CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.5. NGHIÊN CỨU ĐIỀU CHẾ SODIUM GULURONATE SULFATE (SGS) TỪ
3.5.1. Nghiên cứu điều chế SGS từ sodium alginate tách chiết từ rong nâu T. ornata
Tiến hành thủy phân sodium alginate từ rong T. ornata bằng acid HCl 0,3M để thu nhận phân đoạn sodium guluronate cho các nghiên cứu tiếp theo của luận án. Theo các nghiên cứu trước đây cho thấy sodium guluronate không có hoạt tính chống đông máu, nhưng khi được sulfate hóa thì nó sẽ có hoạt tính chống đông máu và hoạt tính chống đông máu của sodium guluronate được sulfate hóa sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hàm lượng các gốc sulfate gắn trên mạch bên của guluronate cũng như khối lượng phân tử và nồng độ [56].
Quá trình điều chế SGS được tiến hành qua 2 bước như sau: (1) điều chế tác nhân sulfate hóa và (2) thực hiện phản ứng tổng hợp giữa sodium guluronate và tác nhân sulfate hóa. Các kết quả nghiên cứu quá trình điều chế SGS được trình bày dưới đây.
3.5.1.1. Xác định các điều kiện phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa (N(SO3Na)3)
Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa: nhiệt độ, thời gian và tỷ lệ nồng độ NaHSO3/NaNO2 được nghiên cứu dựa vào xác định độ thay thế của SGS. Các thí nghiệm được tiến hành với các thông số của quá trình phản ứng tổng hợp SGS như sau: pH = 7, tỷ lệ giữa tác nhân sulfate hóa/sodium guluronate là 1,0/198 mol/g, nhiệt độ phản ứng 50oC và thời gian phản ứng 3 giờ. Kết quả nghiên cứu xác
định các điều kiện của phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa được trình bày dưới đây.
a. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa đến độ thay thế của SGS
Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ thay thế của SGS trong quá trình điều chế tác nhân sulfate hóa trong khoảng nhiệt độ từ 30÷ 90oC, với các điều kiện khác của phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa như sau: tỷ lệ nồng độ NaHSO3/NaNO2 là 4/1 mol/g và thời gian là 60 phút. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ thay thế của SGS trong phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa được trình bày ở hình 3.26.
Hình 3.26. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa đến độ thay thế của SGS
Kết quả phân tích ở hình 3.26 cho thấy: nhiệt độ phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa có ảnh hưởng tới độ thay thế của SGS và trong khoảng nhiệt độ phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa từ 30÷ 90oC thì độ thay thế của SGS luôn tăng theo chiều tăng của nhiệt độ. Độ thay thế của SGS thấp nhất ở nhiệt độ phản ứng 30oC, tương ứng là 0,250
± 0,019. Khi tăng nhiệt độ trong khoảng 40÷ 50oC thì độ thay thế của SGS cũng tăng nhưng mức độ tăng chậm và đạt tương ứng là 0,323 ± 0,019 và 0,478 ± 0,024. Độ thay thế của SGS tăng lên khá mạnh khi nhiệt độ phản ứng tăng lên tới 60oC, tương ứng đạt 0,984 ± 0,041. Khi tiếp tục tăng nhiệt độ phản ứng lên 70oC và 80oC thì độ thay thế của SGS tiếp tục tăng và đạt tương ứng là 1,319 ± 0,044 và 1,445 ± 0,020. Độ thay thế của SGS đạt giá trị cao nhất khi nhiệt độ phản ứng là 90oC, tương ứng là 1,514 ± 0,018.
0.250a
0.323b
0.478c
0.984d
1.319e
1.445f 1.514g
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
30 40 50 60 70 80 90
Độ thay thế (DS)
Nhiệt độ (oC)
Kết quả phân tích ANOVA và phân tích LSD cũng cho thấy độ thay thế của SGS thu được ở các điều kiện nhiệt độ phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa từ 30÷ 90oC đều có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy trên 95% và có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy 99%. Điều đó chứng tỏ là nhiệt độ phản ứng càng cao thì độ thay thế của SGS càng tăng.
