Đề tài Bạn biết gì về Polyme phân hủy sinh học?

Click to edit Master title style Click to edit Master text styles Second level Third level Fourth level Fifth level 11/15/2013 ‹#› TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN KĨ THUẬT HÓA HỌCTRUNG TÂM NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU POLYMEĐỀ TÀI: BẠN BIẾT GÌ VỀ POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC? NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN. NGUYỄN VĂN DŨNG NGUYỄN ĐÌNH HIẾU MAI ĐỨC HIẾU TỔNG QUAN VỀ POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC Polyme phân hủy sinh học là gì? Polyme phân hủy sinh học là những polyme có khả năng phân hủy thành những phân tử đơn giản như CO2, nước, CH4 , các hợp chất vô cơ hoặc sinh khối, dưới tác động của một số yếu tố, trong đó chủ yếu bởi vi sinh vật khi chôn, ủ trong môi trường tự nhiên. Có số mắt xích cơ bản trong một phân tử polyme nhỏ hơn 5000. Sự khác nhau giữa polyme phân hủy sinh học và polyme không phân hủy sinh học Polyme phân hủy sinh học Polyme không phân hủy sinh học - Phân hủy được. Sản xuất từ nguyên liệu thân thiện môi trường: tinh bột, xenlulozo… - Cơ tính không cao, chịu nhiệt, hóa chất, môi trường kém. Không tái chế được…etc - Không phân hủy được. Chủ yếu từ các nguồn tài nguyên không tái tạo được Cơ tính tốt, chịu nhiệt, hóa chất, môi trường tốt. - Có thể tái chế được…etc Tác nhân gây phân hủy sinh học trong polyme 1.Vi sinh vật. Đây là tác nhân chính đóng góp trong sự phân hủy của polymer phân hủy sinh học. Nấm: Là vi sinh vật rất quan trọng gây ra sự phân hủy của vật liệu. Chúng xuất hiện trong môi trường có độ ẩm cao, nhiệt độ khoảng 50-550C, có không khí và hơn hết là sự có mặt của vật liệu cung cấp thức ăn. Chúng thâm nhập vào polymer, sản sinh ra emzym, rồi phá vỡ các hợp chất hữu cơ và tiêu thụ nó. Chủng nấm Fusarium L203 là chủng nấm đã được thử nghiệm cho hiệu quả phân hủy polymer tối ưu nhất trong hơn 8000 chủng nấm đã được nghiên cứu để phân hủy polymer. Vi khuẩn: Chúng thuộc nhóm sinh vật đơn bào, thuôc loại kí sinh trùng, là loài có số lượng đông nhất trong tự nhiên. Các vi sinh vật phân hủy hợp chất hữu cơ xuất hiện chủ yếu trong môi trường đất và nước, chúng được phân ra làm 2 loại; yếm khí và hiếu khí. Vi khuẩn yếm khí phân hủy hợp chất hữu cơ khá khí metan và một số ít các khí khác như H2S..Vi khuẩn hiếu khí phân hủy hợp chất hữu cơ ra chủ yếu là CO2 và H2O. Khi thâm nhập vào vật liệu chúng sản sinh ra emzym, các emzym tấn công phá vỡ cấu trúc mạch phân tử, rồi tiêu thụ các chất hữu cơ.   2. Một số tác nhân khác. Ngoài các loại vi sinh vật giúp polyme sinh học phân hủy thì còn một số tác nhân khác cũng có thể làm phân hủy hay đóng góp vào quá trình phân hủy polyme cùng với vi sinh vật: ánh sáng-phân hủy quang, nhiệt độ…. Phân Hủy quang- sinh học Bẻ gãy quang học Tinh bột. a) Sự tạo thành tinh bột. - đây là polymer rất phổ biến trong tự nhiên, là sản phẩm của quá trình quang hóa trong tự nhiện Trùng ngưng C6H12O6 => (C6H12O6)n + 3nH2O. - Được biết đến như là nguồn thực phẩm dinh dưỡng