5. Bố cục luận văn
3.3.1.Cố định enzyme lipase lên bề mặt vật liệu Fe3O4NPs-CS
Tiến hành cố định enzyme bằng phƣơng pháp tạo liên kết chéo sử dụng chất tạo cầu nối là glutaraldehyde. Do phân tử chitosan bao phủ bề mặt Fe3O4NP và phân tử enzyme đều có nhóm amin (-NH2), vì vậy glutaraldehyde (trong phân tử chứa 2 nhóm cacbonyl –CHO) đóng vai trò nhƣ một cầu nối giữa chitosan và enzyme lipase thông qua việc hình thành liên kết C=N do phản ứng giữa nhóm –NH2 và nhóm –CHO đƣợc trình bày nhƣ sau:
Fe3O4NPs –Chitosan – N=CH – (CH2)3 – CH=N – Lipase
Quá trình cố định enzyme đƣợc tiến hành theo quy trình 2.2.3: Cho 2g Fe3O4NPs-CS vào 20ml dung dịch glutaraldehyde 10% đƣợc pha trong đệm phosphate (pH = 7,5). Hỗn hợp đƣợc khuấy ở nhiệt độ phòng trong 5 giờ. Thu hồi sản phẩm Fe3O4NPs-CS đã hoạt hóa với glutaraldehyde bằng từ trƣờng ngoài, rửa nhiều lần bằng nƣớc cất để loại bỏ glutaraldehyde dƣ.
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 -15000 -10000 -5000 0 5000 10000 15000 Fe3O4NP Fe3O4NPs-chitosan
mặt Fe3O4NPs-CS đã đƣợc chức năng hóa. Sản phẩm enzyme cố định đƣợc tách bằng từ trƣờng ngoài và rửa nhiều lần với đệm phosphate để loại bỏ enzyme lipase tự do không gắn kết hóa học. Sấy khô sản phẩm thu đƣợc ở nhiệt độ 400C trong tủ sấy chân không và bảo quản ở nhiệt độ 40C (hình 3.14)
Hình 3.14. Sản phẩm enzyme cố định Fe3O4NPs-CS-lipase sau khi sấy khô trong chân không ở 400C
3.3.2. Phân tích đặc trưng của sản phẩm enzyme cố định Fe3O4NPs-CS-lipase
a. Kết quả nhiễu xạ tia X (XRD)
Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X của hệ xúc tác Fe3O4NPs-chitosan-lipase đƣợc thể hiện ở hình 3.15. Trên phổ đồ vẫn xuất hiện 6 đỉnh đặc trƣng cho cấu trúc tinh thể của Fe3O4 tại các góc 2θ gần giống với phổ của Fe3O4 và Fe3O4NPs- chitosan (hình 3.16). Kết quả này chứng tỏ rằng quá trình biến tính bề mặt hạt nano oxit sắt từ và cố định enzyme không làm thay đổi pha của hạt nano Fe3O4NP. Nhƣ vậy các hạt nano từ tính có thể đảm bảo tính chất từ của chúng trong cho các ứng dụng tiếp theo.
Hình 3.15. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu xúc tác Fe3O4NPs-CS-lipase
Hình 3.16. So sánh giản đồ nhiễu xạ tia X của hạt nano Fe3O4NP (a), của vật liệu Fe3O4NPs-CS (b), của Fe3O4NPs-CS-lipase (c)
b. Kết quả quang phổ hồng ngoại FT-IR
Phổ hồng ngoại (FT-IR) của enzyme lipase cố định đƣợc trình bày ở hình 3.17b và so sánh với phổ hồng ngoại của lipase tự do (hình 3.17a) cho thấy có sự
(220) (311) (400) (422) (511) (440) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2-theta (deg) (a) (b) (c)
và 1025 cm-1 của enzyme lipase cố định tƣơng ứng với các dải 1430 cm-1 và 1050 cm-1 trong phổ hồng ngoại của enzyme lipase tự do, chứng tỏ enzyme đã đƣợc cố định thành công lên vật liệu thông qua tác nhân tạo cầu nối là glutaraldehyde..