Từ những phân tích trên cho thấy trong quá trình điều chế tác nhân sulfate hóa nhiệt độ ảnh hưởng tỷ lệ thuận với độ thay thế của SGS. Khi nhiệt độ phản ứng càng cao thì độ thay thế của SGS càng tăng và khi nhiệt độ phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa trong khoảng từ 60÷ 90oC thì độ thay thế có sự tăng nhanh. Ảnh hưởng này có thể được giải thích như sau: mặc dù phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa là phản ứng tỏa nhiệt nhưng ở nhiệt độ thấp, năng lượng giải phóng do phản ứng có thể chưa đủ để duy trì phản ứng nên tốc độ phản ứng xảy ra chậm. Chỉ khi nhiệt độ phản ứng tăng lên mức 60 ÷ 90oC, năng lượng sinh ra đủ để kích hoạt phản ứng xảy ra nhanh và đạt đến độ thay thế cực đại. Tuy vậy, khi nhiệt độ phản ứng vượt trên 90oC thì phản ứng bùng nổ mạnh dẫn tới khó kiểm soát được tốc độ phản ứng thậm chí còn gây hư hỏng thiết bị do phản ứng nổ [56], [74]. Do vậy, luận án quyết định chọn nhiệt độ thích hợp để thực hiện phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa là 90oC.
b. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa đến độ thay thế của SGS
Trên cơ sở kết quả khảo sát được nhiệt độ thích hợp cho phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa là 90oC, tiến hành phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa với các điều kiện: nhiệt độ phản ứng 90oC, tỷ lệ nồng độ NaHSO3/NaNO2 là 4/1 mol/g. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa đến độ thay thế của SGS được trình bày ở hình 3.27.
Kết quả phân tích ở hình 3.27 cho thấy thời gian phản ứng có ảnh hưởng đến độ thay thế của SGS và trong khoảng thời gian phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa từ 15 ÷ 90 phút thì độ thay thế của SGS luôn tăng và đạt cực đại ở 90 phút. Sau đó, độ thay thế của SGS có xu hướng giảm sau khoảng thời gian phản ứng 105 ÷ 120 phút. Độ thay thế của SGS thấp nhất ở thời gian phản ứng 15 phút, tương ứng là 0,742 ± 0,018. Sau đó, khi thời gian phản ứng là 30 phút; 45 phút; 60 phút và 75 phút thì độ thay thế của SGS cũng tăng dần lên tương ứng là 1,182 ± 0,046; 1,409 ± 0,042; 1,623 ± 0,048 và 1,719 ± 0,009. Độ thay thế của SGS cao nhất 1,783 ± 0,008 khi thời gian phản ứng 90
phút. Độ thay thế của SGS giảm còn 1,707 ± 0,023 và 1,676 ± 0,018 ở thời gian phản ứng 105 phút và 120 phút tương ứng.
Hình 3.27. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa đến độ thay thế của SGS
Kết quả phân tích ANOVA và phân tích LSD cho thấy độ thay thế của SGS thu được khi thời gian phản ứng từ 15 phút đến 120 phút đều có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy trên 95% và có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy 99%.
Từ những phân tích trên cho thấy thời gian phản ứng có ảnh hưởng đến độ thay thế của SGS và trong khoảng thời gian phản ứng từ 15 ÷ 90 phút thì độ thay thế của SGS luôn tăng theo chiều tăng thời gian phản ứng và đạt cực đại khi thời gian phản ứng 90 phút. Tuy nhiên, khi thời gian phản ứng trên 90 phút thì độ thay thế của SGS có xu hướng giảm đi. Nguyên nhân có thể là do phản ứng ở nhiệt độ cao, khi thời gian phản ứng càng dài thì NaHSO3 bị phân hủy sinh khí SO2 càng nhiều (mùi của SO2 có thể ngửi thấy) dẫn tới nồng độ NaHSO3 tham gia phản ứng bị tổn thất nên sản phẩm của phản ứng là tác nhân sulfate hóa giảm [56], [74]. Từ các phân tích ở trên cho thấy thời gian phản ứng thích hợp để thực hiện phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa là 90 phút.
Ảnh hưởng tỷ lệ nồng độ NaHSO3 và NaNO2 của phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa đến độ thay thế của SGS
Từ kết quả xác định được nhiệt độ và thời gian thích hợp cho phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa, luận án tiến hành phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa ở các điều
0.742a
1.182b
1.409c
1.623d
1.719e 1.783f
1.707e 1.676g
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
15 30 45 60 75 90 105 120
Độ thay thế (DS)
Thời gian (phút)
kiện đã xác định được: nhiệt độ 90oC và thời gian 90 phút. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ giữa NaHSO3 và NaNO2 đến độ thay thế của SGS trong phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa được trình bày trên hình 3.28.
