Nghiên cứu điều chế cellulose vi tinh thể từ nguồn dư phẩm sau thu hoạch của cây ngô bằng phương pháp sử dụng chất lỏng ion (IL)

BỘ Y TẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI NGUYỄN BẢO LỘC NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CELLULOSE VI TINH THỂ TỪ NGUỒN DƯ PHẨM SAU THU HOẠCH CỦA CÂY NGÔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CHẤT LỎNG ION (IL) KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ HÀ NỘI - 2018 BỘ Y TẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI NGUYỄN BẢO LỘC Mã sinh viên: 1301257 NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CELLULOSE VI TINH THỂ TỪ NGUỒN DƯ PHẨM SAU THU HOẠCH CỦA CÂY NGÔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CHẤT LỎNG ION (IL) KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DƯỢC SĨ Người hướng dẫn: PGS TS Đinh Thị Thanh Hải ThS Đồn Minh Sang Nơi thực hiện: Bộ mơn Hóa Hữu HÀ NỘI 2018 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, cho phép tơi bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới PGS.TS Đinh Thị Thanh Hải - Trưởng mơn Hóa Hữu - Trường đại học Dược Hà Nội, ThS Đồn Minh Sang - Phòng Quản lý sinh viên – Trường Đại học Dược Hà Nội người trực tiếp tận tình hướng dẫn, bảo, giúp đỡ tạo điều kiện tối đa để tơi hồn thiện khóa luận tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, kỹ thuật viên mơn Hóa Hữu - Trường Đại học Dược Hà Nội tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện tốt sở vật chất, để tơi hồn thành khóa luận Tơi xin chân thành cảm ơn Ths Nguyễn Thị Hiền thầy cô giáo, kỹ thuật viên môn Y học sở - Trường Đại học Dược Hà Nội giúp đỡ tơi chụp ảnh kích thước hạt MCC điều chế kính hiển vi quang học Tơi xin chân thành cảm ơn cán phòng Hiển vi điện tử, Viện Vệ sinh dịch tễ trung ương, TS Vũ Bích Ngọc, mơn Hóa Vơ cơ, TS Mạc Đình Hùng phòng Thí nghiệm Hóa Dược - Khoa Hóa, Trường Đại học KHTN, Đại học Quốc Gia Hà Nội giúp đỡ chụp ảnh SEM MCC, ghi phổ IR, phổ cộng hưởng từ proton 1HNMR chất lỏng ion MCC Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè người thân ln u thương, động viên, khích lệ, chia sẻ với tơi lúc khó khăn sống trình nghiên cứu thực khóa luận Tơi xin chân thành cảm ơn Hà Nội, tháng năm 2018 Sinh viên Nguyễn Bảo Lộc MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ ĐẶT VẤN ĐỀ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ CELLULOSE VÀ CELLULOSE VI TINH THỂ (MCC) 1.1.1 Tổng quan cellulose 1.1.2 Tổng quan cellulose vi tinh thể 1.1.2.1 Đặc điểm cấu trúc phân loại 1.1.2.2 Ứng dụng 1.2 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG ION 1.2.1 Khái niệm phân loại 1.2.1.1 Khái niệm 1.2.1.2 Phân loại 1.2.2 Tổng hợp chất lỏng ion 1.2.2.1 Phản ứng trao đổi 1.2.2.2 Tổng hợp không halogen 1.2.2.3 Tổng hợp chất lỏng ion protic 10 1.2.2.4 Các phương pháp tổng hợp chất lỏng ion đặc biệt 10 1.2.3 Ứng dụng chất lỏng ion 11 1.2.3.1 Chất lỏng ion xúc tác acid 11 1.2.3.2 Chất lỏng ion xúc tác base 12 1.2.3.3 Chất lỏng ion xúc tác hữu 12 1.3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ MCC TỪ NGUYÊN LIỆU LÁ NGÔ 13 1.3.1 Đặc điểm thành phần cấu tạo ngô 13 