Xây dựng được quy trình điều chế cellulose vi tinh thể từ dư phẩm nông nghiệp lá ngô, bã mía sau thu hoạch sử dụng một số chất lỏng ion xử lý sinh khối ở quy mô pilot.. Liên kết hydro nộ
TỔNG QUAN
Tổng quan về cellulose và cellulose vi tinh thể
Cellulose lần đầu được mô tả vào năm 1838 bởi nhà hóa học Anselme Payen, khi ông ghi nhận nó là "chất rắn dạng sợi tồn tại bền bỉ sau khi xử lý mô thực vật bằng axit và amoniac" Nghiên cứu này đánh dấu bước ngoặt trong hiểu biết về cấu trúc và tính chất của cellulose, đồng thời mở đường cho nhiều ứng dụng công nghiệp, từ sản xuất giấy đến vật liệu sinh học.
Cellulose là một polymer mạch thẳng được cấu tạo từ các đơn vị β-D-glucopyranose liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glycosid, với cấu hình β của monomer giúp mạch polymer kéo dài và các liên kết hydro giữa các chuỗi hình thành các tấm cellulose Khi chuỗi polymer mở rộng, nó tạo thành một cấu trúc phẳng có độ cứng tăng lên đáng kể nhờ lực Van der Waals và liên kết hydro nội phân tử cũng như liên phân tử Nhóm hydroxyl trong phân tử cellulose tham gia liên kết hydro, dẫn đến sự hình thành các vùng kết tinh có mức sắp xếp cao Tuy cellulose có nhiều vùng kết tinh, không phải tất cả cellulose đều crystalline; những cellulose có cấu trúc thiếu trật tự (less-ordered) thường có hoạt tính hóa học cao hơn và các đặc tính vật lý khác biệt Để phá vỡ cấu trúc tinh thể thường cần các tác nhân lý hóa, trong khi cellulose có cấu trúc thiếu trật tự thường tự phân giải mà không cần tác nhân đặc hiệu.
Trong tự nhiên, cellulose không tồn tại ở dạng chuỗi đơn lẻ mà tồn tại ở dạng các chuỗi tinh thể song song có định hướng, được gọi là các bó vi sợi; các bó vi sợi này tạo nên cấu trúc bền vững của cellulose Các đơn vị lặp lại của cellulose là cellobiose.
Hình 1.2 Liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử của cellulose
Cấu trúc mạng tinh thể của cellulose là kết quả của các liên kết nội và liên kết giữa các phân tử trên nguyên tắc tối thiểu năng lượng, khiến cellulose trở thành phân tử hữu cơ bền chắc nhất nếu chỉ tính theo mật độ Cellulose tồn tại bốn dạng thù hình tinh thể khác nhau, được xác định bằng các đặc trưng trong mẫu nhiễu xạ tia X và phổ 13C-NMR đo ở trạng thái rắn, đó là cellulose I, II, III và IV.
Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của cellulose I (A), II (B), III (C) và IV (D) [68]
Nhiều mô hình khác về cellulose I được đề xuất để giải thích cấu trúc tinh thể của vật chất này, tuy nhiên cấu trúc của cellulose I vẫn tương đối phức tạp và chưa được nghiên cứu một cách rõ ràng Người ta cho rằng cấu trúc tinh thể của cellulose I là sự kết hợp của hai dạng mẫu tinh thể khác nhau, Iα và Iβ, cho thấy sự đa dạng của cấu trúc bên trong và cần các nghiên cứu sâu để làm sáng tỏ cách sắp xếp các chuỗi glucose.
Các dạng cấu trúc của cellulose gồm Iα (triclinic) và Iβ (monoclinic) đã được chứng minh bằng phổ 13C-NMR đo ở trạng thái rắn Tỉ lệ giữa hai dạng Iα và Iβ thay đổi với nguồn cellulose khác nhau Dạng Iβ chiếm ưu thế ở các loại thực vật bậc cao Trong khối cellulose vi tinh thể thường có một lượng đáng kể cấu trúc vô định hình [64].
Hình 1.4 Sự chuyển đổi các dạng kết tinh của cellulose
Cellulose I là cấu trúc nguyên bản chiếm nhiều nhất Cellulose được tạo ra bởi vi khuẩn và tảo thường có tỷ lệ cao của phân nhóm cellulose Iα còn của thực vật bậc cao thì loại I beta chiếm ưu thế Cellulose II thu được từ việc rửa liên tiếp sợi bông, sợi lanh trong NaOH lạnh, đặc Quá trình này còn gọi là "ngâm kiềm" (mercerization) Một số vi khuẩn có khả năng sinh tổng hợp cellulose dạng II Cellulose III thu được từ việc xử lý cellulose với các amin, thường dùng amoniac siêu tới hạn Có 2 phân nhóm là III1 có nguồn gốc từ cellulose I và III2 có nguồn gốc từ cellulose II Hai phân nhóm sẽ chuyển trở lại dạng cellulose I và II dưới một số điều kiện nhất định Cellulose IV thu được từ xử lý nhiệt trên 240 o C và có 2 phân nhóm là IV1 và IV2, dạng cellulose IV1 có liên hệ cao với dạng cellulose Iβ [21] Sự chuyển đổi giữa các dạng tinh thể thể hiện rõ ở hình 1.4 Dạng cellulose Iα định hướng tốt (well-oriented) thường chiếm nhiều trong vi sợi (microfibril) cellulose của các loài tảo như Cladophora,Valonia, Halicytis Còn trong vi sợi của sợi bông, sợi gai (ramie/China- grass), sợi bast cũng như lớp vỏ thân của phân ngành Sống đuôi Tunicate thì dạng cellulose Iβ định hướng tốt - kết tinh cao chiếm ưu thế [105]
Quang phổ hồng ngoại (IR) và quang phổ IR kết hợp nhiễu xạ tia X là những phương pháp được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc cellulose Phổ IR của cellulose có các dải hấp thụ đặc trưng cho các nhóm chức và liên kết cơ bản của cellulose và hầu như nằm trong vùng 4000–400 cm⁻¹ Các dải hấp thụ này thể hiện đặc trưng của các nhóm như O–H và C–H, cũng như các liên kết C–O–C và các rung của glycosid, cho phép nhận diện cấu trúc và mức độ tinh thể của cellulose.