quan trọng cho con người và các loài sinh vật. Polyme phân hủy sinh học tự nhiên - Về bản chất tinh bột là những hạt có cấu trúc tinh thể dạng hạt d=15-100μm. - Tinh bột bao gồm 2 thành phần chính là amilozo và amylopectin với tỉ lên amilozo/amilopecitn = ¼, liên kết với nhau chủ yếu bằng liên kết α-D-1,4 glucozit. amilozo: là polymer mạch thẳng, M= 105-106 g/mol, chiều dài trung bình từ 500-2000 đơn vị glucozo. ở dạng tinh thể có cấu trúc xoắn ốc. tính chất. - dễ thoái hóa trong nước. - tan trong formandehyt, cloralhydrat, nước. - mềm dẻo. - nhiều nhóm OH, tạo được liên kết hydro giữa các mạch, làm giảm ái lực giữa amilozo với nước, kết tinh tốt. amylopectin: là plymer mạch nhánh, có khối lượng phân tử 107-109 g/mol , cấu trúc mạch nhánh được tạo nhờ liên kết α-D-1,6 glucozit, liên kết chủ yếu trong amylopectin là α-D-1,4 gulcozit. Mỗi nhánh chứa 20-30 mắt xích glucozo tính chất - amylopectin do có mạch nhánh bởi vậy mà độ kết tinh của nó thấp hơn nhiều so với amilozo. - do cấu trúc không gian lập thể nên nó có khả năng giữ nước và không hòa tan trong nước, không có xu hướng kết tinh.=> amylopectin không bị biến thoái,.   b) tính chất tinh bột.  - có khả năng tạo màng, kéo sợi. - có khả năng tương tác với chất khác như. : trương nở trong nước. - liên kết glucozit bị phân hủy ở nhiệt độ 2500C.Ở nhiệt độ thấp xảy ra hiện tượng thoái biến: sự tổ chức lại liên kết hydro và sắp xếp lại các mạch phân tử trong quá trình nhiệt độ hạ xuống.- độ bền với ứng suất không lớn. - có nhóm –OH dễ tham gia phản ứng=> lợi dụng để biến tính tinh bột. => màng tinh bột giòn, có độ xuyên thấm thấp.   c. Ứng dụng. - do tính chất giòn, chịu ứng suất kém nên dùng nguyên tinh bột để chế tạo màng thì không có giá trị thực tế bởi vậy tinh bột thường được dùng để tạo blend với polymer khác để tạo polymer phân hủy sinh học. d. Biến tính tinh bột. 1) Mục đích. - Cải thiện khả năng tương hợp với một số polymer nhân tạo khác như: PE, PVA… - Tăng khả năng tạo cấu trúc sợi, màng, tăng tính kị nước, dễ tan hơn trong các dung môi hữu cơ.. Chitin chitosanH.chitin và chitosan 2.Chitin và chitosan Chitin là đại phân tử tìm thấy trong vỏ cua, tôm và các loại động vật giáp xác khác. Nó bao gồm 2-axetamit-2-deoxy-β-D-glucozơ thông qua liên kết β-(1-4)-glucozit Chitin có thể bị chitinaza phân hủy. Sợi chitin đã được dùng để làm da nhân tạo và chỉ khâu hấp thụ ở dạng tự nhiên không hòa tan.Vật liệu tương hợp sinh học tốt và có hoạt tính kháng vi sinh vật và khả năng hấp thụ ion kim loại mạnh => ứng dụng trong công nghiệp mỹ phẩm do tính giữ ẩm tốt. Chitin khi khử nhóm axetyl sẽ tạo thành Chitosan. Chitosan đã được biến tính để cho những tính chất hóa học và sinh học khác nhau. Người ta điều chế N-cacboxyl metylchitosan và N-cacboxyl bytyl chitosan để sản xuất mỹ phẩm và dùng để chữa bỏng. 3.Alginat Alginat là polymer dị thể, mạch thẳng, kép, chứa 1,4-liên kết α-L-gluromic axit và β-D-mannuronic axit. Alginat được nghiên cứu nhiều do có khả năng tạo gel khi có mặt các cation hóa trị (II). Alginat lần đầu tiên được Stanford tách ra