Hình 3.28. Ảnh hưởng của tỷ lệ NaHSO3/NaNO2 của phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa đến độ thay thế của SGS
Kết quả phân tích ở hình 3.28 cho thấy tỷ lệ nồng độ NaHSO3/NaNO2 có ảnh hưởng đến độ thay thế của SGS và trong phạm vi tỷ lệ NaHSO3/NaNO2 sử dụng từ 3/1
÷ 4,75/1 mol/g thì độ thay thế của SGS tăng theo chiếu tăng của tỷ NaHSO3/NaNO2 sử dụng và đạt cao nhất khi tỷ lệ NaHSO3/NaNO2 sử dụng là 4,25/1 mol/g. Sau đó, khi tỷ lệ NaHSO3/NaNO2 sử dụng là 4,5/1 và 4,75/1 thì độ thay thế của SGS giảm dần. Độ thay thế của SGS thấp nhất khi tỷ lệ nồng độ NaHSO3/NaNO2 là 3/1 mol/g, tương ứng là 0,754 ± 0,030; độ thay thế của SGS tăng lên và đạt giá trị tương ứng là: 0,917 ± 0,023;
1,079 ± 0,024; 1,348 ± 0,046 và 1,564 ± 0,024 khi tỷ lệ nồng độ NaHSO3/NaNO2 là 3,25/1 mol/g; 3,5/1 mol/g; 3,75/1 mol/g và 4/1 mol/g. Độ thay thế của SGS đạt giá trị cao nhất 1,755 ± 0,023 khi tỷ lệ nồng độ NaHSO3/NaNO2 là 4,25/1 mol/g. Sau đó, độ thay thế của SGS giảm tương ứng là 1,673 ± 0,024 và 1,609 ± 0,023 khi tỷ lệ nồng độ NaHSO3/NaNO2 tiếp tục tăng lên 4,5/1 mol/g và 4,75/1 mol/g.
Kết quả phân tích ANOVA và phân tích LSD cũng cho thấy độ thay thế của SGS ở tỷ lệ nồng độ NaHSO3/NaNO2 từ 3/1 ÷ 4,75/1 mol/g đều có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy trên 95% và có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy 99%.
0.754a
0.917b
1.079c
1.348d
1.564e
1.755f
1.673g
1.609e
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
3.00/1 3.25/1 3.50/1 3.75/1 4.00/1 4.25/1 4.50/1 4.75/1
Độ thay thế (DS)
Tỷ lệ NaHSO3/NaNO2(mol/g)
Từ kết quả phân tích trên cho thấy tỷ lệ nồng độ NaHSO3/NaNO2 có ảnh hưởng đến độ thay thế của SGS và trong khoảng tỷ lệ nồng độ NaHSO3/NaNO2 sử dụng từ 3/1
÷ 4,25/1 mol/g thì độ thay thế của SGS cũng tăng theo chiều tăng của tỷ lệ NaHSO3/NaNO2 sử dụng và đạt cực đại khi tỷ lệ NaHSO3/NaNO2 sử dụng là 4,25/1 mol/g. Sau đó độ thay thế của SGS sẽ giảm khi tiếp tục tăng tỷ lệ nồng độ NaHSO3/NaNO2 lớn hơn 4,25/1 mol/g. Do vậy luận án quyết định chọn tỷ lệ nồng độ NaHSO3/NaNO2 thích hợp cho phản ứng điều chế tác nhân sulfate hóa là 4,25/1 mol/g.
Như vậy, các điều kiện thích hợp để tiến hành điều chế tác nhân sulfate hóa được xác định như sau: tỷ lệ nồng độ NaHSO3/NaNO2 là 4,25/1 mol/g, nhiệt độ phản ứng 90oC và thời gian phản ứng 90 phút.