Trong phổ IR của cellulose, các vùng dao động đặc trưng được ghi nhận ở 3650–3100 cm-1 và 3100–2700 cm-1 cho dao động kéo dài của nhóm -OH và CH Đặc biệt, dải ~2900 cm-1 là dao động của nhóm -CH nằm trong vùng 3100–2700 cm-1 Dải hấp 1162 cm-1 trong vùng 2000–667 cm-1 thể hiện dao động bất đối xứng của cầu nối C–O–C, và dải hấp gần 1372 cm-1 là dao động biến dạng của liên kết –CH; dải khoảng 897 cm-1 tương ứng với dao động biến dạng của nhóm C(1)–H [2] Thêm vào đó, các nghiên cứu đã công bố một số vùng hấp thụ khác của cellulose xuất hiện trên phổ IR [10, 60, 63, 64].
1.1.2 Tổng quan về cellulose vi tinh thể
1.1.2.1 Đặc điểm cấu trúc và phân loại MCC
MCC (microcrystalline cellulose) được Battista và Smith phát hiện và thương mại hóa lần đầu dưới tên Avicel, mở đường cho một phân khúc dược phẩm mới Năm 1964, FMC giới thiệu Avicel PH như một tá dược cho viên nén dập thẳng trong ngành dược phẩm, đánh dấu sự hiện diện của MCC trong công nghiệp dược và công nghệ sản xuất thuốc Sau hơn 50 năm phát triển, MCC đã trở thành một tá dược phổ biến với nhiều ứng dụng rộng rãi không chỉ trong dược phẩm mà còn trong các lĩnh vực khác như thực phẩm công thức, composite và vật liệu MCC là cellulose tinh khiết được thủy phân một phần từ α-cellulose (loại Iβ) có nguồn gốc từ bột nguyên liệu thực vật, được xử lý bằng các tác nhân vật lý hoặc hóa học Độ polyme (DP) là số đơn vị D-glucose có trong mạch cellulose, đại lượng đặc trưng cho cấu trúc cellulose; các nghiên cứu cho thấy DP giảm nhanh khi cellulose bị thủy phân, nhưng tốc độ giảm chậm dần cho tới khi đạt một mức được gọi là độ polyme ổn định (LODP) Độ polyme ổn định là một đặc tính nổi bật của cellulose và thường dao động ở một mức nhất định khi đạt tới LODP.
300 đơn vị D-glucose, thay đổi theo nguồn gốc của cellulose bị thủy phân (ví dụ: 180-
Độ polymer (DP) của MCC (microcrystalline cellulose) thường nhỏ hơn 350 đơn vị D-glucose, trong khi cellulose tự nhiên có tới khoảng 10.000 đơn vị glucose Dữ liệu cho thấy 210 đơn vị D-glucose với bột cellulose từ gỗ cứng và 210–250 đơn vị D-glucose cho bột cellulose từ gỗ mềm [31] Sự liên hệ giữa DP của MCC và khả năng dập viên vẫn chưa được làm rõ Vì vậy, tiêu chí định tính DP của MCC (DP > 350) chủ yếu được dùng để phân biệt MCC với cellulose dạng bột.
DP > 440 Nghiên cứu cho thấy nguồn gốc nguyên liệu và phương pháp sản xuất MCC (microcrystalline cellulose) ảnh hưởng chính lên các đặc tính vật lý của MCC nhiều hơn DP DP chỉ là một giá trị giúp nhà sản xuất có cái nhìn tổng quan về mức độ thủy phân của MCC và là đặc tính phân biệt giữa MCC và cellulose bột [26].
MCC (microcrystalline cellulose) có độ ổn định cao nhưng có tính hút ẩm, điều này có thể được giải thích do sự có mặt dồi dào của các nhóm hydroxyl trên mạch cellulose và tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích rất lớn; ví dụ ở 25°C và độ ẩm 50%, hàm ẩm ở trạng thái cân bằng của MCC khoảng 5% Cơ chế hút ẩm bề mặt được giải thích là do sự liên kết chặt chẽ của các nhóm hydroxyl trong các đơn vị glucose với các phân tử nước ở gần nhất, tiếp đó tới các phân tử nước ở xa hơn với các liên kết ít chặt chẽ hơn Vùng vô định hình của MCC có tính ưa nước và khả năng hút ẩm mạnh hơn vùng kết tinh.
