4. NƠI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
1.4.2 MCC từ sợi chuối
Nguyên liệu được lựa chọn để tổng hợp MCC là sợi chuối vì đây là loại nguyên liệu có hàm lượng 𝛼- Cellulose cao, đồng thời cũng là nguồn nguyên liệu dồi dào và dễ tìm kiếm. Sau quá trình thu hoạch quả thì một lượng lớn chất thải từ thân chuối sẽ được thải ra, lượng thải này sẽ là là nguồn sinh khối lignocellulose dồi dào và có tiềm năng tái sinh.
Một lignocellulose đơn là một hỗn hợp gồm chủ yếu là cellulose, hemiaelluloses, lignin, một lượng nhỏ protein và chất vô cơ. Có nhiều cách xử lý sinh khối khác nhau tùy thuộc vào loại, thành phần và công nghệ xử lý tiếp theo sẽ được áp dụng. Các công nghệ tiền xử lý được nghiên cứu rộng rãi nhất là các phương pháp xử lý như xử lý bằng axit loãng (B. H. Um et al, 2003); tiền xử lý thủy nhiệt bằng
25
cách cho sinh khối tiếp xúc với hơi nước áp suất cao mà không dùng hóa chất (B. M. Cherian et al, 2008), (M. Laser et al, 2002). Dựa trên ứng dụng và loại tiền xử lý, các kỹ thuật thường được chia thành ba loại khác nhau bao gồm tiền xử lý vật lý, hóa học và sinh học. Trong đó tiền xử lý hóa học là kỹ thuật được nghiên cứu nhiều nhất trong số đó, tiền xử lý hóa học đã được nghiên cứu cho đến nay đã có mục tiêu chính là cải thiện khả năng phân hủy của cellulose bằng cách loại bỏ lignin và hemiaellulose và cũng làm giảm cả mức độ trùng hợp và độ kết tinh của thành phần cellulose. Trong nhiều năm qua MCC đã được nghiên cứu và tổng hợp từ nhiều nguồn khác nhau,… đặc biệt MCC từ dư lượng nông nghiệp được quan tâm rất nhiều trong những năm gần đây như MCC được phân lập từ sợi Salu bằng cách: (1) xử lý bằng natri chlorite, tiếp theo là NaOH, (2) thủy phân axit (Juan I. Morán et al, 2008); Nghiên cứu của Wang và cộng sự (2009): cô lập MCC từ sợi đay bằng cách: (1) quá trình kiềm hóa với NaOH 12% ở nhiệt độ phòng trong 2 giờ; (2) thủy phân axit; (3) xử lý bằng NaOH (Hui Wang et al, 2009). Trong khi Alemdar và Sain (2008) phân lập NCC từ rơm lúa mì và vỏ đậu nành bằng cách: (1) ngâm trong NaOH; (2) Xử lý HCl và tẩy trắng bằng peroxide; (3) làm lạnh (A. Alemdar và M. Sain, 2008).
Trong nghiên cứu này, MCC được điều chế bằng phương pháp acid/ bazo, phương pháp được áp dụng bao gồm pha xử lý hơi kiềm, tẩy trắng và pha xử lý hơi acid.
▪ Việc ngâm lignocellulose trong môi trường kiềm loãng giúp loại bỏ các tạp chất tự nhiên, gây ra sự phân tách cấu trúc liên kết giữa lignin, carbohydrate và phá vỡ cấu trúc lignin.
▪ Quá trình tẩy trắng giúp loại bỏ lignin sau khi xử lý bằng hơi kiềm. Loại bỏ các hợp chất phenol hoặc các phân tử có nhóm nhiễm sắc thể. Cơ chế tẩy trắng liên quan đến quá trình oxy hóa lignin, dẫn đến sự hòa tan và thoái hóa lignin. ▪ Pha xử lý acid, là giai đoạn chính của phương pháp được áp dụng. Giúp thủy phân dấu vết của hemiaelluloses và lignin còn lại sau giai đoạn tẩy trắng, phá vỡ các polysacarit thành các loại đường đơn giản và do đó giải phóng các cellulose.