3.5.1.2. Xác định các điều kiện thích hợp cho phản ứng tổng hợp SGS
Tiến hành điều chế tác nhân sulfate hóa theo các điều kiện phản ứng đã khảo sát ở trên như sau: tỷ lệ nồng độ NaHSO3/NaNO2 là 4,25/1 mol/g, nhiệt độ phản ứng 90oC và thời gian phản ứng 90 phút. Tác nhân sulfate hóa này được sử dụng để thực hiện phản ứng tổng hợp SGS từ sodium guluronate (SG). Kết quả xác định các điều kiện thích hợp của phản ứng tổng hợp SGS được thực hiện dựa trên xác định độ thay thế của SGS và được trình bày dưới đây.
a. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tổng hợp đến độ thay thế của SGS Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng tổng hợp đến độ thay thế của SGS trong quá trình thực hiện phản ứng tổng hợp SGS ở pH = 7, tỷ lệ tác nhân sulfate hóa/SG là 1/198 mol/g, nhiệt độ phản ứng 50oC. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phản ứng tổng hợp đến độ thay thế của SGS được trình bày ở hình 3.29.
Kết quả phân tích ở hình 3.29 cho thấy thời gian phản ứng có ảnh hưởng đến độ thay thế của SGS và trong thời gian phản ứng từ 1 ÷ 4 giờ thì độ thay thế của SGS luôn tăng theo thời gian phản ứng và đạt cực đại khi thời gian phản ứng 4 giờ. Sau đó độ thay thế của SGS có xu hướng giảm khi tiếp tục tăng thời gian phản ứng lớn hơn 4 giờ. Kết quả phân tích cũng cho thấy khi thời gian tổng hợp SGS là 1 giờ thì độ thay thế của SGS đạt thấp nhất là 0,313 ± 0,029. Khi thời gian phản ứng tăng lên trong khoảng từ 2 và 3 giờ thì độ thay thế của SGS cũng tăng lên, đạt tương ứng là 0,696 ± 0,011 và 0,856 ± 0,018. Khi thời gian phản ứng tổng hợp SGS là 4 giờ thì độ thay thế của SGS đạt giá trị cao nhất là 1,468 ± 0,039. Khi tiếp tục tăng thời gian phản ứng tổng hợp SGS lên từ 5 giờ và 6 giờ thì độ thay thế của SGS sẽ giảm đi, chỉ đạt tương ứng là 1,338 ± 0,019 và 1,275 ± 0,020.
Hình 3.29. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tổng hợp đến độ thay thế của SGS Kết quả phân tích ANOVA và phân tích LSD cho thấy các giá trị độ thay thế của SGS thu được ở các thời gian phản ứng tổng hợp từ 1 ÷ 6 giờ đều có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy trên 95% và có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy 99%.
Từ những phân tích trên cho thấy thời gian phản ứng tổng hợp có ảnh hưởng đến độ thay thế của SGS trong quá trình sulfate hóa sodium guluronate. Thời gian phản ứng càng dài thì độ thay thế của SGS càng tăng và độ thay thế của SGS đạt lớn nhất tại thời điểm phản ứng 4 giờ. Tuy nhiên, khi thời gian phản ứng trên 4 giờ thì độ thay thế của SGS lại giảm. Ảnh hưởng này được giải thích như sau: quá trình phản ứng sulfate hóa sodium guluronate đòi hỏi phải có thời gian dài bởi vì khả năng hoạt động của tác nhân sulfate hóa yếu. Trong suốt quá trình sulfate hóa, một phần tinh thể của mạch sodium guluronate sẽ bị phá hủy ở giai đoạn vô định hình khi nhiệt độ phản ứng cao. Khi phản ứng diễn ra sau 4 giờ thì độ thay thế đạt cực đại vì lúc này tâm hoạt động được hình thành để phản ứng diễn ra hoàn toàn. Tuy nhiên, thời gian phản ứng sau đó có tăng nhưng độ thay thế giảm đi, có thể do có sự hình thành nên các sản phẩm phụ của quá trình sulfate hóa [74]. Do vậy, luận án chọn thời gian thích hợp cho phản ứng tổng hợp SGS là 4 giờ.
b. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng tổng hợp đến độ thay thế của SGS Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng tổng hợp đến độ thay thế của SGS khi thực hiện phản ứng tổng hợp SGS trong thời gian 4 giờ ở các điều kiện pH = 7, tỷ lệ tác
0.314a
0.696b
0.856c
1.468d
1.338e
1.275f
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
1 2 3 4 5 6
Độ thay thế (DS)
Thời gian (giờ)
nhân sulfate hóa/SG là 1,0/198 mol/g. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng tổng hợp đến độ thay thế của SGS được trình bày ở hình 3.30.