Vì vậy, nhiều tác giả dự đoán rằng lượng nước mà MCC có thể hấp phụ tỷ lệ thuận với tỷ lệ dạng vô định hình và độc lập với diện tích bề mặt của chúng [18, 82] Điều này cho thấy cấu trúc vô định hình của MCC đóng vai trò quyết định hơn so với diện tích bề mặt trong quá trình hấp phụ nước.
Do đó, ta có thể xác định tỷ lệ phần vô định hình trong mẫu MCC bằng cách tính lượng nước được hấp thụ tối đa bởi mẫu đó Để ước tính tỷ lệ phần kết tinh (độ kết tinh) của MCC, người ta thường dùng phương pháp nhiễu xạ tia X hoặc phương pháp nội chuẩn dựa trên phổ hồng ngoại Độ kết tinh của MCC đo được bằng các phương pháp này thường dao động ở khoảng 60–80%.
Tổng quan về chất lỏng ion
1.2.1 Khái niệm và phân loại chất lỏng ion
1.2.1.1 Khái niệm về chất lỏng ion
Chất lỏng ion (IL) là các muối có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ sôi của nước, được biết đến với các tên gọi phổ biến như dung môi hiện đại, dung môi thiết kế hoặc muối lỏng Khi ở nhiệt độ phòng, chất lỏng ion có đặc tính là chất lỏng sánh như dầu, háo nước và thường tan tốt trong nước, khiến chúng trở thành lựa chọn dung môi tiềm năng cho nhiều ứng dụng hóa học và vật liệu.
Chất lỏng ion đầu tiên được mô tả vào giữa thế kỷ 19 khi pha dầu đỏ được hình thành trong phản ứng Friedel-Crafts Pha dầu đỏ này được cho là sẽ hóa muối, nhưng nó vẫn tồn tại ở phức hợp trung gian ổn định, đóng vai trò quan trọng trong giải thích cơ chế của phản ứng và sự hình thành các sản phẩm liên quan.
Các hợp chất lỏng ion (IL) được hình thành qua phản ứng Friedel-Crafts Sự tổng hợp IL đầu tiên thành công được đánh dấu vào năm 1914 với nitrat etylammoni [EtNH3][NO3], được tổng hợp ở nhiệt độ nóng chảy khoảng 12 °C do Walden công bố Bước đột phá tiếp theo thu hút sự chú ý là chất lỏng ion kép được hình thành bằng cách trộn AlCl3 với muối N-alkylpyridinium chloride hoặc 1,3-dialkylimidazolium chloride Tuy nhiên IL này cực kỳ nhạy cảm với độ ẩm, dẫn tới nhiều cản trở trong ứng dụng, cho đến những năm sau.
Vào năm 1990, khi Wilker và đồng sự tạo ra ionic liquid (IL) ổn định với độ ẩm bằng cách thay thế AlCl3 bằng các anion khác như tetrafluoroborat hay hexafluorophosphat, IL mới thực sự bùng nổ và thu hút nhiều nguồn lực nghiên cứu [43] Đa số chất lỏng ion được cấu thành bởi một cation hữu cơ và một anion vô cơ hoặc hữu cơ; phần lớn IL có hai phần chính là một cation lớn bất đối xứng và một anion có kích thước tương đối nhỏ hơn cation, dẫn đến năng lượng mạng tinh thể thấp do thiếu khả năng hình thành liên kết ion–ion mạnh, và do cation bất đối xứng liên kết yếu với anion nên tương tác tĩnh điện bị suy giảm, khiến điện thế nội tại khuếch tán và làm giảm tương tác tĩnh điện IL có điểm sôi thấp do hai nguyên nhân chủ yếu là lực tĩnh điện yếu và sự khuếch tán điện tích bất định [70] Độ phân cực cũng như tính ưa nước và các thuộc tính khác của chất lỏng ion phụ thuộc vào cation và anion được kết hợp để tạo ra nó [89].
Chất lỏng ion có nhiều đặc tính làm cho chúng trở thành dung môi thay thế lý tưởng cho các dung môi hữu cơ dễ bay hơi, như áp suất hơi thấp, khả năng cháy nổ thấp, độ bền nhiệt cao và độ ổn định hóa học cao; chúng ít độc hại, có độ dẫn ion cao (ionic conductivity), khả năng điện hóa rộng (wide electrochemical potential) và độ dẫn nhiệt cao [17, 70].
IL là một dung môi xanh đầy tiềm năng đã và đang được ứng dụng và nghiên cứu rộng rãi
1.2.1.2 Phân loại chất lỏng ion
Luận văn này được thực hiện ở quy mô bán công nghiệp và đang hướng tới nâng cấp lên quy mô công nghiệp; vì vậy, việc phân loại chất lỏng ion nên được tiếp cận theo hướng thế hệ (generation) để đánh giá tính phù hợp, hiệu quả xử lý và tính bền vững trong quy trình công nghiệp.