26
Hóa dẻo polymer là đưa vào polymer một lượng chất lỏng hay rắn nhằm làm dẻo polymer, tăng khả năng trượt tương đối giữa các mạch phân tử. Chức năng chính của chất hóa dẻo (plasticizers) là để giảm lực liên phân tử mạnh giữa các phân tử tinh bột và tăng tính di động của chuỗi polymer, giúp giảm nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) của vật liệu tinh bột dẻo, từ đó cải thiện tính linh hoạt của chúng (M. L. Sanyang et al, 2015)
Những chất hóa dẻo hay được sử dụng glycerin, urê, sorbitol, fructose, glucose và sucrose, xylitol, tri-ethylene glycol và tri-ethanolamine,… làm chất hóa dẻo cho phim ăn được và / hoặc phân hủy sinh học.
a: glycerin (Gl); b: urê (U); c: sorbitol (SO); d: fructose (F); e: tri-ethylene glycol (TEG); f: tri-ethanolamine (TEA)
(a) (b) (c)
(d) (e)
(f)
27
CHƯƠNG II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị
2.1.1 Nguyên liệu và hóa chất
- Tinh bột sắn thô: dạng bột màu trắng, khối lượng riêng 1.1 g/cm3, hàm lượng tinh bột lớn hơn 85%, công ty Miwon Việt Nam.
- Xơ chuối: Thu tại huyện Củ Chi, thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam.
- MCC từ xơ chuối: Tổng hợp tại Phòng thí nghiệm Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh.
- Microcrystalline Cellulose thương mại ( C6H10O5)n: Dạng bột trắng, không mùi, Merck.
- Sodium hydroxide (NaOH): Dạng bột trắng, tỷ trọng 2.1 g/cm3 , China. - Ethanol (C2H5OH): Dạng lỏng, Japan.
- Acid clohydric (HCl); Acid Nitric (HNO3): Dạng dung dịch, China.
- Glyxerin (Gl): Dạng lỏng, tỷ trọng 1.261 g/cm3, nhiệt độ sôi 290℃, China.
2.1.2 Dụng cụ và thiết bị
- Bếp điện
- Bình sinh hàn hồi lưu, ống đun hồi lưu - Máy khuấy từ, cá từ
- Tủ sấy, bình hút ẩm
- Cân điện tử Adventurer Ohaus - Các dụng cụ thủy tinh khác
2.2 Phương pháp tổng hợp MCC từ sợi chuối
2.2.1 Phương pháp chiết Microcrystalline Cellulose từ sợi chuối
MCC được điều chế bằng cách thuỷ phân bằng axit HCl theo phương pháp của O. A. Bauista (O. A. Battista và P. A. Smith, 1962). Sản phẩm MCC được lọc, rửa, tinh chế, xử lý và sấy khô.
28
bỏ các tạp chất tự nhiên, gây ra sự phân tách cấu trúc liên kết giữa lignin, carbohydrate và phá vỡ cấu trúc lignin.
▪ Tẩy trắng: Quá trình tẩy trắng giúp loại bỏ lignin sau khi xử lý bằng hơi kiềm.
Loại bỏ các hợp chất phenol hoặc các phân tử có nhóm nhiễm sắc thể. Cơ chế tẩy trắng liên quan đến quá trình oxy hóa lignin, dẫn đến sự hòa tan lignin và sự thoái hóa
▪ Xử lý acid: là giai đoạn chính của phương pháp được áp dụng. Giúp thủy phân
dấu vết của hemicelluloses và lignin còn lại sau giai đoạn tẩy trắng bằng cách phá vỡ các polysacarit thành các loại đường đơn giản và do đó giải phóng các cellulose. Phương pháp xử lý bằng axit kết hợp có hiệu quả làm giảm các chuỗi vi lượng dài đến kích thước nano bằng cách can thiệp vào vùng liên động.
