Phõn tớch so sỏnh xỏc định thành phần D,L lactic và độ quay phõn cực

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Tổng hợp axit lactic bằng cụng nghệ lờn men

3.1.3. Phõn tớch so sỏnh xỏc định thành phần D,L lactic và độ quay phõn cực

của cỏc loại axit lactic.

Axit lactic thương mại được tổng hợp từ con đường húa học thường là hỗn hợp đồng phõn quang học của D- lactic và L- lactic, trong khi sản phẩm lactic axớt lờn men tựy thuộc vào chủng vi khuẩn, điều kiện lờn men hoàn toàn cú thể thu được 100% sản phẩm axớt lactic ở dạng L. Gúc quay phõn cực của hỗn hợp lactic axit phụ thuộc vào hàm lượng D và L- axit lactic cú trong thành phần hỗn hợp. So sỏnh gúc quay phõn cực của hỗn hợp D, L axit lactic với gúc quay phõn cực của sản phẩm 100% L- axit lactic ta cú thể xỏc định thành phần D và L-axit lactic trong hỗn hợp của sản phẩm. Thành phần D, L-axit lactic cũng cú thể được xỏc định thụng qua phương phỏp sắc ký khớ (GC). Kết quả đo gúc quay phõn cực và xỏc định thành phần của hỗn hợp lactic axit theo phương phỏp GC được trỡnh bày trong bảng 3.1.

Bảng 3.1. Xỏc định thành phần D, L- axit lactic trong hỗn hợp sản phẩm Loại lactic axớt Độ quay phõn cực [o] Thành phần

D-lactic [%] L- lactic [%]

Lactic Trung Quốc -128,8 33 67

L-lactic sản phẩm lờn men -109,6 0 100

Kết quả xỏc định thành phần hàm lượng cỏc đồng phõn của hỗn hợp axit lactic trong bảng 3.1 cho thấy: đối với sản phẩm lờn men trong thành phần của axit lactic 100% tồn tại dưới dạng L cũn đối với sản phẩm axit lactic của Trung quốc sản phẩm tổng hợp theo con đường húa học trong hỗn hợp chứa 33% axit lactic ở dạng D và 67% axit lactic tồn tại ở dạng L. So sỏnh gúc quay phõn cực giữa axit lactic của Trung Quốc và axit lactic lờn men từ tinh bột sắn cho thấy sản phẩm axit lactic Trung Quốc cú độ quay phõn cực là -128,8o, trong khi gúc quay phõn cực của sản phẩm axit lactic lờn men là -109,6o

3.1.4. Sự thay đổi nồng độ [H+], thành phần của cỏc loại axit lactic trong cỏc điều kiện bảo quản khỏc nhau.

Tiến hành khảo sỏt so sỏnh giữa hai loại axit lactic (loại D,L axit lactic của Trung Quốc độ tinh khiết 90% và sản phẩm L-axit lactic từ quỏ quỏ trỡnh lờn men cú độ tinh khiết 93,4%), dưới cỏc điều kiện bảo quản khỏc nhau: bảo quản trong điều kiện tự nhiờn và bảo quản trong điều kiện lạnh. Sự thay đổi nồng độ [H+] thành phần của axit lactic theo thời gian được nghiờn cứu thụng qua phương phỏp chuẩn độ. Như đó mụ tả trong phần tổng quan, LA cú đầy đủ tớnh chất của một axit, hơn nữa trong phõn tử LA tồn tại đồng thời hai nhúm chức hoạt động là nhúm hydroxyl và nhúm cỏcboxylic. Dưới cỏc điều kiện bảo quản khỏc nhau cỏc phõn tử axit lactic cú thể phản ứng với nhau để tạo thành cỏc hợp chất mới, điều này dẫn tới sự thay đổi nồng độ [H+] và thành phần của dung dịch axit lactic. Kết quả khảo sỏt sự thay đổi nồng độ [H+] của hai loại LA trong điều kiện mụi trường khỏc nhau được trỡnh bày trong bảng 3.2.