IL thế hệ đầu được phát triển nhằm thay thế dung môi hữu cơ dễ bay hơi nhờ đặc tính không bay hơi và khả năng cháy nổ thấp Tuy nhiên IL có khả năng hòa tan cao trong nước nên số phận của chúng khi thải ra môi trường và độc tính sinh thái vẫn là điều cần quan tâm Với đặc tính bền nhiệt và độ bền hóa học cao, IL được cho là có khả năng phân hủy sinh học thấp, nguy cơ tích lũy sinh học (bioaccumulation) và độc tính sinh thái môi trường nước Thực tế các IL thế hệ đầu như dialkyl imidazolium ([bmim][BF4] và [bmim][PF6]) và tetraalkyl ammonium thể hiện độc tính cấp đối với sinh vật thủy sinh và khả năng phân hủy sinh học kém Một khuyết điểm của IL thế hệ đầu là phần cation là muối amoni bậc 4 liên kết với các anion tương đối đắt tiền dẫn đến tổng hợp tốn kém và những phương pháp này được cho là ít “xanh” (có chỉ số E-factors cao) [17].
Hình 1.5 Cấu trúc của các chất lỏng ion thế hệ đầu [17]
IL thế hệ hai: Có chứa các cation và anion có đặc tính tương thích sinh học
IL sinh học tương thích với cơ thể (biocompatible) được bắt nguồn từ carbohydrate và amino acid thông qua một phản ứng derivat hóa đơn giản để tạo dẫn chất Các ionic liquids (IL) dựa trên cholin được tổng hợp một cách rẻ tiền từ một axit carboxylic và choline hydroxide Nghiên cứu về muối cholin của amino acid cho thấy độc tính thấp, khả năng phân hủy sinh học tốt và nguy cơ ức chế enzym thấp hơn IL truyền thống như [bmim][Cl] Xu hướng hiện nay là thiết kế IL có khả năng biến đổi sinh học cao và dấu chân môi trường (environmental footprint) thấp bằng cách lựa chọn cation và anion phù hợp, thay vì chỉ tối ưu mục đích ban đầu của IL AMMOENG 110 TM chứa cation giống cholin kết hợp với anion acetat.
10 có đặc tính tương thích với enzym và đồng thời hòa tan tốt cả carbohydrat, triglycerid và amino acid [17].
Hình 1.6 Cấu trúc chất lỏng ion thế hệ hai [17]
IL protic là một loại dung môi lỏng ion đáp ứng các tiêu chí tối ưu như chi phí thấp, độc tính sinh thái thấp, khả năng phân hủy sinh học cao và tương thích tốt với enzym, đồng thời chứa nitơ được proton hóa ở cation để hoạt động như dung môi cho quá trình biến đổi sinh học (biotransformation) Việc tổng hợp IL protic rất dễ thực hiện bằng cách trộn amin bậc ba (ví dụ triethylamin) với một axit cacboxylic, và các IL này thể hiện khả năng phân hủy sinh học cao cùng độc tính thấp hơn so với muối amoni bậc bốn [17].
Hình 1.7 Cấu trúc chất lỏng ion protic [17]
1.2.2 Tổng hợp chất lỏng ion
Quá trình tổng hợp IL (ionic liquids) gồm hai phần chính: hình thành cation cần thiết và thực hiện trao đổi anion Thực tế, phần lớn các cation được cung cấp sẵn ở dạng base trên thị trường, nên bước trao đổi anion là yếu tố then chốt để hoàn tất quá trình tổng hợp IL.
Clare B và cộng sự (2009) đã tổng kết 4 phương pháp chính để điều chế chất lỏng ion [25]
Các loại trao đổi chính trong quá trình trao đổi ion gồm: trao đổi có sự tham gia của axit tự do và kim loại nhóm 1 hoặc muối amoni; trao đổi với muối bạc; và dùng nhựa trao đổi ion để thực hiện quá trình.
Phương pháp đầu tiên là phổ biến nhất: sử dụng các muối halogenid hoặc các muối tương tự của cation mong muốn thông qua phản ứng trao đổi Nhờ phản ứng này, rất nhiều chất lỏng ion đã được tổng hợp thành công.
Khi thực hiện phản ứng trao đổi, sản phẩm là chất lỏng ion có thể chia thành
2 loại tùy thuộc vào khả năng tan được trong nước của chúng
Người ta thường sử dụng các axit liên quan đến anion halide để đạt được thành phần mong muốn trong quá trình tổng hợp Phần axit dư có thể được loại bỏ dễ dàng sau phản ứng trao đổi bằng cách rửa với nước Điều này đặc biệt hữu ích khi tổng hợp các chất lỏng ion khó tan trong nước, vì quá trình rửa nước giúp loại bỏ axit dư mà không làm ảnh hưởng đến tính chất của chất lỏng ion đã hình thành.
Trong khi đó, việc tạo ra các chất lỏng ion có thể tan trong nước gặp nhiều khó khăn hơn Người ta thường thực hiện phản ứng điều chế chất lỏng ion tan trong nước bằng cách sử dụng muối halogenid của cation và muối bạc của anion mong muốn Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là sự kết tủa chậm của muối bạc halogenid, có thể làm cho sản phẩm bị nhiễm tạp chất bạc hoặc dư lượng anion halogenid còn lại.
Quá trình trao đổi có thể để lại tạp halogen trong sản phẩm dù đã được tinh chế kỹ càng Sự hiện diện của các ion halogen này có thể gây biến đổi mạnh các đặc tính hóa lý của chất lỏng ion, thậm chí làm suy giảm hoặc mất đi khả năng xúc tác của chúng [71].