1.3.2 Phương pháp xử lý nguyên liệu ngô sử dụng chất lỏng ion 15 1.3.2.1 Các phương pháp xử lý bước đầu nguyên liệu sinh khối 15 1.3.2.2 Xử lý bước đầu sinh khối chất lỏng ion 17 1.3.3 Phương pháp thủy phân cellulose điều chế MCC 19 CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU, THIẾT BỊ, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 2.1 NGUYÊN LIỆU VÀ HÓA CHẤT THỰC NGHIỆM 20 2.2 DỤNG CỤ 20 2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 21 2.3.1 Điều chế số chất lỏng ion 21 2.3.2 Tách cellulose từ ngô sử dụng chất lỏng ion 21 2.3.3 Điều chế MCC sử dụng chất lỏng ion 21 2.3.4 Kiểm tra chất lượng MCC điều chế 21 2.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21 2.4.1 Điều chế chất lỏng ion 21 2.4.1.1 Phương pháp điều chế chất lỏng ion 21 2.4.1.2 Phương pháp xác định cấu trúc chất lỏng ion phổ 1H-NMR 22 2.4.2 Phương pháp điều chế MCC từ ngô 22 2.4.2.1 Phương pháp tách cellulose từ ngô sử dụng chất lỏng ion 22 2.4.2.2 Phương pháp tẩy trắng cellulose thô 23 2.4.2.3 Phương pháp điều chế MCC sử dụng chất lỏng ion 24 2.4.2.4 Phương pháp thu hổi chất lỏng ion 24 2.4.3 Kiểm tra chất lượng MCC điều chế 25 2.4.3.1 Phương pháp sử dụng phổ hồng ngoại 25 2.4.3.2 Phương pháp kiểm tra cấu trúc MCC điều chế kỹ thuật chụp SEM 25 2.4.3.3 Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi quang học 25 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM, KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 27 3.1 ĐIỀU CHẾ MCC TỪ LÁ NGÔ 27 3.1.1 Điều chế chất lỏng ion 27 3.1.1.1 Điều chế chất lỏng ion [(Et2EtOH)NH] +[HSO4]- từ diethylethanolamin acid sulfuric 27 3.1.1.2 Điều chế chất lỏng ion [(EtOH)2NH2]+[HSO4] - từ diethanolamin acid sulfuric 28 3.1.2 Tách cellulose từ ngô sử dụng chất lỏng ion 29 3.1.2.1 Khảo sát lựa chọn tỷ lệ chất lỏng ion phù hợp để xử lý bước đầu sinh khối 29 3.1.2.2 Khảo sát tỷ lệ phản dung mơi thích hợp để tách cellulose 29 3.1.2.3 Xử lý bước đầu ngô sử dụng chất lỏng ion dựa khảo sát thực 30 3.1.3 Tẩy trắng cellulose thô 31 3.1.4 Điều chế MCC sử dụng chất lỏng ion 31 3.1.4.1 Điều chế MCC sử dụng chất lỏng ion [(Et2EtOH)NH]+[HSO4]- 31 3.1.4.2 Điều chế MCC sử dụng chất lỏng ion [(EtOH)2NH2] +[HSO4]- 32 3.1.5 Kết thu hồi tái sử dụng chất lỏng ion 33 3.2 KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG MCC ĐIỀU CHẾ ĐƯỢC 33 3.2.1 Kiểm tra chất lượng MCC điều chế đươc phổ hồng ngoại 33 3.2.2 Kiểm tra sơ kích thước hạt MCC điều chế kính hiển vi quang học 34 3.2.3 Kiểm tra cấu trúc MCC điều chế kỹ thuật chụp SEM 35 3.3 BÀN LUẬN 39 3.3.1 Bàn luận tổng hơp chất lỏng ion 39 3.3.1.1 Về lựa chọn cation anion 39 3.3.1.2 Về tổng hợp hóa học 40 3.3.1.3 Về phổ 1H-NMR chất lỏng ion tổng hợp 40 3.3.2 Bàn luận kết điều chế mcc sử dụng chất lỏng ion 42 3.3.2.1 Về trình tách cellulose khỏi sinh khối ngơ 42 3.3.2.2 Về hiệu suất trình thủy phân cellulose thô điều chế MCC sử dụng chất lỏng ion 43 3.3.3 Bàn luận biện giải phổ IR ứng dụng 44 3.3.3.1 Về phổ IR mẫu MCC điều chế 44 3.3.3.2 Về ứng dụng phổ IR 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC 62 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AFEX: Ammonia fiber explosion [Bmim][PF4]: 1-Butyl-3-methylimidazolin tetraflourophosphat [Bmim][PF6]: 1-Butyl-3-methylimidazolin hexaflourophosphat [C1Him]Cl: 1-Methylimidazolin clorid 13 Nuclear magnetic resonance of 13C spectroscopy (Phổ C-NMR: cộng hưởng từ hạt nhân 13C) DP: Degree of polymerization (Độ polyme) [Emim][OH]: 1-Ethyl-3-methylimidazolin hydroxid [Emim]Ac, [Emim][CH3COO-]: 1-Ethyl-3-methylimidazolin acetat [(Et2EtOH)NH]+[HSO4]-: N,N-diethylethanolamoni hydrosufat [Et4N]Br: Tetraethylamoni bromid [(EtOH)2NH2]+[HSO4]-: Diethanolamoni hydrosulfat EtOH: Ethanol HMF: 5-(Hydroxymethyl)fufural Nuclear magnetic resonance of 1H spectroscopy (Phổ H-NMR: cộng hưởng từ hạt nhân 1H) IR: Infrared spectroscopy (Phổ hồng ngoại) LODP: Level-off Degree of polymerization (Độ polyme ổn định) MCC: Microcystalline cellulose (Cellulose vi tinh thể) MeOH: Methanol NHC: N-Heterocyclic carben SEM: Scanning electron microscope (Kính hiển vi điện tử quét) XRD: X-ray difraction (Nhiễu xạ tia X) DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc cellobiose Hình 1.2 Liên kết hydro nội phân tử liên phân tử cellulose Hình 1.3 Phân loại chất lỏng ion Hình 1.4 Một số phương pháp tổng hợp chất lỏng ion Hình 1.5 Cấu trúc ban đầu cấu trúc vòng thơm tiểu đơn vị lignin 13 Hình 1.6 Một phần phân tử lignin tự nhiên với cầu nối C-C C-O 14 Hình 3.1 Hình ảnh MCC chụp kính hiển vi quang học 10x 35 Hình 3.2 Ảnh SEM MCC PH101 36 Hình 3.3 Ảnh SEM MCC PH102 36 Hình 3.4 Ảnh SEM MCC PH112 37 Hình 3.5 Ảnh SEM MCC điều chế [(Et2EtOH)NH]+[HSO4]- 37 Hình 3.6 Ảnh SEM MCC điều chế [(EtOH)2NH2]+[HSO4]- 38 Hình 3.7 Ảnh SEM bột cellulose thô 38 Hình 3.8 Cách vẽ đường sở để tính độ kết tinh MCC 45 Hình 3.9 Phổ IR MCC sử dụng HCl thủy phân cellulose thô tách từ sinh khối [(EtOH)2NH2]+[HSO4]- 48 Hình 3.10 Phổ IR MCC sử dụng [(EtOH)2NH2]+[HSO4]- thủy phân từ cellulose thô tách từ sinh khối [(EtOH)2NH2]+[HSO4]- 48 Hình 3.11 Phổ IR hỗn hợp gồm: cellulose, lignin, hemicellulose tách từ sinh khối [(EtOH)2NH2]+[HSO4]- 49 Hình 3.12 Ảnh chụp trình xử lý bước đầu sinh khối sử dụng chất lỏng ion [Emim][CH3COO-] kính hiển vi đồng tụ 50 Hình 3.13 Ảnh cellulose tái kết tinh thêm phản dung môi nước vào dung dịch sinh khối chất lỏng ion [Emim][CH3COO-] 51 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Hóa chất sử dụng nghiên cứu 20 Bảng 3.1 Bảng kết khảo sát tỷ lệ chất lỏng ion phù hợp sử dụng để xử lý bước đầu ngô 29 Bảng 3.2 Bảng kết khảo sát tỷ lệ dung môi phù hợp để kết tủa cellulose 30 Bảng 3.3 Kết tách cellulose từ nguyên liệu ngô với chất lỏng ion khác 31 Bảng 3.4 Kết phân tích phổ IR mẫu MCC 33 Bảng 3.5 Giá trị độ kết tinh mẫu MCC điều chế MCC thương phẩm 34 Bảng 3.6 Biện giải phổ IR MCC điều chế 44 Bảng 3.7 Một số dải hấp thụ đặc trưng sử dụng để nhận biết có mặt lignin hỗn hợp với cellulose 46 DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ Sơ đồ 1.1 Sự chuyển đổi dạng thù hình cellulose Sơ đồ 1.2 Phương pháp tổng hợp chất lỏng ion phản ứng trao đổi Sơ đồ 1.3 Phương pháp tổng hợp số chất lỏng ion thông qua trung gian NHC 10 Sơ đồ 1.4 Phương pháp tổng hợp chất lỏng ion