Hình 3.17. Phổ hồng ngoại (FT-IR) của lipase tự do (a), Fe3O4NPs-CS-lipase (b) c. Đường cong từ trễ của Fe3O4NPs-CS-lipase
Giá trị từ bão hòa của mẫu Fe3O4NPs-CS-lipase (hình 3.18) đo đƣợc là 38,29 emu/g, thấp hơn so với giá trị đo đƣợc của Fe3O4NPs-CS (49,03 emu/g) và Fe3O4NPs (73,75 emu/g). Nhƣ vậy, giá trị từ độ bão hòa giảm dần trong suốt quá trình biến tính bề mặt chất mang và cố định enzyme. Nhƣ vậy, việc hình thành lớp bao phủ và gắn kết enzyme lipse không có tính chất từ lên trên bề mặt của các hạt nano oxit sắt từ đã ảnh hƣởng đến từ tính của vật liệu. Tuy nhiên, từ tính của các vật
(b) (a)
liệu xúc tác Fe3O4NPs-CS-lipase vẫn còn tƣơng đối cao và lực kháng từ bằng 0, nên vật liệu vẫn có tính siêu thuận từ và vẫn có thể tách nó ra khỏi môi trƣờng phản ửng bằng từ trƣờng ngoài.
Hình 3.18. Đường cong từ hóa của mẫu Fe3O4NP, Fe3O4NPs-CS và Fe3O4NPs-CS- lipase
3.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến phản ứng ester chéo hóa dầu đậu nành với methanol, xúc tác bởi Fe3O4NPs-CS-lipase methanol, xúc tác bởi Fe3O4NPs-CS-lipase
3.4.1. Ảnh hưởng của dung môi đến phản ứng xúc tác
Phản ứng ester chéo hóa đƣợc thực hiện giữa 2 cấu tử chất phản ứng hòa tan rất hạn chế vào nhau là dầu và methanol, đây là một trong những nguyên nhân gây ra giảm tƣơng tác giữa các cơ chất tham gia phản ứng. Vì vậy, để tăng cƣờng hiệu quả tƣơng tác giữa dầu, methanol và xúc tác Fe3O4NPs-CS-lipase, việc thêm dung môi trơ có vào hệ phản ứng để làm tăng khả năng tƣơng tác giữa các cơ chất là điều cần thiết, từ đó tăng hiệu suất chuyển hóa.
Để đánh giá vai trò của dung môi trơ vào hiệu suất của quá trình chuyển hóa dầu tạo biodiesel, chúng tôi tiến hành thực hiện phản ứng ester chéo hóa dầu với methanol với sự khi có mặt và không có mặt của 1 ml dung môi n-hexane trong dầu. Phản ứng đƣợc tiến hành trong điều kiện phản ứng nhƣ sau: Nhiệt độ phản ứng 350C; lƣợng enzyme Fe3O4NPs-CS-lipase 0,25 g; tỉ lệ số mol dầu: metanol = 1: 4 (tƣơng ứng 11 ml dầu là và 2,8 ml methanol); thời gian phản ứng là 30 giờ.
Fe3O4NPs
Fe3O4NPs-chitosan
glyceride, thu lấy phần methyl ester, sau đó loại nƣớc bằng cách làm khan với Na2SO4, thu lƣợng sản phẩm methyl ester sau cùng.
Hiệu suất của quá trình chuyển hóa đƣợc xác định bằng cách đo thể tích sản phẩm methyl ester sau cùng và độ nhớt của nó để xác định % methyl ester nguyên chất, từ đó tính hiệu suất của quá trình chuyển hóa theo công thức: H ≈ (Vsản phẩm
/V dầu nguyên liệu)* % methyl ester *100. Kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày ở bảng
3.2.
Bảng 3.2. Độ nhớt động học của sản phẩm và hiệu suất chuyển hóa tạo biodiesel thực hiện theo 2 phương pháp bổ sung n-hexane và không bổ sung n-hexane (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mẫu Thêm 1(ml) n-hexane Không thêm n-hexane
Thể tích sản phẩm thu đƣợc 10.5 10.1 Độ nhớt động học µ (mm2/s) 5.879 6.752 % methyl ester 95.40 86.78 Hiệu suất (%) 91.06 79.68
Nhận xét: Khi thêm dung môi n-hexane vào hỗn hợp phản ứng ban đầu, hiệu suất của quá trình chuyển hóa tăng lên. Nguyên nhân đƣợc giải thích là do sự có mặt của n-hexane làm giảm độ nhớt của hỗn hợp phản ứng và tăng độ tan của methanol trong dầu, từ đó làm tăng hiệu quả va chạm của các phân tử chất tham gia phản ứng với trung tâm hoạt động của enzyme để tạo ra phức chất trung gian hoạt động chuyển hóa tạo sản phẩm. Vì vậy, để tăng hiệu suất chuyển hóa dầu thành biodiesel, cần thêm dung môi n-hexane vào hỗn hợp phản ứng ban đầu.