Bảng 3.2. Sự thay đổi nồng độ [H+] của dung dịch LA theo thời gian Thời gian Thời gian

[thỏng]

CH+ của L- Lactic [mol] CH+ của D, L- lactic [mol]

Điều kiện PTN Bảo quản lạnh Điều kiện PTN Bảo quản lạnh

1 12,02 12,05 12,13 12,52

6 10,34 11,95 10,89 12,47

9 8,66 11,87 9,68 12,42

12 7,31 11,86 8,36 12,21

Kết quả bảng 3.2 cho thấy theo thời gian và dưới cỏc điều kiện bảo quản khỏc nhau cú sự thay đổi về nồng độ [H+] của dung dịch axit lactic. Nồng độ [H+] của dung dịch axit lactic giảm dần theo thời gian. Trong điều kiện tự nhiờn phũng thớ nghiệm nồng độ [H+]giảm đi rừ rệt, trong khi dưới điều kiện bảo quản lạnh sự suy giảm nồng độ [H+] của dung dịch axit lactic là thấp hơn. Kết quả trong bảng 3.2 cũng chỉ rừ sự suy giảm nồng độ [H+]của dung dịch axit lactic phụ thuộc vào thành phần và loại axit lactic ban đầu. Đối với L-axit lactic độ suy giảm nồng độ [H+]là

dịch axit lactic theo thời gian là do phản ứng đehydrat húa và este húa của axit lactic để tạo thành lactit hoặc lactoyllactic. Bằng trực giỏc cú dễ dàng nhận ra sự thay đổi của dung dịch axit lactic. Theo thời gian dung dịch axit lactic trở nờn sỏnh hơn và cú mầu sắc đậm hơn khi để ở nhiệt độ phũng, trong khi axit lactic được bảo quản dưới điều kiện lạnh sự thay đổi này là rất khú để nhận ra.

3.2. Nghiờn cứu xỏc định cỏc điều kiện tổng hợp 3,6-dimethyl-1,4-dioxane-2,5 -dione (lactit). dione (lactit).

Hiện nay, để thu được polylactit khối lượng phõn tử cao, phương phỏp hay được sử dụng là tiến hành phản ứng trựng hợp mở vũng lactit. Do đú việc tổng hợp lactit đúng vai trũ quan trọng và là một phần nhiệm vụ chớnh trong nghiờn cứu này. Quỏ trỡnh tổng hợp, tinh chế và làm sạch lactit được mụ tả chi tiết trong mục 2.3.2.1 và mục 2.3.2.2

3.2.1. Cỏc điều kiện ảnh hưởng tới quỏ trỡnh tỏch loại nước để làm khan axit lactic lactic

3.2.1.1. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng tỏch loại nước của lactic axớt

Axớt lactic thương mại thường chứa 15% nước, trong khi phản ứng ngưng tụ

LA để hỡnh thành polylactic axit khối lượng phõn tử thấp (oligome axit lactic) là phản ứng thuận nghịch. Sản phẩm phụ của phản ứng này là nước do đú để phản ứng diễn ra thuận lợi thỡ trước tiờn cần phải tỏch loại nước ra khỏi hỗn hợp của axớt lactic trước khi tiến hành phản ứng ngưng tụ để tổng hợp polylactic axit khối lượng phõn tử thấp. Để loại bỏ lượng nước cú trong hỗn hợp axit lactic người ta cú thể sử dụng nhiều phương phỏp khỏc nhau như: Sử dụng cỏc húa chất cú tỏc dụng làm khụ như Na2SO4 khan, H2SO4 đặc hay CaCl2, phương phỏp chưng cất, phương phỏp dựng sỳng lục làm khụ... Trong nghiờn cứu này chỳng tụi dựng phương phỏp chưng cất đẳng phớ ở ỏp suất thấp để làm khan hỗn hợp dung dịch axit lactic. Theo phương phỏp này, 100ml axớt lactic 85% được trộn với xylen theo tỷ lệ 3/1 về thể tớch sau đú hỗn hợp được chưng cất đẳng phớ ở 130140 oC ( nhiệt độ sụi của hỗn hợp). Theo thời gian chưng cất, lượng nước bay hơi sau khi qua sinh hàn hồi lưu ngưng tụ rồi được tỏch ra. Phần dung mụi xylen được ngưng tụ, hồi lưu và cho quay trở lại

bỡnh cất. Sau khi xỏc định hàm lượng nước đó được tỏch ra gần hết ( tớnh theo lý thuyết) lỳc này phần dung mụi xylen ngưng tụ hồi lưu khụng cho quay trở lại bỡnh cất nữa mà được tỏch ra cựng với nước cho tới khi hết. Hỗn hợp nước xylen được tỏch riờng bằng phễu chiết. Phần nước được đem đi đo thể tớch để xỏc định hiệu suất. Kết quả nghiờn cứu ảnh hưởng của thời gian tới khả năng tỏch loại nước của axit lactic được trỡnh bày cụ thể trong hỡnh 3.6