29
2.2.2 Quy trình chung chiết Microcrystalline Cellulose (MCC) từ sợi chuối
(O. A. Battista và P. A. Smith, 1962) Thuyết minh quy trình
❖ Giai đoạn tiền xử lý:
Chuối được thu gom tại huyện Củ Chi, thành phố Hồ Chí Minh để làm vật liệu sinh khối cơ sở. Sau khi thu gom, thân chuối được tách bẹ và được cắt nhỏ với kích thước khoảng 1 cm2 để tăng hiệu suất rửa sạch nhằm loại bỏ cát, bụi và các tạp chất tan trong nước, rửa sạch cho đến khi nước rửa không còn màu vàng. Sau đó chuối được sấy ở 60℃ trong 14 giờ, để nguội ở nhiệt độ phòng và bảo quản.
Xơ chuối được cắt nhỏ, rửa sạch, sấy khô
Chuối ngâm/ khuấy trong NaOH (có/ không có nhiệt độ)
Đun hồi lưu với Ethanol: HNO3 (4:1 v/v)
Thủy phân bằng acid HCl , nhiệt độ 60℃ trong 2 giờ Cellulose Xơ chuối tiền xử lý Lọc, rửa Lọc, rửa
Lọc, rửa trung tính, sấy khô
MCC
30
Quy trình trích ly cellulose tự nhiên từ thân chuối sau giai đoạn tiền xử lý gồm 2 giai đoạn là xử lý kiềm và tẩy trắng:
• Giai đoạn xử lý kiềm: sợi chuối được ngâm trong dung dịch có chứa dung dịch NaOH trong một khoảng thời gian và nhiệt độ xác định. Quy trình được chia làm 7 thí nghiệm nhỏ để thử nghiệm với các điều kiện nồng độ, nhiệt độ và thời gian xử lý kiềm khác nhau. Xơ chuối sau đó được lọc và rửa lại bằng nước cất đến trung tính.
• Giai đoạn tẩy trắng: Chuối sau giai đoạn xử lý kiềm được thực hiện tẩy trắng bằng hổn hợp dung dịch Ethanol và HNO3 (v/v) trong thời gian 1 giờ trong bình phản ứng sinh hàn hồi lưu, phản ứng được lặp lại đến khi thu được sợi trắng. Sản phẩm thu được sau đó được lọc và rửa với nước cất cho đến khi dung dịch lọc có pH trung tính. Sản phẩm sau lọc được sấy khô ở nhiệt độ 60℃ - 80℃ trong 24 giờ và bảo quản trong bình hút ẩm.
❖ Giai đoạn thủy phân acid
Quá trình thủy phân tạo thành Cellulose vi tinh thể chia làm 5 thí nghiệm nhỏ để thử nghệm với sự thay đổi nồng độ acid, Cellulose đã trích ly được thủy phân với tốc độ khuấy là 700 RPM nhiệt độ là 80℃ trong 2 giờ. Sản phẩm sau đó được rửa bằng nước cất đến khi có pH trung tính, sấy khô ở nhiệt độ 60℃ - 80 ℃ trong 24 giờ và bảo quản trong bình hút ẩm.