từ tảo nâu bằng dung dịch kiềm. β-D mannuronic axit α-L gluronic axit Gel alginate được dùng rộng rãi cho hệ chuyển tải và nhả thuốc. Các alginat được dùng để bọc thuốc diệt cỏ, diệt vi sinh vật và tế bào. Alginat được dùng để sản xuất thực phẩm đồ hộp cho thủy thủ. 4.Gelatin. Cấu trúc của gelatin có thể được mô tả như: [Glicin-X-Y]n , ở đây gốc aminoaxit Y và X thường hay gặp là prolin và hydroxyprolin tương ứng. Gelatin – một loại protein động vật, chiếm 19 aminoaxit gắn với nhau bởi các cầu peptit và cỏ thể bị thủy phân bởi các loại enzym proteilytic khác nhau, tạo thành các aminoaxit hoặc các cấu tử pepit. Gelatin được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, dược học, y học, để chế tạo nang thuốc, các hydrogel phân hủy sinh học. Người ta tìm ra phương pháp đơn giản chế tạo da nhân tạo trên cơ sở màng dẻo gelatin có thể gắn vào vết thương trần và bảo vệ vết thương khỏi mất nước và nhiễm trùng. 5.Xenlulozơ Xenlulozơ là thành phần chính trong màng tế bào thực vật, là bộ khung của cây cối. Có nhiều trong bông, đay, gai, gỗ…. Xenlulozơ là polyme tự nhiên có khối lượng phân tử rất lớn, có liên kết β-1,4-glicozit. Cấu tạo: xenlulozơ Ứng dụng: Xelophan (giấy bóng kính) là 1 trong những dạng phổ biến của bao bì xelulozơ, được sử dụng cho nhiều loai thực phẩm, bởi tính chống thấm dầu, ngăn cản sự tấn công của vi khuẩn và tính trong suốt của nó. VD: gói bánh mì. Xelulozơ axetat được kết hợp với tinh bột tạo nên nhựa dễ phân hủy bởi VSV. Xelulozơ cũng kết hợp với chitosan tạo màng có khả năng thấm khí và thấm nước cao. 1.Poly(lactic acid)- PLA. PLA là một polyeste béo, được tổng hợp nhờ phản ứng trùng ngưng AL. Nhiệt độ nóng chảy 160-1800C, d = 1,24 g/ Cm3 . Được điều chế thành công lần đầu tiên năm 1833 bởi Gay Lussac khi đun nóng AL. Tới năm 1932 cơ sở lý luận của việc tổng hợp PLA được phát minh bởi Wallace Carthers, theo đó PLA được tạo thành khi đun nóng AL trong chân không. PLA có giá thành sản xuất cao, nên nó chủ yếu được sử dụng trong ngành y tế: chỉ tự tiêu, vỏ bọc thuốc nhả chậm,.. tới những năm 1980 khi áp lực vấn đề xử lí rác thải từ polyme truyền thống thì PLA bắt đầu được quan tâm bởi khả năng tự phân hủy của nó. Polyme tổng hợp Poly(lactic acid)- PLA Sự phân hủy PLA : PLA phân hủy là do sự thủy phân PLA bởi nó là một polyeste béo. Cơ chế phân hủy PLA Điều chế PLA từ Acid lactic. Hiện nay, có 3 phương pháp chính để tổng hợp PLA: Phương pháp trùng ngưng mở vòng lactit (Ring opening polymerization, ROP ). Trùng ngưng trực tiếp AL trong dung dịch có kèm theo quá trình tách nước để thu được polymer có khối lượng phân tử lớn. Trùng ngưng AL thành PLA phân tử khối thấp (vài nghìn đến vài chục nghìn, đvc), sau đó tăng phân tử khối bằng các tác nhân kéo dài mạch cho đến phân tử khối mong muốn. 2 phương pháp trùng ngưng mở vòng và trùng ngưng trực tiếp là phổ biến nhất. Sơ đồ tổng quát các phương pháp tổng hợp PLA Phương pháp trùng ngưng trong dung dịch tạo ra PLA Chất tham gia gồm: Lactic axit (đã làm khan trước khi đưa vào phản ứng) cùng với p- Xylen, xúc tác cho phản