Đặc điểm các thành phần cấu tạo chính của nguyên liệu lá ngô, bã mía
1.3.1 Đặc điểm các thành phần cấu tạo chính của lá ngô
Vào năm 2014, Mendes C A de C và cộng sự đã mô tả thành phần hóa học của các thành phần trong cây ngô, đồng thời phân tích tính chất vật lý, độ chịu nhiệt và một số đặc tính liên quan đến những thành phần này.
Các thành phần hóa học của sinh khối từ cây ngô bao gồm 34-41% hemicellulose, 31-39% cellulose, 2-14% lignin, 3-7% tro và cặn, 10-18% các thành phần khác và các chất tan trong nước; những tỷ lệ này tương tự với dữ liệu được ghi nhận cho rơm khô Độ kết tinh của nguồn nguyên liệu từ cây ngô ở mức 21-26%, có thể hạn chế một số ứng dụng công nghiệp khác Đối với sợi từ lá ngô, độ mềm dẻo và độ bền kéo được báo cáo tương tự như ở xơ cọ hoặc xơ dừa Đồng thời, hàm lượng cellulose trong lá ngô được cho là tương đương với hàm lượng hemicellulose, và hàm lượng lignin trong lá ngô lại khá thấp so với các loại sinh khối khác.
Chiếm 31-39% khối lượng khô của lá ngô (đặc điểm cấu tạo, cấu trúc xem mục 1.1.1)
Lignin là một polime không tan trong nước, hình thành một phần của cấu trúc sinh khối sau khi sự phát triển của cây ngừng lại Nó cung cấp khả năng chống thấm nước, tăng độ chắc của cấu trúc và khả năng hồi phục trước các tấn công vật lý và sinh học, so với vách tế bào chỉ chứa carbohydrat ở các mô đang phát triển Lignin chiếm khoảng 10-25% sinh khối khô.
Lignin là một polyphenol có cấu trúc mở, đóng vai trò chất liên kết trong thành tế bào thực vật và liên kết chặt chẽ với mạng cellulose và hemicellulose, khiến việc tách lignin ra khỏi cellulose gặp nhiều khó khăn Lignin là polymer được cấu thành từ các đơn vị phenylpropene, trong đó các đơn vị điển hình được đề nghị là guaiacyl (G) từ coniferyl alcohol, syringyl (S) từ sinapyl alcohol và p-hydroxyphenyl (H) từ p-coumaryl alcohol, với tỉ lệ ba loại rượu này khác nhau ở từng loại thực vật Lignin chứa các nhóm hydroxyl (-OH), nhóm methoxyl (-OCH3) và nhân benzen, gồm các đơn vị cơ bản coniferyl alcohol, sinapyl alcohol và p-coumaryl alcohol, và tỉ lệ của chúng phụ thuộc vào loài cây Do các liên kết ester và liên kết C–C giữa các đơn vị, lignin tạo thành một mạng lưới liên kết ngang rộng trong tế bào, khiến lignin khó phân hủy và ảnh hưởng đến quá trình phân giải sinh học của thực vật.
Các nghiên cứu gần đây cho thấy lignin không đồng nhất về cấu trúc, gồm vùng vô định hình và các vùng có cấu trúc hình thuôn hoặc hình cầu Lignin có liên kết hóa học với hemicellulose và ngay cả với cellulose (không nhiều) Độ bền hóa học của các liên kết này phụ thuộc vào bản chất liên kết và cấu trúc hóa học của lignin cũng như các đơn vị đường tham gia liên kết.
Cấu trúc hóa học của lignin dễ bị biến đổi ở nhiệt độ cao và pH thấp, đặc biệt trong quá trình xử lý bước đầu bằng hơi nước hoặc trong môi trường axit/kiềm Khi nhiệt độ phản ứng vượt quá 200°C, lignin kết khối thành các phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose [3, 12, 40, 45, 53].
Hình 1.10 Cấu trúc ban đầu và cấu trúc vòng thơm của các tiểu đơn vị chính trong lignin
Thành phần lignin ở gỗ mềm, gỗ cứng và cỏ khác nhau về tỷ lệ các đơn vị cấu thành chính Gỗ mềm chủ yếu chứa đơn vị guaiacyl, gỗ cứng chứa phần lớn đơn vị syringyl, còn cỏ lại có một lượng đáng kể đơn vị p-hydroxyphenyl Việc nắm bắt sự khác biệt này giúp giải thích đặc tính và ứng dụng của lignin trong chế biến gỗ và các ứng dụng nông nghiệp.
Những khác biệt về cấu trúc lignin ảnh hưởng mạnh đến quá trình delignin bằng tác nhân hóa học và từ đó ảnh hưởng tới khả năng phá vỡ cấu trúc sinh khối Đơn vị guaiacyl có thể hình thành liên kết C-C ở vị trí C5 trên vòng benzen, liên kết này được hình thành cả trong quá trình tổng hợp và delignin Vị trí C5 của đơn vị syringyl bị thế và do đó không thể tham gia tạo cầu nối C-C Liên kết C-C khó bị thủy phân bởi acid hoặc base, do đó delignin ở gỗ mềm khó phá vỡ hơn so với gỗ cứng hay cỏ Lớp vỏ cứng lignin được coi là một thách thức lớn cho việc sử dụng năng lượng để phá vỡ cấu trúc sinh khối Lignin không chỉ ngăn cản sự thẩm thấu của enzyme phân hủy carbohydrate mà dư lượng lignin còn lại sau xử lý bước đầu gây cản trở cho thủy phân cellulose Vào năm 1998, Knut Lundquist và cộng sự đã chỉ ra khả năng tự phát quang của lignin ở một bước sóng nhất định.