theo chức 10 Sơ đồ 2.1 Quy trình điều chế MCC sử dụng chất lỏng ion tái thu hồi dung môi 25 Sơ đồ 3.1 Sơ đồ tổng hợp chất lỏng ion [(Et2EtOH)NH]+[HSO4]- 27 Sơ đồ 3.1 Sơ đồ tổng hợp chất lỏng ion [(EtOH)2NH2]+[HSO4]- 28 63 Sunkyu P., John O B., Michael E H., Philip A P., David K J., (2010), “Cellulose crystallinity index: measurement techniques and their impact on interpreting cellulase performance”, Biotechnology for Biofuel 64 Surached E.; Nattaporn T., (2015), “Preparation of microcrystalline cellulose from dissolving cellulose by cryo-crushing and aicd hydrolysis”, International Conferencen on Science and Technology, pp.188-190 65 Suzuki T., Nakagami H., (1999), “Effect of crystallinity of microcrystalline cellulose onvthe compactability and dissolution of tablets”, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, vol 47, pp.225–230 66 Tengborg C., Stenberg K., Galbe M et al., (1998), “Comparison of SO2 and H2SO4 impregnation of softwood prior to steam pretreatment on ethanol production”, Applied Biochemistry and Biotechnology, Part A, vol 70–72, pp 3–15 67 Thomas B., Robin N P., (2002), “Routes to fluorinated organic derivatives by nickel mediated C-F activation of heteroaromatics”, Chemical Communications, vol 2002, no 23, pp.2749-2757 68 Tom W., Jason P H., (2010), “Room-Temperature Ionic Liquids: Solvents for Synthesis and Catalysis 2”, Chemical Review, vol 111, pp 3508-3576 69 Viola E., Cardinale M., Santarcangelo R., Villone A., Zimbardi F., (2008), “Ethanol from eel grass via steam explosion and enzymatic hydrolysis”, Biomass and Bioenergy, vol 32, no 7, pp 613–618 70 Walden P., (1914), “Ueber die Molekulargrosse und elektrische ă Leitfahigkeit einiger geschmolzenen Salze, Bulletin de l’Academie Imp ´ eriale des Sciences de St.P ´ etersbourg, vol 8, no.6, pp 405–422 71 Wang Z M., Li L., Xiao K J., Wu J Y., (2009), “Homogeneous sulfation of bagasse cellulose in an ionic liquid and anticoagulation activity”, Bioresource Technology, vol 100, no 4, pp.1687–1690 72 Wilkes J S., (2002), “A short history of ionic liquids - From molten salts to neoteric solvents”, Green Chemistry, vol 4, no 2, pp.73–80 73 Winkel A., Reddy P V G., Wilhelm R., (2008), “Recent Advances in the Synthesis and Application of Chiral Ionic Liquids” Synthesis 2008, pp.999-1016 74 Wout B., John R., Marie B., (2003), “Lignin biosynthesis”, Annual Review of Plant Biology, vol 54, no 1, pp.519-546 60 75 Wunpen C., Fataa K., (2015), “Preparation and Characterization of Microcrystalline Cellulose (MCC) by Acid Hydrolysis Using Microwave Assisted Method from Cotton Wool”, Macromolecular Symposia, Vol 354, No 1, pp 35-41 76 Wyman C E., Dale B E., Elander R T et al., (2009), “Comparative sugar recovery and fermentation data following pretreatment of poplar wood by leading technologies”, Biotechnology Progress, vol 25, no 2, pp.333–339 77 Xu D Z., Liu Y., Shi S., Wang Y., (2010), “Chiral quaternary alkylammonium ionic liquid [Pro-dabco][BF4]: as recyclable and highly efcient organocatalyst for asymmetric Michael addition reactions”, Tetrahedron Asymmetry, vol 21, no 20, pp 