4. NƠI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
1.3 TỔNG QUAN VỀ POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC
1.3.1 Khái niệm polyme phân hủy sinh học
Phân hủy sinh học là khả năng xảy ra phân hủy thành khí cacbondioxide, khí methane, nước, các hợp chất vô cơ hoặc sinh khối dưới tác động của vi sinh vật như các vi khuẩn, nấm mốc, xạ khuẩn và các enzym đo bằng các thử nghiệm chuẩn trong một thời gian xác định phản ánh được điều kiện phân hủy (ASTM Standard D-5488- 84d, 1994). Sự phân huỷ sinh học có thể xảy ra trong sinh quyển khi các vi sinh vật đóng vai trò trung tâm trong quá trình phân huỷ sinh học. Có số mắc xích cơ bản trong một phân tử polymer nhỏ hơn 5000. Khi polymer phân hủy sinh học, chúng phụ thuộc vào các điều kiện ngoại cảnh tương ứng có thể kỵ khí hoặc hiếu khí.
Phân hủy sinh học hiếu khí:
CBIOPOLYMER + O2−> CO2 + H2O + C CÒN LẠI + C SINHKHỐI Phân hủy sinh học kỵ khí:
C BIOPOLYMER−> CO2 + CH4 + H2O + C CÒN LẠI + C SINH KHỐI
1.3.2 Cơ chế phân hủy sinh học
Cơ chế phân hủy polyme gồm hai giai đoạn:
➢ Giai đoạn giảm cấp phi sinh học: Mạch phân tử polyme bị giảm cấp thành
những đoạn phân tử có trọng lượng thấp đồng thời tạo ra những nhóm chức hoạt động trên bề mặt polyme. Quá trình bị tác động bởi nhiệt độ, ánh sáng hoặc có thể xảy ra theo cơ chế thủy phân hay oxo-biodegradation.
+ Giảm cấp quang hóa: Sự phân hủy các polyme phân hủy quang hóa phụ thuộc vào sự không đồng đều trong cấu trúc làm cho chúng giảm cấp từ từ khi tiếp xúc với bức xạ tia cực tím (UV), thường là ánh sáng mặt trời.
+ Giảm cấp nhiệt: dưới tác động của nhiệt độ, mạch polyme bị đứt ra tạo thành các oligome và monome.
+ Giảm cấp theo cơ chế thủy phân: các polyme có những nhóm chức dễ dàng bị thủy phân như polyester, amide… sẽ bị tác động.
+ Giảm cấp theo cơ chế oxo: xảy ra với các polyme kháng giảm cấp, bằng cách thêm vào các hợp chất tiền giảm cấp (pro-oxidant), là những hợp chất phức kim loại không chuyển tiếp stearat mangan, oleate mangan, acetate coban, coban
20
đưa oxy vào các sườn cacbon chính của polyme hình thành của các nhóm chức như acid cacboxylic hoặc cacboxylic, este và aldehyde và rượu. Các polyme hydrocacbon thay đổi hoạt tính của chúng từ kỵ nước sang ưa nước do đó cho phép các polyme bị phân mảnh hấp thụ nước, tăng khả năng phân hủy sinh học của chúng.
➢ Giai đoạn giảm cấp dưới tác dụng của vi sinh vật (quá trình đồng hóa):
Các polyme bị giảm trọng lượng phân tử đến một giới hạn nào đó sẽ bị các vi sinh vật (nấm, vi khuẩn, tảo) tiêu thụ các mảnh cacbon mạch chính để giảm cấp để tạo thành CO2, H2O và sinh khối.
1.3.3 Tác nhân gây phân hủy sinh học
- Vi sinh vật: Hai loại vi sinh vật gây phân hủy sinh học được quan tâm nhiều nhất là nấm và vi khuẩn.
Nấm là loại cơ thể dạng nhân rỗng không có chất diệp lục, sinh sản vô tính hoặc hữu tính, phần lớn có cấu trúc thể, dạng sợi, thành tế bào có dajngcura chitin hoặc cellulose. Có hơn 80000 chủng loại nấm đã được biết đến, nấm có mặt ở khắp nơi và là nhân tố gây suy giảm vật liệu. Nấm tạo ra các enzyme phá vỡ các hợp chất sống (hữu cơ) có trong thành phần của polymer để làm thức ăn cho chúng.
Vi khuẩn: hoạt động của vi khuẩn chỉ đơn thuần là sản xuất ra enzym, phá huỷ các hợp chất hữu cơ để tạo ra thức ăn. Tồn tại trong đất ở dạng yếm khí hoặc hiếu khí trong khi nấm cần thiết phải có không khí do đó vi khuẩn là tác nhân quan trọng làm suy giảm vật liệu.
- Enzyme: Là chất xúc tác cho quá trình phân hủy sinh học của polyme. Khi có mặt enzyme tốc độ phản ứng có thể tăng lên nhiều lần. Đa phần enzyme là những protein có mạch polypeptit cấu trúc dạng phức ba chiều. Cấu trúc ba chiều của enzyme có dạng gấp khúc và dạng túi, tạo ra các vùng trên bề mặt với cấu trúc bậc một đặc trưng (nghĩa là có đuôi aminoacid đặc trưng) tạo nên bề mặt hoạt động cho chúng. Tại bề mặt hoạt động này sẽ có sự tương tác giữa enzyme và hợp chất polyme dẫn đến các phản ứng hóa học làm phân hủy polyme, tạo ra các sản phẩm đặc biệt.
21
- Các tác nhân khác: Các tác nhân môi trường như nhiệt độ, ánh sáng, phân ly quang,… cũng có vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy polymer.