Ở 360 nm, mẫu lignin được kích thích trong vùng bước sóng từ 240–320 nm Nghiên cứu cho thấy hiện tượng tự phát quang của lignin là do sự hiện diện của cấu trúc cinnamyl alcohol trong phân tử Bên cạnh đó, sự có mặt của các nhóm mang màu trong phân tử làm tăng cường quang phát quang so với các chất đối chứng Đây cho thấy mối liên hệ giữa cấu trúc hóa học của lignin và cường độ phát quang của nó.
19 là một khám phá quan trọng được sử dụng để chỉ thị tính hiệu quả của quá trình xử lý loại lignin khỏi sinh khối [11]
Hình 1.11 Mô hình phân tử lignin với các cầu nối C-C(màu cam) và C-O (màu xanh) [83]
Có nhiều phương pháp xử lý hóa học nhằm biến đổi lignin bằng cách thủy phân các liên kết ether của lignin Tuy vậy, thực tế cho thấy vẫn còn rất ít phương pháp hiệu quả loại bỏ lignin khỏi sản phẩm bột cellulose sau quá trình xử lý [56].
Hemicellulose là một nhóm polysaccharide chiếm khoảng 25% khối lượng sinh khối của thực vật, có trọng lượng phân tử nhỏ hơn cellulose rất nhiều, với độ polyme khoảng 100–200 đơn vị đường Thành phần của hemicellulose còn chứa đường hexose và pentose, trong đó hexose như mannose và galactose, cùng pentose như xylose và arabinose, tạo nên sự đa dạng monosaccharide trong cấu trúc polysaccharide này [19].
Hemicellulose là một polymer phức tạp và phân nhánh, với độ trùng hợp (DP) khoảng 70–200 Nó chứa cả đường hexose như D-glucose, D-mannose và D-galactose, cùng đường pentose D-xylose và L-arabinose Đơn vị cơ bản của hemicellulose là β-D-xylopyranose, liên kết với nhau bằng liên kết β-(1,4) Cấu trúc của hemicellulose rất phức tạp và đa dạng tùy nguồn nguyên liệu, nhưng có một số đặc điểm chung: mạch chính được xây dựng từ liên kết β-(1,4); xylose là thành phần quan trọng nhất và nhóm thế phổ biến nhất là nhóm acetyl-O- liên kết.
Hemicellulose có mạch nhánh ở vị trí 2 hoặc 3 Mạch nhánh được cấu tạo từ các nhóm đơn giản, thông thường là disaccharide hoặc trisaccharide Sự liên kết của hemicellulose với các polysaccharide khác và với lignin là nhờ các mạch nhánh này Cũng vì hemicellulose có mạch nhánh nên tồn tại ở dạng vô định hình và vì thế dễ bị thủy phân [3].
Hemicellulose có thể có cấu trúc rẽ nhánh và được đính thêm các nhóm thế như acetyl, methyl, cinnamic, glucuronic hay galacturonic acid Ví dụ, mạch chính của galactoglucomannan, một hemicellulose phân nhánh được tìm thấy trong gỗ mềm, được tạo thành từ các liên kết β-1,4 của các đơn vị β-D-glucopyranosyl và D-mannopyranosyl; các đơn vị mannosyl bị thế ở mức acetyl tại vị trí C2 và C3 và bằng liên kết α-1,6-glycosid của đơn vị β-D-galactopyranosyl Các nhóm acetyl hay methyl của hemicellulose được cho là liên kết với lignin, tạo ra sự liên kết giữa ba thành phần chính của sinh khối Hemicellulose dễ bị thủy phân, đặc biệt là ở môi trường acid và dễ dàng bị loại bỏ trong quá trình xử lý bước đầu sinh khối.
Hình 1.12 Cấu trúc hemicellulose với phần D-galatose (màu xanh đậm), D-glucose
(màu xanh lá), L-arabinose (màu đỏ) [17]
1.3.2 Đặc điểm cấu tạo các thành phần cấu tạo chính của bã mía
Cây mía (Saccharum officinarum) vào năm 2017 đã đạt sản lượng 1,84 tỷ tấn trên toàn thế giới Tuy nhiên, ngoài công nghiệp sản xuất đường và cồn thì phần xơ chưa được sử dụng toàn diện, và lên tới khoảng 30% dư phẩm từ các nhà máy đường và cồn Bã mía chứa lượng cellulose lên tới 45-55%, hemicellulose từ 20-27,5%, lignin từ 18-26,3% và các thành phần khác khoảng 7% Từ bã mía khô chứa: 40-50%
Phương pháp xử lý bước đầu nguyên liệu lá ngô, bã mía bằng chất lỏng ion
1.4.1 Một số phương pháp xử lý bước đầu nguyên liệu sinh khối
Sự có mặt của lignin trong thành tế bào của cây tham gia vào phần kết tinh tự nhiên của sợi cellulose và gây ra một thách thức lớn trong việc phá vỡ cấu trúc sinh khối và phân hủy cấu trúc polymer của cellulose Rất nhiều phương pháp xử lý ở bước đầu, dựa trên các kỹ thuật vật lý và hóa học, đã được áp dụng để cải thiện quá trình này nhằm nâng cao hiệu suất thu được cellulose cho công nghiệp giấy và tăng khả năng tiếp cận của enzyme và axit với cellulose để thủy phân dễ dàng hơn [29, 46].