0 20 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thời gian [h] H àm l- ợn g n- ớc [% ]

Hỡnh 3.6. Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng tỏch loại nước của dung dịch LA

Kết quả trờn hỡnh 3.6 cho thấy khi tăng thời gian chưng cất, lượng nước tỏch ra tăng lờn. Sau 1 giờ lượng nước tỏch ra mới khoảng 20% và tăng lờn 88% sau 5 giờ. Khi tiếp tục kộo dài thời gian tỏch loại nước ta thấy lượng nước tỏch ra vẫn tiếp tục tăng lờn tuy nhiờn mức độ nước tỏch ra khụng cũn nhiều như giai đoạn đầu nữa mà cú xu hướng ổn định dần, sau 7 giờ lượng nước tỏch ra là 97,6% và sau 9 giờ là 99,2%, điều này chứng tỏ càng về giai đoạn cuối thỡ khả năng tỏch loại càng khú khăn và cần thời gian tỏch nhiều hơn.

3.2.1.2. Ảnh hưởng của ỏp suất tới hiệu suất tỏch loại nước

Việc cất loại nước ở điều kiện ỏp suất thường, tốn rất nhiều thời gian, điều này sẽ khụng cú lợi nếu xột trờn gúc độ hiệu quả kinh tế. Để nõng cao hiệu suất tỏch loại nước và giảm thời gian chưng cất, quỏ trỡnh chưng cất được thực hiện dưới điều kiện ỏp suất thấp. Nghiờn cứu ảnh hưởng của ỏp suất đến khả năng tỏch loại nước

760mmHg. Nhiệt độ chưng cất và thời gian chưng cất của tất cả cỏc thớ nghiệm được duy trỡ ổn định khụng đổi: nhiệt độ chưng cất 140 oC, thời gian chưng cất 2 giờ. Kết quả khảo sỏt ảnh hưởng của ỏp suất tới khả năng tỏch loại nước được trỡnh bày trong bảng 3.3

Bảng 3.3. Ảnh hưởng của ỏp suất tới hiệu suất tỏch loại nước

Áp suất [mmHg] 50 100 150 300 760

Lượng nước tỏch ra [%] 99,8 99,2 93,3 86,4 40,1 Kết quả trong bảng 3.3 cho thấy ỏp suất ảnh hưởng nhiều tới khả năng tỏch loại nước của hỗn hợp dung dịch axit lactic. Ở điều kiện ỏp suất thấp việc tỏch loại nước diễn ra thuận lợi hơn khi tiến hành cất loại nước ở điều kiện ỏp suất cao hơn. Điều này là hoàn toàn dễ hiểu bởi ở cựng một nhiệt độ, tốc độ bay hơi của (dung mụi + nước) sẽ xảy ra nhanh hơn khi ỏp suất hơi bề mặt nhỏ hơn. Hiệu suất tỏch loại nước đạt 99.2% sau hai giờ chưng cất, tại ỏp suất 100 mmHg. Trong khi để đạt được hiệu suất tỏch loại nước tương ứng tại cỏc ỏp suất cao hơn 100 mmHg chỳng ta cần thời gian cất loại nhiều hơn 2 giờ. Ở ỏp suất thấp hơn 100 mmHg hiệu suất tỏch loại nước là cao hơn nhưng khụng đỏng kể. Từ kết quả thu được cho thấy việc tiến hành cất loại nước ở ỏp suất 100 mmHg là phự hợp.