2.2.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều chế MCC
➢ Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaOH và thời gian phản ứng kiềm
Sử dụng NaOH có nồng độ thay đổi là 5%, 8% và 10% ứng với các thời gian phản ứng kiềm khác nhau là 4 giờ, 8 giờ và 10 giờ. Riêng với thời gian phản ứng là 4 giờ, là thời gian quá ít để cho quá trình kiềm hóa loại bỏ hemicellulose và các tạp chất hữu có khác do đó nên cần gia nhiệt cho phản ứng ở nhiệt độ 80-90℃. Quá trình xử lý tẩy trắng bằng Ethanol và HNO3 với nồng độ và tỷ lện giống nhau ở các mẫu. Quá trình xử lý acid sử dụng HCl với nồng độ 2.5M thời gian phản ứng là 2 giờ ở
31
nhiệt độ 60℃. Tiến hành khảo sát 7 mẫu với các nồng độ khác nhau tương ứng với
khoảng thời gian phản ứng khác nhau ( Bảng 2.1 ). Riêng mẫu có nồng độ NaOH 5%,
thời gian phản ứng 4 giờ và mẫu có nồng độ NaOH 5% thời gian phản ứng 8 giờ thì
không chọn để tiến hành khảo sát do quá trình điều chế MCC không hiệu quả do còn
lẫn tạp chất nhiều và không thể phá vỡ được các vùng vô định hình để thu hồi được
MCC (N.Shanmugam, 2015)
Bảng 2. 1 Ký hiệu mẫu khảo sát ảnh hưởng nồng độ và thời gian xử lý
kiềm
Thời gian phản ứng (giờ) Nồng độ NaOH (%) 5 8 10 4 X M1 M2 8 X M3 M4 14 M5 M6 M7➢ Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ acid đến quá trình tổng hợp MCC
Ảnh hưởng của nồng độ acid đến hiệu suất và chất lượng sản phẩm MCC được tiến hành khảo sát với các khoảng nồng độ HCl khác nhau từ 1M đến 7M và các điều kiện cố định như bảng 2.2. Các giai đoạn phản ứng kiềm và xử lý tẩy trắng được cố định như sau: NaOH 2.5 % trong 8 giờ ở nhiệt độ thường, tẩy trắng với Ethanol và HNO3 tỷ lệ 4/1 (v/v).
Bảng 2. 2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ acid đến quá trình tổng hợp
STT Ký hiệu mẫu
Nồng độ HCl
(%) Nhiệt độ Thời gian
Khối lượng sợi chuối 1 S1 1 80℃ 2 giờ 5 (g) 2 S2 2.5 3 S3 3 4 S4 5 5 S5 7
32
2.3 Phương pháp tạo vật liệu bioplastic từ tinh bột và MCC sợi chuối
Quy trình tạo màng được sử dụng theo quy trình tạo màng bioplastic của Heri Hermasyah, 2014, tuy nhiên có một sự thay đổi nhỏ trong bước phân tán MCC trong nước cất, quá trình phân tán MCC diễn ra trong 50 phút do quá trình điều chế MCC sau khi sấy để thu được MCC, MCC bị nén chặt lại với nhau do đó cần một khoảng thời gian để phân tán hết MCC vào nước cất, sau đó tiến hành cho tinh bột và chất hóa dẻo vào tương tự quy trình mẫu.
Các bước được tiến hành như sau: Hỗn hợp Cellulose vi tinh thể và nước cất tính theo phần trăm khối lượng tổng tinh bột và MCC, được khuấy trong 50 phút tại 80℃, sau đó tinh bột và glyxerin được thêm vào, hỗn hợp này được đun nóng ở nhiệt độ 85℃ cho đến khi xảy ra sự hồ hóa. Dung dịch sau đó được tạo màng bằng phương pháp đúc dung dịch trên đĩa petri. Mẫu màng được sấy khô trong lò ở 75℃ trong 8 giờ. Màng sau đó được lưu giữ, bảo quản trong bình hút ẩm tại nhiệt độ phòng.
33
2.4 Các phương pháp hóa lý nghiên cứu cấu trúc của vật liệu MCC 2.4.1 Quang phổ hồng ngoại (FTIR)
2.4.1 Quang phổ hồng ngoại (FTIR)
Quang phổ hồng ngoại (Infrared Spectorscopy- IR) là kỹ thuật phân tích thường được sử dụng để xác định nhóm chức chất hữu cơ do sự hấp phụ bức xạ hồng ngoại của vật liệu trên những bước sóng khác nhau trên dải hồng ngoại. Phân tích phổ hồng ngoại để xác định được vị trí của vân phổ và cường độ, hình dạng vân phổ.