3.4.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ số mol dầu : methanol đến hiệu suất chuyển hóa
Dựa theo phƣơng trình phản ứng ester chéo hóa, tỉ lệ về số mol methanol : dầu cần sử dụng là 1: 3. Tuy nhiên, phản ứng ester chéo hóa giữa dầu và methanol là phản ứng thuận nghịch, vì vậy để nâng cao hiệu suất của phản ứng chuyển hóa dầu tạo biodiesel, phản ứng cần đƣợc tiến hành ở điều kiện dƣ methanol so với dầu. Các nghiên cứu chuyển hóa dầu tạo biodiesel xúc tác bằng kiềm đã chỉ ra rằng, việc
cho dƣ methanol giúp cho quá trình chuyển hóa xảy ra hoàn toàn hơn, nghĩa là hiệu suất cao hơn.
Để đánh giá ảnh hƣởng của tỉ lệ dầu : methanol đối với phản ứng ester chéo hóa xúc tác bằng enzyme lipase, chúng tôi tiến hành thay đổi tỉ lệ số mol dầu : methanol theo các tỉ về số mol là: 1:4, 1:5, 1:6, tƣơng ứng tỉ lệ thể tích dầu (ml) và thể tích methanol (ml) xác định đƣợc nhƣ sau (bảng 3.3).
Bảng 3.3.Thể tích dầu và methanol tính theo tỉ lệ về số mol
Tỉ lệ số mol dầu: methanol 1:4 1:5 1:6
Thể tích dầu (ml) 11 11 11
Thể tích methanol (ml) 2.8 3.4 4.2
Các thông số về điều kiện phản ứng nhƣ sau: Thể tích dầu: 11 ml (thêm 1 ml n-hexane), thể tích methanol đƣợc thay đổi ứng với các tỉ lệ ở bảng 3.3; lƣợng enzyme cố định Fe3O4NPs-CS-lipase: 0,25 g; nhiệt độ phản ứng: 350C; thời gian phản ứng: 30 giờ.
Phản ứng tƣơng tự trên. Xác định thể tích của hỗn hợp sản phẩm, đo độ nhớt để xác định % methyl ester nguyên chất có trong sản phẩm cuối cùng. Kết quả khảo sát ảnh hƣởng của tỉ lệ số mol dầu: methanol đến hiệu suất của quá trình chuyển hóa đƣợc trình bày ở bảng 3.4.
Bảng 3.4. Độ nhớt động học của sản phẩm và hiệu suất chuyển hóa tạo biodiesel thực hiện theo các tỉ lệ số mol dầu: methanol
Tỉ lệ số mol dầu: methanol 1:4 1:5 1:6
Thể tích sản phẩm thu đƣợc 10.5 9.9 9.7
Độ nhớt động học µ (mm2/s) 5.879 6.791 7.205
% methyl ester 95.40 86.39 82.31
Hiệu suất chuyển hóa (%) 91.06 77.75 72.58
Nhận xét: Khi tăng tỉ lệ số mol dầu : methanol lên đến giá trị 1:5 và 1:6, thì hiệu suất chuyển hóa giảm đi. Kết quả này có thể đƣợc giải thích là do việc thêm methanol quá nhiều ngay từ đầu đã gây ra ức chế enzyme lipase, làm giảm hoạt tính xúc tác của nó. Do đó nên chọn tỉ lệ số mol dầu: methanol = 1:4 để tăng hiệu quả chuyển hóa Biodiesel.
nhân làm giảm hiệu suất chuyển hóa dầu tạo biodiesel. Vì vậy, để tăng hiệu suất chuyển hóa, chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hƣởng của cách thức đƣa methanol vào hỗn hợp phản ứng bằng 2 phƣơng pháp: (1) Cho từ từ methanol vào hỗn hợp phản ứng có chứa dầu đã có sẵn enzyme; (2)
Cho 1 lần methanol hỗn hợp phản ứng ban đầu.