1.4 Các nguyên liệu tổng hợp Bioplastic từ Tinh bột/ MCC 1.4.1 Tinh bột 1.4.1 Tinh bột
Tinh bột là một loại polyme tạo thành từ cây thực vật, được cấu thành từ hai cấu tử chính: Amylozo phần lớn là alpha-D-(1-4)- glucan mạch thẳng và amylopectin là alpha-D-(1-4)- Glucan liên kết với alpha-D-(1-6) tại điểm tạo nhánh. Tỷ lệ giữa
PHÂN RÃ
-Vật lý: thay đổi kích thước, độ nhớt -Hóa học: cắt đứt liên kết, giảm trọng lượng phân tử
- Cơ tính: giảm ứng uất, độ đàn hồi, tăng độ giòn SẢN PHẨM NHỰA Thủy phân Vi Sinh Vật Ánh sáng OX H Nhiệ t độ Tác dụng cơ Các mảnh vụn nhựa (≤ 𝟐𝟎𝒎𝒎) KHOÁNG HÓA VSV tiêu thụ các mảnh vụn nhựa tạo thành CO2+H2O+ các sản phẩm tương thích sinh học
Môi trường ưa khí CO2+ H2O+ sinh khối Môi trường kỵ khí
CH4+ CO2+ sinh khối
(Vũ Tiến Trung và Lê Đức Anh, 2015)
Hình 1. 8 Cơ chế phân hủy sinh học của
polyme(Vũ Tiến Trung và Lê Đức Anh, 2015)
22
Tinh bột có nhiều trong các hạt ngũ cốc như lúa gạo, mì, khoai tây, sắn... có công thức phân tử là (C6H10O5.nH2O)m, ở đây m:có thể từ vài trăm đến hơn 1 triệu. Ngoài mục đích làm thức ăn, tinh bột thường được sử dụng làm chất tạo độ nhớt sánh cho các thực phẩm dạng lỏng hoặc là tác nhân làm bền keo hay nhũ tương, như các yếu tố kết dính và làm đặc tạo độ cứng, độ đàn hồi cho nhiều loại thực phẩm. Tinh bột còn được sử dụng rộng rãi trong dược phẩm, trong công nghiệp giấy, dệt, chất kết dính và nhiều lĩnh vực khác. Nếu tinh bột chỉ chứa amylopectin thì thường được gọi là tinh bột sáp (waxy starch). Nhìn chung tỉ lệ amyloza/amylopectin trong đa số các loại tinh bột là xấp xỉ ¼. Riêng trong các loại nếp (gạo nếp, ngô nếp,...) amylopectin chiếm gần 100%. Trái lại, trong tinh bột đậu xanh, tinh bột củ dong riềng, hàm lượng amyloza chiếm trên dưới 50%.
➢ Tính chất vật lý của tinh bột
Các hạt tinh bột là những tinh thể đa hình phụ thuộc vào nguồn gốc xuất, phần phân nhánh của amilopectin làm cho chúng không tan trong nước lạnh và tương đối trơ với các enzym thuỷ phân. Do đó tinh bột có cấu trúc bán tinh thể, hấp thụ thuận ngịch với nước và trương nở ít. Hạt tinh bột sau khi được xử lý bằng các phương pháp cơ như đập, nghiền có khả năng hòa tan tốt hơn trong nước lạnh và dễ bị tác nhân hóa học và enzym tấn công. Tinh bột bị hồ hóa trong nước nóng, khả năng trương lớn. Nhiệt độ hồ hóa phụ thuộc vào kích thước và hình dạng hạt.
23
Bảng 1. 5 Nhiệt độ hồ hóa của một vài tinh bột tiêu biểu (Xiuying Qiao et al, 2005)
STT Loại tinh bột Khoảng nhiệt độ hồ hóa
1 Gạo 68÷ 78 2 Ngũ cốc 62÷ 72 3 Ngô 62÷ 70 4 Khoai tây 59÷ 68 5 Sắn 58.5÷ 70 6 Đậu 57÷ 70 7 Lúa mì 58÷ 64 8 Đại mạch 51.5÷ 59.5
➢ Tính chất hóa học của tinh bột
Tinh bột luôn chứa hỗn hợp của amyloza và amylopectin. Phân tử tinh bột có hai nhóm chức quan trọng, trong đó nhóm - OH dễ tham gia phản ứng thế và nhóm axetal dễ bị bẻ gẫy.
Amyloza: Công thức cấu tạo của amyloza có dạng gồm: 𝛼 - D glucopyranoza nối với nhau bởi liên kết 𝛼-1,4 glucozit. Trong phân tử amyloza có chứa nhiều nhóm
hydroxyl nên có tính ưa nước rất cao. Do có cấu trúc mạch thẳng, có tính linh động và chứa các nhóm hydroxy, phân tử polyme amyloza có xu hướng xếp song song với nhau, khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ để dẫn tới liên kết hydro giữa các phân tử polyme liền kề. Nhìn chung, cấu trúc mạch thẳng của amyloza thuận lợi cho việc hình thành màng mỏng bền chắc.
24
glucoza liên kết với nhau nhờliên kết 𝛼 -1,4 glucozit. Ngoài ra còn có liên kết 𝛼 -1,6 tạo mạch nhánh. Amylopectin hòa tan trong nước nóng ở nhiệt độ 85 - 120 oC và tạo dung dịch nhớt. Các mạch nhánh bao gồm 15-18 mắt xích, mạch chính có thể từ 600- 6000 mắt xích tùy vào loại tinh bột. Kích thước lớn và cấu trúc mạch nhánh amylopectin làm giảm tính linh động của các polyme này, gây trở ngại cho sự định hướng, sắp xếp gần nhau của các phân tử, dẫn tới việc khó hình thành các liên kết hydro giữa các phân tử. Kết quả là dung dịch trong nước của amylopectin trong hơn và khó tạo gel ở nhiệt độ cao.
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