3.2.2. Ảnh hưởng cỏc điều kiện tới phản ứng tổng hợp oligome axit lactic

3.2.2.1. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tổng hợp oligome axit lactic

Để khảo sỏt ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất phản ứng tổng hợp oligome axit lactic, một dóy thớ nghiệm đó được thực hiện với ký hiệu mẫu từ T1 đến T5. Cỏc điều kiện khỏc của phản ứng được ổn định khụng đổi cho tất cả cỏc mẫu thớ nghiệm như: hàm lượng chất xỳc tỏc 0,5%, nhiệt độ thực hiện phản ứng 175 oC, ỏp suất của giai đoạn này được duy trỡ ở 200 mmHg. Thời gian phản ứng tổng hợp oligome lactic được lựa chọn là 1, 3, 5, 7 và 9 giờ. Sau thời gian đó định, 1 ml dung dịch polyme được lấy ra, kết tủa, sấy khụ, đưa đi xỏc định khối lượng. Hiệu suất được tớnh trờn nguyờn tắc so sỏnh với khối lượng axit lactic ban đầu. Kết quả nghiờn cứu

ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất tổng hợp oligome axit lactic được trỡnh bày trờn hỡnh 3.7 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thời gian [h] H iệ u su ất [% ]

Hỡnh 3.7. Ảnh hưởng của thời gian tới hiệu suất phản ứng tổng hợp oligome axit lactic

Kết quả thu được trờn hỡnh 3.7 cho thấy: Khi kộo dài thời gian phản ứng hiệu suất phản ứng tổng hợp oligome axit lactic tăng lờn. Hiệu suất phản ứng tăng nhanh ứng với khoảng thời gian đầu từ 1 đến 5 giờ, cụ thể sau một giờ thực hiện phản ứng hiệu suất chuyển húa tạo thành oligome axit lactic đạt 24,6% tăng lờn 87,5% ứng với thời gian thực hiện phản ứng là 5 giờ. Khi tiếp tục kộo dài thời gian phản ứng hiệu suất tạo thành oligome axit lactic tiếp tục tăng lờn nhưng khụng nhiều và cú xu hướng ổn định. Ở giai đoạn đầu hiệu suất phản ứng tăng nhanh là do nồng độ monome axit lactic tham gia phản ứng ngưng tụ để hỡnh thành nờn oligome axit lactic với mật độ nhiều hơn. Khi nồng độ axit lactic giảm xuống, nồng độ oligome axit lactic tăng lờn, phản ứng tiến dần về trạng thỏi thỏi cõn bằng do đú hiệu suất phản ứng khụng tăng lờn nữa. Từ kết quả trờn cho thấy thời gian thực hiện phản ứng tổng hợp oligome axit lactic phự hợp là 5 giờ.

3.2.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất và tớnh chất của oligome axit lactic

Để tiến hành nghiờn cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất và tớnh chất của oligome axit lactic hỡnh thành, cỏc thớ nghiệm phản ứng ngưng tụ LA được thực

cỏc mẫu thớ nghiệm đều được lựa chọn với cỏc điều kiện thớ nghiệm tương tự như nhau: lượng LA là 100 g, ỏp suất 150 mmHg và thời gian phản ứng là 5 giờ. Kết quả nghiờn cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất tổng hợp oligome axit lactic được trỡnh bày trong bảng 3.4

Bảng 3.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hiệu suất và tớnh chất của oligome axit lactic STT Nhiệt độ phản ứng tổng

hợp oligome axit lactic [oC]

Hiệu

suất [%] Hỡnh thức bề ngoài

Độ nhớt biểu kiến [s]

1 130 67,2 Dung dịch trong suốt 85

2 150 77,7 Dung dịch trong suốt 120

3 170 96,4 Dung dịch trong suốt 150

4 190 97,2 Dung dịch cú mầu nõu 187

5 220 96,5 Dung dịch cú mầu nõu sẫm 82

6 250 96,7 Dung dịch cú mầu đen 53

Theo kết quả bảng 3.4, nhiệt độ của phản ứng ảnh hưởng tới tớnh chất và hiệu suất tổng hợp oligome axit lactic. Khi thay đổi nhiệt độ của phản ứng, hiệu suất và tớnh chất của oligome axit lactic hỡnh thành bị thay đổi. Cụ thể khi nhiệt độ phản ứng tăng lờn từ 130 oC lờn 250 oC hiệu suất của phản ứng trựng ngưng tăng lờn từ 67,2% lờn 96,7%. Ứng với vựng nhiệt độ thấp (trong khoảng 130150 oC) hiệu suất chuyển húa LA để tạo thành oligome axit lactic là khụng cao (67,277,7%). Trong khi đú tại vựng nhiệt độ cao (170250o