Các thông số về điều kiện phản ứng tiến hành nhƣ sau: thể tích dầu: 11 ml (thêm 1 ml n-hexane), thể tích methanol: 2,8 ml (tƣơng ứng tỉ lệ số mol dầu: metanol = 1: 4); lƣợng enzyme cố định Fe3O4NPs-CS-lipase: 0,25 g; nhiệt độ phản ứng: 350C; thời gian phản ứng: 30 giờ.
Thực hiện phản ứng tƣơng tự trên, xác định thể tích của hỗn hợp sản phẩm, tiến hành đo độ nhớt để xác định % methyl ester nguyên chất có trong sản phẩm cuối cùng. Kết quả xác định hiệu suất trình bày ở bảng 3.5.
Bảng 3.5. Độ nhớt động học của sản phẩm và hiệu suất chuyển hóa tạo biodiesel thực hiện theo 2 phương pháp bổ sung chất phản ứng methanol
Cách tiến hành Cho từ từ methanol Cho 1 lần methanol Thể tích sản phẩm thu
đƣợc 10.5 10.2
Độ nhớt động học µ
(mm2/s) 5.879 6.763
% methyl ester 95.40 86.67 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hiệu suất chuyển hóa (%) 91.06 80.37
Nhận xét: Kết quả nghiên cứu ở bảng 3.5 chỉ ra rằng, việc cho methanol cùng 1 lúc vào hỗn hợp phản ứng ban đầu thì hiệu suất chuyển hóa dầu tạo biodiesel giảm so với việc bổ sung từ từ methanol trong suốt tiến trình phản ứng. Điều này có thể đƣợc lý giải sự có mặt quá nhiều methanol chƣa phản ứng có thể sẽ gây ra ức chế enzyme, làm giảm hoạt tính xúc tác của nó..
3.4.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất chuyển hóa
Enzyme có bản chất là hóa học là protein có cấu trúc bậc 3 hoặc bậc 4. Đa số enzyme tự do hoạt động tối ƣu trong khoảng nhiệt độ độ từ 35oC – 40oC. Ở nhiệt độ cao, các mối liên kết duy trì cấu trúc bậc 3 của protein nhƣ liên kết hydro, tƣơng tác Van der Waal, tƣơng tác kị nƣớc giữa các nhóm không phân cực bị phá vỡ, làm thay đổi cấu trúc của protein, dẫn đến hoạt tính xúc tác enzyme sẽ giảm hoặc có thể mất hoàn toàn. Điều này đã làm hạn chế ứng dụng của enzyme làm xúc tác trong các điều kiện môi trƣờng phản ứng khắc nghiệt. Việc cố định enzyme trên bề mặt oxit sắt từ sẽ khắc phục đƣợc nhƣợc điểm đó và mở rộng giới hạn chịu nhiệt của enzyme. Để đánh giá khoảng nhiệt độ hoạt động của xúc tác Fe3O4NPs-CS-lipase, chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hiệu suất của phản ứng ester chéo hóa.
Các thông số về điều kiện phản ứng nhƣ sau: lƣợng enzyme cố định Fe3O4NPs-CS-lipase: 0,25 g; tỉ lệ số mol dầu: metanol = 1: 4 (tƣơng ứng thể tích dầu là 11 ml và thể tích methanol 2,8 ml), methanol đƣợc cho từ từ vào hỗn hợp phản ứng; thời gian phản ứng 30 giờ. Phản ứng đƣợc thực hiện ở các nhiệt độ 350
C, 450C và 550C.
Thực hiện phản ứng tƣơng tự trên ở các nhiệt độ khác nhau, xác định thể tích của hỗn hợp sản phẩm, tiến hành đo độ nhớt để xác định % methyl ester nguyên chất có trong sản phẩm cuối cùng. Kết quả xác định hiệu suất trình bày ở bảng 3.6
Bảng 3.6. Độ nhớt động học của sản phẩm và hiệu suất chuyển hóa tạo biodiesel thực hiện ở các nhiệt độ khác nhau
Nhiệt độ 350C 450C 550C
Thể tích sản phẩm thu đƣợc 10.5 10.7 10.3
Độ nhớt động học µ (mm2/s) 5.879 5.693 6.022
% methyl ester 95.40 97.26 93.99
Hiệu suất chuyển hóa (%) 91.06 94.67 88.01
Nhận xét: Khi tăng nhiệt độ từ 350C – 450C, tốc độ phản ứng chuyển hóa enzyme tăng tăng. Điều này đƣợc giải thích là do khi tăng nhiệt độ, độ nhớt của
ứng với hiệu suất phản ứng đạt 94.67%. Tuy nhiên, việc tiếp tục tăng nhiệt độ phản ứng lên 550C, hiệu suất chuyển hóa tạo biodiesel giảm ứng với giá trị hiệu suất là 88.01%. Điều này đƣợc giải thích là do ở nhiệt độ cao 550C, có thể đã làm thay đổi cấu trúc protein của enzyme, là nguyên nhân gây bất hoạt enzyme và làm giảm hiệu suất chuyển hóa.