ứng là SnCl2 , phản ứng trùng ngưng được tiến hành tại 138 - 140 độ C, dưới môi trường khí nitơ. Một lượng dung môi p-Xylen tinh khiết được bổ sung thêm vào trong quá trình phản ứng để giữ cho nồng độ monome phản ứng luôn ổn định. Phương trình phản ứng: Phương pháp trùng ngưng mở vòng (ROP) Đây là 1 phương pháp phổ biến nhất dùng để điều chế PLA. Phương pháp này được Carother phát hiện năm 1932. Theo đó, Quá trình tổng hợp PLA trải qua 2 giai đoạn: Giai đoạn 1: Trùng ngưng AL để được oligome phân tử khối thấp, sau đó phân hủy oligome này với xúc tác thích hợp để tạo thành lactit. Giai đoạn 2: Polyme hóa mở vòng lactit thành PLA, giai đoạn này quyết định hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Phương pháp ROP sử dụng các loại xúc tác cơ kim như Sn(II)octoat, ZnCl2, và của các kim loại khác như Al, La, Fe, Ti… cho chất lượng sản phẩm tốt hơn và có độ chọn lọc cao với điều kiện phản ứng đơn giản hơn. Chất lượng của PLA phụ thuộc rất nhiều vào thành phần LA, tỷ lệ DLA/LLA trong hỗn hợp. PLA thu được có thể ở dạng vô định hình hoàn toàn, 1 phần vô định hình, 1 phần tinh thể, hoặc gần như tinh thể hoàn toàn. Ưu điểm: cho chất lượng sản phẩm tốt, thời gian phản ứng ngắn, tương đối dễ thực hiện. Nhược điểm: giá thành xúc tác cao, không thu hồi được xúc tác sau phản ứng nên giá thành sản phẩm cao. Nhiệt độ phản ứng quá cao dễ sinh ra các sản phẩm phụ như depolyme hóa, racemic hóa làm giảm chất lượng sản phẩm. 2. Poly (hydroxyalkanoates) hay PHA Poly (hydroxyalkanoates) hay PHA là một vật liệu polymer khác có nhiều hứa hẹn. Polyme này đang được nghiên cứu để thay thế cho bao bì plastic. Các nhà sinh học đã biết đến sự tồn tại của PHA từ năm 1925 trong tế bào vi khuẩn. Nhiều loại PHA đã được tổng hợp từ các nguồn cacbon, vi sinh vật hữu cơ khác nhau và có qua quá trình gia công. Đây là loại polymer phân hủy sinh học hứa hẹn nhất vì chúng là loại nhựa nhiệt dẻo (thermoplastic), nhiệt độ nóng chảy cỡ 180 độ C, tỷ trọng 1,25 g/cm 3 , có độ bền và độ dai tương tự như polystyren và có thể thay đổi tính chất bằng cách thay đổi thành phần nguyên liệu chế tạo. Thêm vào đó, loại polymer này hoàn toàn bền trong môi trường ẩm và có độ thẩm thấu oxy rất thấp.  Nhóm PHA gồm có: Các phương pháp tổng hợp PHA: Hiện nay, có các phương pháp tổng hợp PHA: Phương pháp tổng hợp sinh học, bao gồm hai giai đoạn: phân hủy kỵ khí bùn nhờ vi khuẩn thermophilic ở giai đoạn 1 và điều chế PHA từ các hợp chất hữu cơ hòa tan có trong lớp bề mặt của bùn đã phân hủy nhờ Alcaligens Eutrophus ở giai đoạn 2. Phương pháp lên men. Phương pháp lên men và trích ly nhựa từ cây trồng. Phương pháp tổng hợp sinh học Để sản xuất PHA , một tập hợp vi sinh vật như Alcaligenes eutrophus được đặt trong một môi trường thích hợp và cho ăn các chất dinh dưỡng thích hợp để nó nhân lên nhanh chóng. Một khi số lượng đã đạt đến một mức độ đáng kể , các thành phần dinh dưỡng được thay đổi để buộc các vi sinh vật tổng hợp PHA. Sản lượng của PHA thu được từ trong tế bào có thể cao đến 80 % trọng lượng khô của sinh vật. Sinh tổng hợp PHA