1.4.1.1.Xử lý bằng phương pháp cơ học
Mục tiêu của phương pháp là tăng kích thước lỗ và diện tích bề mặt của sinh khối, từ đó làm giảm độ kết tinh và độ polymer hóa của cellulose Các kỹ thuật được ứng dụng phổ biến nhằm kích thích sự phản ứng và dễ xử lý sinh khối bao gồm nghiền, siêu âm, đùn cơ học, nhiệt phân và xung điện trường Tuy nhiên, do tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí vốn đầu tư lớn nên việc xử lý bước đầu bằng phương pháp cơ học thường không được ưu tiên trong sản xuất thực tế.
Xử lý bằng nghiền cơ học: gồm nhiều phương pháp như nghiền bi, nghiền keo
(colloid mill), nghiền búa, nghiền vibro-energy,…Tùy theo dạng vật liệu ướt hay khô
Việc nghiền, kể cả nghiền bi, nếu được áp dụng với các phương pháp thích hợp, rất hiệu quả trong việc giảm kích thước vật liệu nhưng lại tiêu tốn nhiều năng lượng và là nhược điểm lớn khi nâng cấp quy mô; thêm vào đó, quá trình nghiền không thể loại bỏ lignin, khiến nó gặp hạn chế khi xử lý sinh khối chứa nhiều lignin [9].
Xử lý bằng vi sóng là một phương pháp có nhiều ưu điểm trong xử lý sinh khối: nhẹ nhàng, khả năng gia nhiệt nhanh và đồng đều, rút ngắn thời gian xử lý, giảm sinh ra chất ức chế và tiết kiệm năng lượng Công nghệ này giúp tránh sự bất đồng nhất nhiệt trong sinh khối, từ đó hạn chế hình thành các chất phân hủy như acid humic và furfural Thường được kết hợp với kiềm và tiến hành trong bình kín để thúc đẩy tốc độ phân rã sinh khối và cải thiện hiệu quả gia nhiệt.
1.4.1.2 Xử lý bằng phương pháp hóa lý
Xử lý bằng nổ hơi (steam explosion) là một phương pháp kết hợp giữa công nghệ hóa học và vật lý để phá vỡ cấu trúc nguyên liệu sinh khối và tăng khả năng thấm của enzyme và axit trong quá trình thủy phân sau này Phương pháp này thường được thực hiện ở nhiệt độ 150–240 oC và áp suất từ 0,7–4,8 MPa kéo dài từ vài giây đến vài phút Cơ chế chính là hemicellulose bị phá vỡ ở khoảng 150 oC, còn lignin bị bẻ gãy ở trên 180 oC; sau đó hạ áp nhanh để làm phá vỡ cấu trúc sợi Sự phá vỡ này giúp tăng khả năng tiếp cận của enzyme và axit trong quá trình thủy phân sau này [13] Ưu điểm của phương pháp là chi phí thấp, giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường và làm cho gần như toàn bộ hemicellulose và một phần lignin trở nên dễ hòa tan Tuy nhiên, một phần hemicellulose bị phân hủy có thể sinh ra tạp chất không mong muốn và không phá hủy hoàn toàn phức hợp lignin–carbohydrate tồn tại trong sinh khối Về kinh tế, phương pháp này có lợi về chi phí tái tạo chất và lượng hoá chất dùng rất ít, và đặc biệt hiệu quả khi xử lý gỗ cứng.
Phương pháp AFEX (ammonia fiber explosion) là một phương pháp tiền xử lý sinh khối bằng amoniac được thực hiện ở điều kiện 60–100°C dưới áp suất 1,72–2,09 MPa, với cơ chế loại bỏ lignin và một phần hemicellulose khỏi sinh khởi; trong quá trình này, amoniac đậm đặc (0,3–2 kg NH3/kg trọng lượng khô) được sử dụng làm chất xúc tác Amoniac được bổ sung vào sinh khối trong lò phản ứng có áp suất cao; sau 5–45 phút, áp suất được giải phóng.
Phương pháp AFEX (ammonia fiber explosion) có nguyên lý tương tự nổ hơi và được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 90°C Amoniac có thể được thu hồi và tái sử dụng nhờ đặc tính bay hơi dễ của nó, giúp giảm lượng hóa chất tiêu thụ Nguyên lý của AFEX cho hiệu suất loại bỏ lignin cao, ít tạo chất ức chế cho các phản ứng sau và điều kiện thực hiện phản ứng tương đối nhẹ nhàng Tuy vậy, nhược điểm chính là xử lý sinh khối có lượng lignin lớn không đạt hiệu quả cao và chi phí vận hành tốn kém Khi nâng cấp, cần hệ thống tái thu hồi amoniac hiệu quả và lượng amoniac lớn cần sử dụng là hai khó khăn chính Có thể nói AFEX ít tạo ra các chất độc hại nhưng với lượng amoniac lớn gây ảnh hưởng môi trường không khí Bên cạnh đó, phương pháp không thích hợp xử lý sinh khối khô và chứa nhiều lignin.