Hình 3.30. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng tổng hợp đến độ thay thế của SGS Từ kết quả phân tích ở hình 3.30 cho thấy nhiệt độ có ảnh hưởng đến độ thay thế của SGS và trong khoảng nhiệt độ thực hiện phản ứng tổng hợp SGS từ 30÷ 40oC thì độ thay thế của SGS tăng theo chiều tăng nhiệt độ và đạt cực đại khi nhiệt độ phản ứng là 40oC. Sau đó, khi tục tăng nhiệt độ phản ứng lớn hơn 40oC thì độ thay thế của SGS sẽ giảm dần. Độ thay thế của SGS đạt thấp nhất là 0,708 ± 0,012 khi nhiệt độ phản ứng 30oC. Nhiệt độ phản ứng tăng lên 35oC thì độ thay thế của SGS cũng tăng lên và đạt 0,965 ± 0,023. Khi nhiệt độ phản ứng là 40oC, độ thay thế của SGS đạt giá trị cực đại là 1,512 ± 0,027. Sau đó, khi nhiệt độ tiếp tục tăng 45oC và 50oC thì độ thay thế của SGS giảm tương ứng còn 1,424 ± 0,032 và 1,356 ± 0,021.
Kết quả phân tích ANOVA và phân tích LSD cho thấy các giá trị độ thay thế của SGS thu được ở các điều kiện nhiệt độ khảo sát từ 30÷ 50oC đều có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy trên 95% và có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy 99%.
Từ những phân tích trên cho thấy nhiệt độ phản ứng tổng hợp có ảnh hưởng đến độ thay thế của SGS. Khi nhiệt độ tăng thì độ thay thế của SGS tương ứng cũng sẽ tăng lên và đạt lớn nhất ở nhiệt độ 40oC. Khi nhiệt độ phản ứng tổng hợp SGS trên 40oC thì độ thay thế của SGS sẽ giảm. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ thay thế của SGS được
0.708a
0.963b
1.512c
1.424d
1.356e
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
30 35 40 45 50
Độ thay thế (DS)
Nhiệt độ (oC)
giải thích như sau: quá trình tổng hợp SGS chịu tác động đáng kể của 2 quá trình: đầu tiên, cùng với sự gia tăng của nhiệt độ phản ứng dẫn đến các vùng kết tinh của tinh thể sodium guluronate sẽ bị phá hủy do sự trương nở, làm cho chúng trở nên không có hình dạng nhất định, đồng thời cùng với đó các trung tâm phản ứng hoạt động hình thành, nên khi tăng nhiệt độ sẽ thúc đẩy phản ứng sulfate hóa diễn ra nhanh hơn. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng cao lại gây cản trở phản ứng, bởi vì phản ứng tổng hợp SGS là phản ứng tỏa nhiệt, dẫn đến cân bằng hóa học đi theo hướng ngược lại [56]. Kết quả là khi nhiệt độ phản ứng dưới 40oC thì độ thay thế của SGS sẽ tăng theo chiều tăng nhiệt độ nhưng khi nhiệt độ trên 40oC thì độ thay thế của SGS sẽ giảm.
Như vậy, kết quả nghiên cứu cho thấy nhiệt độ thích hợp cho phản ứng tổng hợp SGS là 40oC.
c. Ảnh hưởng tỷ lệ nồng độ tác nhân sulfate hóa và sodium guluronate đến độ thay thế của SGS
Tỷ lệ nồng độ tác nhân sulfate hóa/SG được tính toán thông qua tỷ lệ nồng độ NaNO2/SG. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ NaNO2/SG đến độ thay thế của SGS trong quá trình thực hiện phản ứng tổng hợp SGS ở pH = 7 trong 4 giờ và ở 40oC. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ nồng độ NaNO2/SG đến độ thay thế của SGS được trình bày ở hình 3.31 dưới đây.
Hình 3.31. Ảnh hưởng tỷ lệ nồng độ NaNO2/SG đến độ thay thế của SGS
0.721a
0.964b
1.764c
1.628d 1.608d 1.606d
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
1,0/198 1,5/198 2,0/198 2,5/198 3,0/198 3,5/198
Độ thay thế (DS)
Tỷ lệ NaNO2/SG (mol/g)