thường được gây ra bởi điều kiện thiếu hụt nhất định (ví dụ như thiếu các yếu tố vĩ mô như phốt pho , nitơ , nguyên tố vi lượng , hoặc thiếu oxy ) và nguồn cung dư thừa của nguồn carbon . Phương pháp lên men Các cây trồng như bắp, rồi thu hoạch, tách chiết glucozơ từ cây trồng, sau đó lên men đường trong những tế bào chứa PHA, rửa và xoáy đảo tế bào để giải phóng PHA sau cùng là cô đặc và phơi khô trong khuôn. Quá trình tổng hợp dựa vào sự phát triển PHA trong tế bào cây trồng là một kỹ thuật mà đang được theo đuổi. Quá trình này thì giống với quá trình đã mô tả ở trên nhưng bỏ qua giai đoạn lên men. Người ta sử dụng một lượng lớn dung môi để trích ly nhựa từ cây trồng. Sau đó tìm mọi cách loại dung môi đi. Do đó tốn kém về mặt năng lượng. Phương pháp lên men và trích ly nhựa từ cây trồng Ưu điểm của PHA so với PLA: So với PLA, khả năng tự phân hủy của PHA rất cao và dễ tổng hợp. Khi được đặt vào môi trường sinh vật tự nhiên thì nó sẽ phân hủy thành CO2 và nước. Điều này giúp nó có nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Ứng dụng: Một copolymer PHA gọi PHBV ( poly ( 3 -hydroxybutyrate -co -3- hydroxyvalerate ) ) ít cứng và ít dai hơn nên nó có thể được sử dụng như vật liệu đóng gói. Có những ứng dụng tiềm năng cho PHA được tạo ra bởi các vi sinh vật trong các ngành công nghiệp y tế và dược phẩm, chủ yếu là do khả năng phân hủy sinh học của chúng ví dụ như chỉ tự tiêu, da thay thế, băng vết thương,... Các polyester no trong nhóm polymer phân hủy sinh học được đẩy mạnh nghiên cứu trong nhiều năm trở lại đây như PLA, PHA…chúng là nhựa nhiệt dẻo, tuy nhiên ở nhiệt độ thường chúng thường rất dễ bị thủy phân, những đặc điểm này làm thu hẹp phạm vi ứng dụng của chúng. Blend là phương pháp được sử dụng nhiều nhất hiện nay nhằm khắc phục những yếu điểm của một số polymer phân hủy sinh học tổng hợp. Blend polyemer là một hỗn hợp giữa polymer phân hủy sinh học với một polymer phù hợp khác Nhờ những ưu thế của mình như: dễ sản xuất,tinh chế, biến tính… tinh bột hiện nay được dùng phổ biến nhất cho sản xuất polymer phân hủy . Dưới đây giới thiệu về công nghệ sản xuất polymer phân hủy sinh học từ tinh bột và polymer phân hủy sinh học tổng hợp.   Khuấy trộng với n= 1000-2800 v/ph 5-10 phút T= 30-120 độ C Khử nước tinh bột 160-170 độ C Máy nghiền nano (tinh bột+ bột đệm) Tách tinh bột khỏi bột đệm Nhựa tổng hợp 5-15% Chất ái lực 8-15% Polyme phân hủy sh tổng hợp 10-40% Chất kết hợp 1-3% Phụ gia 1-15% ra máy đùn Và tạo hạt Máy khuấy Máy li tâm Ở đây ta tiến hành gia công nhựa phân hủy sinh học được làm từ PLA và tinh bột. Ứng dụng trong y tế. Chỉ khâu phẫu thuật. Chỉ khâu phẫu thuật bao gồm các loại : polyglycolit(PGA), copoly( lactic acid). 2. Làm nang thuốc 3. Bộ phận thay thế nhân tạo. Thay van tim nhân tạo 4. Định vị xương và da nhân tạo. Định vị xương Da nhân tạo 5. Ứng dụng trong nông nghiệp. Màng phủ đất dùng polymer phân hủy sinh học Ứng dụng polymer phân hủy sinh học trong công nghệ phân bón nhả chậm 6. Trong công nghiệp sản xuất bao bì. CẢM ƠN THẦY CÔ CÙNG CÁC BẠN ĐÃ THEO DÕI