2530–2534 78 Xuesen F., Xueyuan H., Xinying Z.,Jianji W., (2004), “Ionic liquid promoted knoevenagel and michael reactions”, Australian Journal of Chemistry, vol 57, no 11, pp.1067-1071 79 Yu F L., ZhangR L., Xie C X., YuS T., (2010), “Synthesis of thermoregulated phase-separable triazolium ionic liquids catalysts and application for Stetter reaction,” Tetrahedron, vol.66, no 47, pp 9145–9150 80 Zavrel M., Bross D., Funke M., Buchs J., Spiess A C.,(2009), “High-throughput screening for ionic liquids dissolving (ligno-)cellulose”, Bioresource Technology, vol 100, no 9, pp.2580–2587, 81 Zhao H., Jones C L., Baker G A., Xia S., Olubajo O., Person V N., (2009), “Regenerating cellulose from ionic liquids for an accelerated enzymatic hydrolysis”, Journal of Biotechnology, vol 139, no 1, pp 47–54 82 Zhu S., Wu Y., Chen Q et al., (2006), “Dissolution of cellulose with ionic liquids and its application: a mini-review”, Green Chemistry, vol 8, no 4, pp 325– 327 83 Zhu Y., Karen T Y., Narayan S H., (2013), “Applications of Ionic Liquids in Lignin Chemistry”, Ionic Liquids - New Aspects for the Future, pp.315-346 61 PHỤ LỤC Phụ lục Phổ IR mẫu MCC điều chế sử dụng HCl 2,5N Phụ lục Phổ IR mẫu MCC điều chế sử dụng [(Et2EtOH)NH]+[HSO4]Phụ lục Phổ IR mẫu MCC điều chế sử dụng [(EtOH)2NH2]+[HSO4]Phụ lục Phổ IR mẫu MCC PH101 thương phẩm Phụ lục Phổ IR mẫu MCC PH102 thương phẩm Phụ lục Phổ IR mẫu MCC PH112 thương phẩm Phụ lục Phổ IR hỗn hợp cellulose, lignin hemicellulose tách từ sinh khối Phụ lục Phổ 1H-NMR [(Et2EtOH)NH]+[HSO4]- DMSO-d6 Phụ lục Phổ 1H-NMR [(EtOH)2NH2]+[HSO4]- DMSO-d6 Phụ lục 10 Phổ giãn phổ 1H-NMR [(EtOH)2NH2]+[HSO4]- DMSO-d6 Phụ lục 11 Phổ 1H-NMR [(EtOH)2NH2]+[HSO4]- D2O Phụ lục 12 Phổ 1H-NMR [(Et2EtOH)NH]+[HSO4]- D2O 62 Phụ lục Phổ IR mẫu MCC điều chế sử dụng HCl 2,5N 63 Phụ lục Phổ IR mẫu MCC điều chế sử dụng [(Et2EtOH)NH]+[HSO4]- 64 Phụ lục Phổ IR mẫu MCC điều chế sử dụng [(EtOH)2NH2]+[HSO4]- 65 Phụ lục Phổ IR mẫu MCC PH101 thương phẩm 66 Phụ lục Phổ IR mẫu MCC PH102 thương phẩm 67 Phụ lục Phổ IR mẫu MCC PH112 thương phẩm 68 Phụ lục Phổ IR hỗn hợp cellulose, lignin hemicellulose tách từ sinh khối 69 Phụ lục Phổ 1H-NMR [(Et2EtOH)NH]+[HSO4]- DMSO-d6 70 Phụ lục Phổ 1H-NMR [(EtOH)2NH2]+[HSO4]- DMSO-d6 71 Phụ lục 10 Phổ giãn phổ 1H-NMR [(EtOH)2NH2]+[HSO4]- DMSO-d6 72 Phụ lục 11 Phổ 1H-NMR [(EtOH)2NH2]+[HSO4]- D2O 73 Phụ lục 12 Phổ 1H-NMR [(Et2EtOH)NH]+[HSO4]- D2O 74 ... hành nghiên cứu đề tài Nghiên cứu điều chế cellulose vi tinh thể sử dụng chất lỏng ion (IL) từ nguồn dư phẩm sau thu hoạch ngô với mục tiêu: Điều chế số chất lỏng ion dùng để xử lý sinh khối từ. .. TRƯỜNG ĐẠI HỌC DƯỢC HÀ NỘI NGUYỄN BẢO LỘC Mã sinh vi n: 1301257 NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ CELLULOSE VI TINH THỂ TỪ NGUỒN DƯ PHẨM SAU THU HOẠCH CỦA CÂY NGÔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CHẤT LỎNG ION (IL) KHÓA... kỹ thu t chụp SEM 2.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.4.1 Điều chế chất lỏng ion 2.4.1.1 Phương pháp điều chế chất lỏng ion Trong khóa luận này, chúng tơi điều chế số chất lỏng ion theo phương pháp điều