C) hiệu suất chuyển húa LA đạt những giỏ trị cao hơn (>96%). Tuy nhiờn sản phẩm oligome axit lactic về hỡnh thức và độ nhớt là khụng giống nhau: Dung dịch oligome axit lactic tổng hợp ở vựng nhiệt độ thấp cú màu trong suốt, trong khi sản phẩm oligome axit lactic tổng hợp ở vựng nhiệt độ cao cú mầu từ vàng nhạt đến nõu sẫm. Độ nhớt biểu kiến của sản phẩm oligome axit lactic đạt giỏ trị cao nhất là 187 [s] ứng với nhiệt độ phản ứng tại 190 oC. Khi tăng nhiệt độ của phản ứng cao hơn 190 oC độ nhớt của sản phẩm oligome axit lactic hỡnh thành giảm đi. Điều này chứng tỏ ứng với vựng nhiệt độ cao hiệu suất phản

ứng ngưng tụ cho hiệu suất cao và ớt cú sự thay đổi, tuy nhiờn tại vựng nhiệt độ cao một phần sản phẩm oligome axit lactic hỡnh thành bị phõn hủy nhiệt đú là nguyờn nhõn làm cho độ nhớt của sản phẩm giảm đi và mầu sắc của dung dịch chuyển từ mầu trong suốt sang màu nõu sẫm.

3.2.2.3. Xỏc định khối lượng phõn tử của oligome axit lactic tạo thành

Những nghiờn cứu trước đõy cho thấy cỏc oligome axit lactic đưa vào phản ứng khử trựng hợp để tổng hợp lactit mạch vũng đặc biệt quan trọng và ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của quỏ trỡnh tổng hợp. Nhiều nghiờn cứu chỉ ra rằng cỏc oligome đưa vào phản ứng khử trựng hợp thường chứa khoảng từ 815 đơn vị lactic

là thớch hợp nhất. Thụng thường tỷ lệ khối lượng phõn tử của sản phẩm cạnh tranh (phản ứng ngưng tụ tỏch nước) so với khối lượng phõn tử của oligome nguyờn liệu (cho phản ứng dime húa) phải nhỏ hơn 1,2 thỡ phản ứng dime húa tạo ra lactit mạch vũng diễn ra mới thuận lợi. Nếu tỷ lệ khối lượng phõn tử của sản phẩm cạnh tranh so với khối lượng phõn tử của oligome nguyờn liệu tăng cao hơn 1,2 lần thỡ cú nghĩa là phản ứng tỏch nước cạnh tranh diễn ra mạnh hơn phản ứng dime húa tạo vũng, làm cho độ nhớt của dung dịch phản ứng sẽ tăng cao điều này bất lợi cho phản ứng và dẫn tới làm giảm hiệu suất tạo thành lactit mạch vũng. Trước khi đưa vào phản ứng tổng hợp lactit cỏc oligome cần được phải phõn tớch, xử lý, bờn cạnh đú hàm lượng chất xỳc tỏc cũng phải được dựng với hàm lượng thớch hợp để tăng nhanh tốc độ phản ứng tạo thành lactit và ngăn chặn cỏc phản ứng cạnh tranh.

Hỡnh 3.8. Giản đồ sắc ký thấm qua gel (GPC) xỏc định khối lượng phõn tử của

( O CH CH3

C O )

Kết quả xỏc định KLPT trung bỡnh của sản phẩm oligome axit lactic qua phương phỏp sắc ký thấm qua gel (GPC) (phụ lục 5), cho thấy khối lượng phõn tử trung bỡnh của cỏc oligome axit lacticở giai đoạn tiền polyme húa là 647 g/mol, ứng với thời gian lưu vào khoảng 1012,5 phỳt, độ đa phõn tỏn ((Mw/ Mn) -1) là 1,8 là