Trộn đều 0.1 (g) MCC 0.5 (g) Glyxerin 30 (ml) Nước cất Trộn hỗn hợp dung dịch ở 80℃, 50 phút, tốc độ khuấy 200 RPM Dung dịch đồng nhất 1.90 (g) Tinh bột Phản ứng tổng hợp ở 85℃, khuấy liên tục 2 giờ Tráng màng
Sấy ở 70℃, thời gian 8 giờ Đóng gói và bảo quản
34
tích FTIR là một công cụ để xác định cấu trúc hóa học của các chất có trong vật liệu. Xơ chuối, Cellulose và MCC sau khi chế tạo được nghiền nhỏ thành bột mịn và đo tại Phòng thí nghiệm Viện Khoa học vật liệu ứng dụng thành phố Hồ Chí Minh, đường TL29, Phường Thạnh Lộc, Quận 12, TP. Hồ Chí Minh.
2.4.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, thường viết tắt là SEM) gúp xác định cấu trúc bề mặt của mẫu bằng cách chụp trên kính hiển vi điện tử quét. Cho ra hình ảnh bề mặt của vật liệu với độ phân giải cao thông qua các electron quét, độ phóng đại (>>100,000X) và độ sâu trưởng ảnh lớn hơn nhiều so với kính hiển vi quang học.
MCC và Màng nhựa được chụp ảnh SEM để xác định cấu trúc bề mặt tại phòng thí nghiệm Viện công nghệ hóa học (01A, Đường TL 29, Phường Thạnh Lộc, Quận 12, TP. Hồ Chí Minh).
35
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Nghiên cứu tổng hợp MCC từ sợi chuối
3.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ và thời gian phản ứng với NaOH
Các thử nghiệm có sự thay đổi về nồng độ NaOH trong khoảng từ 5% đến 10% ứng với các điều kiện có nhiệt độ và không có nhiệt độ trong khoảng thời gian từ 4 giờ đến 14 giờ ở 7 mẫu khảo sát khác nhau như Hình 2.1, mỗi thí nghiệm sử dụng 5 (g) xơ chuối tiền xử lý và ở giai đoạn xử lý tẩy màu, xử lý acid giống nhau.
Sự thay đổi của cấu trúc tinh thể dẫn đến sự suy giảm cường độ hấp thu hay biến mất trong những băng tần đặc trưng của vùng tinh thể. Sau khi tiến hành các bước xử lý sợi chuối để phân lập Celluose vi tinh thể từ chuối, sử dụng phổ FTIR để kiểm tra mức độ hiệu quả của các loại hóa chất và so sánh chọn phương án xử lý tối ưu nhất đồng thời kiểm tra thành phần của cellulose từ bột giấy và so sánh với các phương pháp xử lý, phân lập khác nhau.
Hình 3.1 cho thấy khi cho sợi chuối phản ứng với NaOH trong điều kiện có nhiệt độ cao, sợi chuối dễ dàng bị phân rã ra thành sợi. Ứng với điều kiện không có nhiệt độ cao, sợi chuối dù được cho phản ứng với dung dịch NaOH có nồng độ cao hơn, thời gian tiếp xúc lớn hơn thì cấu trúc ban đầu của chuối vẫn giữ nguyên,…
Hình 3. 1 Sợi chuối sau khi phản ứng NaOH ở điều kiện phản ứng khác
nhau
36
được mức độ hiệu quả của các loại hóa chất, so sánh để lựa chọn phương pháp xử lý tối ưu nhất
Phổ hồng ngoại của MCC cho các đỉnh đặc trưng tại: các vân phổ ở bước sóng 3279.18 cm-1 , 3336.04 cm-1 , 3421.01 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết OH; Các peak ở bước sóng 2892.7 cm-1, 2894.66 cm-1, 2902.07 cm-1, đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết CH; các dãy vân phổ trong khoảng 1240 cm-1 đến 1000 cm-1 tương ứng với dao động hóa trị của các vòng carbonhydrate của khung cellulose, peak dao động trong khoảng 900-895 cm-1 tương ứng với liên kết glycoside, ứng với dao động biến dạng C1-H trong chuỗi polysaccharide, đại điện cho các liên kết glucoside giữa các đơn vị glucozo trong cellulose.
M2 M3 M5 3279, OH