Nhƣ vậy, việc cố định enzyme lipase lên bề mặt các hạt nano biến tính Fe3O4NPs-CS đã mở rộng giới hạn nhiệt độ hoạt động của tối ƣu enzyme lipase lên 450C.
Kết luận: Điều kiện tối ƣu đƣợc xác định để thực hiện phản ứng este chéo hóa dầu đậu nành với methanol tạo Biodiesel đƣợc xác định nhƣ sau:
- Nhiệt độ phản ứng là 450C;
- Tỉ lệ số mol dầu: metanol = 1: 4, methanol đƣợc cho từ từ trong suốt quá trình phản ứng;
- Thời gian phản ứng là 30 giờ;
- Hỗn hợp phản ứng ban đầu đƣợc bổ sung 1 ml n-hexane.
3.5. Thành phần của sản phẩm phản ứng ester chéo hóa dầu đậu này với methanol xúc tác bởi Fe3O4NPs-CS-lipase
3.5.1. Thực hiện phản ứng ester chéo hóa ở điều kiện tối ưu
Hòa tan 11 ml dầu đậu nành nguyên chất trong 1 ml n-hexane, thêm 0,25g xúc tác Fe3O4NPs-CS-lipase, khuấy để phân tán xúc tác đều trong toàn bộ hỗn hợp phản ứng. Sau đó, 2,8 ml methanol đƣợc thêm từ từ từng giọt vào hỗn hợp trên, khuấy chậm, đều trên máy khuấy từ trong 30 giờ ở nhiệt độ 45oC. Trong phản ứng này, tỉ lệ số mol dầu : methanol ≈ 1 : 4, tỉ lệ khối lƣợng enzyme cố định : dầu = 2,5%. Sau khi phản ứng kết thúc, tách loại xúc tác bằng từ trƣờng ngoài, hỗn hợp sau phản ứng đƣợc rửa 3 lần bằng nƣớc cất, lấy lớp sản phẩm biodiesel trên cùng. Sự thay đổi màu của hỗn hợp phản ứng đƣợc trình bày ở hình 3.19.
Hình 3.19. Hỗn hợp dầu và n-hexane trước khi cho xúc tác (a), hỗn hợp dầu và n-hexane sau khi cho xúc tác và khuấy từ (b), sản phẩm sau khi thu hồi xúc tác bằng
từ trường ngoài (c).
3.5.2. Kết quả phân tích thành phần hóa học của sản phẩm
Sản phẩm biodiesel sau phản ứng đƣợc chiết lại với dung môi n-hexane để phân tích xác định thành phần hóa học bằng phƣơng pháp sắc ký khí ghép khối phổ GC-MS. Kết quả phân tích thành phần hóa học của sản phẩm đƣợc trình bày ở bảng 3.7 và hình 3.20.
Hình 3.20. Sắc ký đồ GC-MS của biodiesel thu được từ phản ứng este chéo hóa dầu đậu nành với methanol xúc tác bởi Fe3O4NPs-CS-lipase.
STT (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(phút) Tên hợp chất
(%)
01 36.145 Palmitic acid methyl ester 13.841
02 40.175 Stearic acid methyl ester 5.195
03 41.385 Oleic acid methyl ester 20.987
04 41.524 X 1.542
05 42.642 X 0.815
06 42.818 X 0.652
07 43.142 Linoleic acid methyl ester 46.731
08 43.466 X 0.535
09 43.848 X 0.436
10 44.308 X 1.154
11 44.704 X 1.039
12 45.005 Linolenic acid methyl ester 4.976
13 47.476 X 0.484
14 66.461 X 1.614
Tổng Methyl este 91.730
X: cấu tử chƣa định danh Kết quả phân tích GS-MS cho thấy khi thực hiện phản ứng ester chéo hóa