người dùng cuối Ví dụ, trong ứng dụng

dược phẩm, lớp vỏ bảo vệ có thể giúp kiểm soát tốc độ phát hành thuốc, giảm tác động phụ không mong muốn đối với cơ thể người dùng.

5 Tối ưu hóa hiệu suất ứng dụng: Lớp vỏ bảo vệ có thể được thiết kế

để tối ưu hóa hiệu suất của vi khuẩn hoặc men vi sinh trong các ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như trong sản xuất thực phẩm, xử lý nước thải,sản xuất dược phẩm, hay phân giải chất ô nhiễm

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 trên lipid thể hiện các đặc tính ngăn nước tuyệt vời, làm chậm sự di chuyển của khí và tương 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 số lượng 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 ứng với 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 sấy tầng sôi các hạt bột của vi sinh vật chắc chắn là công nghệ hứa hẹn nhất cho đến nay.

phun phủ, lớp vỏ tự tạo ra thông qua việc sử dụng chất phản ứng, hoặc sử dụng các phương pháp vật lý như lắng đọng hoặc phun sương Quá trình này giúp tạo

ra lớp vỏ bảo vệ với các đặc tính vật lý và hóa học phù hợp để duy trì tính ổn định và hiệu suất của vi khuẩn hoặc men trong các ứng dụng cụ thể.

Công nghệ bao vi nang trong men vi sinh thường dựa trên các công thức vật

lý và hóa học để tạo ra lớp vỏ bảo vệ cho vi khuẩn hoặc men vi sinh Công thức cụ thể phụ thuộc vào loại men vi sinh và mục tiêu ứng dụng Dưới đây làmột số phương pháp thông dụng được sử dụng trong công nghệ này:

1 Phun phủ polimer hoặc chất vỏ tự tạo: Một trong những phương

pháp phổ biến là sử dụng polimer để phun phủ lên bề mặt của men vi sinh Polimer tạo thành một lớp vỏ bảo vệ bên ngoài, bảo vệ men khỏi tác động của môi trường Công thức vật lý này liên quan đến việc chọn chất polimer phù hợp, điều chỉnh tỷ lệ pha trộn và điều kiện phun phủ

2 Microencapsulation (vi bao tế bào nhỏ): Công nghệ này tạo ra các

vi bao tế bào nhỏ bằng cách sử dụng các phương pháp như phun phủ hoặc kỹ thuật chất tạo màng Lớp vỏ nhỏ bảo vệ vi khuẩn hoặc men bên trong, tạo ra một phần vỏ bảo vệ bảo quản chúng khỏi môi trường bên ngoài

3 Nanocapsules (vi bao tế bào siêu nhỏ): Sự phát triển của

nanotechnologie đã cho phép tạo ra các vi bao tế bào siêu nhỏ có khả năng bảo vệ và tương tác tốt hơn với môi trường Các nanocapsules

bảo vệ men vi sinh và có thể kiểm soát tốc độ phát hành hoặc tương tác với môi trường xung quanh.

4 Lớp vỏ phản ứng tạo màng: Công nghệ này dựa trên việc tạo màng

bảo vệ bằng cách sử dụng các phản ứng hóa học Các lớp vỏ được tạo thành từ phản ứng tạo màng trên bề mặt men hoặc vi khuẩn

5 Kỹ thuật đóng băng hoặc sấy lạnh: Công nghệ này sử dụng kỹ

thuật đóng băng hoặc sấy lạnh để bao phủ vi khuẩn hoặc men trong một lớp vỏ bảo vệ Quá trình này giúp bảo vệ chúng khỏi tác động của nhiệt độ cao trong quá trình sản xuất

Các phương pháp này dựa trên nguyên lý của hóa học, vật lý và công nghệ tiên tiến để tạo ra lớp vỏ bảo vệ cho men vi sinh, giúp tăng khả năng tồn tại

và hiệu suất trong các ứng dụng cụ thể

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 sự chuyển động không ngừng của các phân tử Hiện tượng này xảy ra khi nhiệt độ tăng cao Vì nhiệt độ càng cao thì các phân tử chuyển động càng nhanh, quá trình khuếch tán diễn ra nhanh hơn

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

 t : thời gian

3 Phương trình khuếch tán

 Dựa theo định luật Fick và giả sử rằng D là một hằng số, phương trình khuếch tán một chiều trong trường hợp đơn giản nhất (nếu chỉ có khuếch tán không có hiện tượng khác):

 n : nồng độ hạt theo thể tích

 D : hệ số khuếch tán

 t : thời gian

 x : tọa độ không gian theo một phương

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

 n : nồng độ hạt theo thể tích

 D : hệ số khuếch tán

 t : thời gian

 x : tọa độ không gian theo một phương

 : 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 dần dược chất trong lõi Sau đó, nó đưa chất trong lõi vi nang rò rỉ dần ra ngoài qua các 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 được xây dựng trên cơ sở phương trình khuếch tán và định luật Fick

 Phương trình Higuchi :

M =

 M: 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

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

 : Độ xếp của thành vi nang.

 : 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:

 dC/dt là tốc độ hòa tan chất tan

 A là diện tích bề mặt hòa tan

 Cs, C lần lượt là nồng độ bão hòa chất tan và nồng độ chất tan tại thời điểm t t

xác định

D là hệ số khuếch tán.

 x là chiều dày lớp khuếch tán

5 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 này hết lớp khác sẽ diễn ra sự hoà tan và khuếch tán => Phân ra các vùng giả định

 Độ hoà tan của vi nang : 0 < x < ( Hoà tan hoàn toàn )

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

 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 < 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 vi nang bị phân tán hoàn toàn và vùng chứa các phân tử

vi nang bị hoà tan 1 phần di chuyển trong matrix theo thời gian

 Phân tích giản đồ, ta có:

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

 dx : sự biến thiên độ dày vùng dị thể các phân tử vi nang chưua bị hoà tan hoàn toàn

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

 Theo định luật Fick I cho sự khuêch tán các chất tan ta lại có

 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 giải phóng 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 công nghệ bao vi nang:

Q =

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

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

 Môi trường lỏng mà vi nang khuếch tán vào được coi như tại đó nồng độ vi nangkhông đáng kể

 Các hạt vi nang 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 vi nang và matrix