Xử lý bằng CO2 siêu tới hạn được thực hiện ở điều kiện khoảng 200°C và áp suất từ 6,90–27,59 MPa để phân rã lignin và hemicellulose trong sinh khối Ưu điểm nổi bật là tăng bề mặt phản ứng thông qua mở rộng các lỗ xốp của sinh khối và không sinh ra chất độc hại, mang lại tính thân thiện với môi trường Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp này là chi phí cao và yêu cầu thiết bị chịu áp suất lớn Về mặt kinh tế, chi phí mua sắm thiết bị chuyên dụng chịu áp suất cao và việc sử dụng lượng lớn amoniac ở quy mô lớn là những thách thức, trong khi CO2 lại tương đối rẻ tiền và sẵn có Thêm vào đó, phương pháp này không phù hợp để xử lý sinh khối ở dạng khô.
1.4.1.3 Xử lý bằng phương pháp hóa học
Xử lý bằng acid loãng gây phản ứng thủy phân lignocellulose, đặc biệt là hemicellulose, với nước ở nhiệt độ và áp suất nhất định, dẫn tới giải phóng axit acetic và axit ferulic; các axit này có thể hình thành ester với đường pentose của phần hemicellulose Quá trình thủy phân hemicellulose tạo ra xylose và có thể dẫn tới tạo furfural Cấu trúc lignin bị biến đổi, giúp cải thiện sự tiếp cận của enzyme đối với cellulose Việc sử dụng acid loãng như HCl, HNO3 hoặc H2SO4 cải thiện việc phân giải lignin khỏi hemicellulose và phá vỡ cấu trúc tinh thể của cellulose, được áp dụng rộng rãi để xử lý các loại sinh khối như switchgrass, gỗ mềm và gỗ cứng Tuy nhiên, quá trình này sinh ra các sản phẩm ức chế như furfural, aldehid, 5-hydroxymethylfurfural và axit phenolic nên ít được ưa chuộng.
Có hai phương thức chủ yếu là: thời gian ngắn trong 1-5 phút ở nhiệt độ cao trên
Quá trình tiền xử lý bằng axit được thực hiện ở nhiệt độ cao khoảng 180°C với thời gian từ 30–90 phút, và có thể diễn ra ở nhiệt độ dưới 120°C tùy điều kiện Yêu cầu về thiết bị cần chú ý chống ăn mòn để giảm nguy cơ hư hỏng và tránh gia tăng giá thành do sự ăn mòn Để tăng cường tính khả thi về mặt kinh tế của quá trình tiền xử lý bằng axit, việc thu hồi axit ở cuối quá trình xử lý là một bước quan trọng.
Xử lý bằng axit đặc: axit phosphoric đặc (85%) có thể hòa tan cellulose ở nhiệt độ phòng nhanh chóng Cellulose hòa tan sau đó có thể được kết tủa bằng cách thêm nước, cho ra cellulose có tỷ lệ vô định hình cao, dễ thủy phân hơn Cách làm này làm tăng nhu cầu tái thu hồi axit do chi phí cao Ngoài axit H3PO4 đặc, axit peracetic cũng có thể loại bỏ lignin ra khỏi sinh khối, nhưng vấn đề về chi phí và an toàn lại là hạn chế rất lớn [77].
Xử lý kiềm là phương pháp dùng kiềm mạnh nhằm hòa tan lignin do phá vỡ các liên kết của lignin và hemicellulose, đồng thời cellulose cũng bị trương nở trong quá trình này Hàm lượng lignin ảnh hưởng rất lớn đến kết quả của quá trình xử lý kiềm; lignin càng nhiều có thể làm giảm hiệu quả phân giải và làm tăng độ phức tạp khi tách lignocellulose, trong khi lignin ở mức thấp sẽ tạo điều kiện cho việc tách lignocellulose và nâng cao hiệu suất xử lý.
NH3, NaOH, KOH, Ca(OH)2 là những hydroxyd hay được sử dụng nhất , trong số này NaOH là chất được sử dụng phổ biến nhất, trong khi Ca(OH)2 là chất rẻ nhất nhưng rất hiệu quả trong số các chất kiềm khác i Sử i dụng i NaOH i đặc i là i cơ i sở i cho i quy itrình i Kraft i để i sản i xuất i bột i giấy i và i giấy i từ i gỗ i Ngoài i NaOH, i cũng i có i thể i sử i dụng các kiềm khác i như i Ca(OH)2: i nếu i hàm i lượng i lignin i thấp i thì i cần i đun i nóng i ở i 100-120 o C itrong i 1-2 i giờ i Nếu i hàm i lượng i lignin i cao i cần i xử i lý i ở i 55 o C i trong i thời i gian i dài [77] So với các phương pháp xử lý khác, xử lý bằng kiềm cần ít áp suất hơn, nhiệt độ và điều kiện môi trường xung quanh, nhưng xử lý bước đầu với kiềm cần thời gian tính bằng ngày và giờ [9]
Xử lý bằng dung môi hữu cơ: một dung môi hữu cơ hoặc hỗn hợp nước và dung môi hữu cơ, có mặt xúc tác acid (HCl hoặc H2SO4), bẻ gãy các liên kết hemicellulose và lignin Các dung môi đã được nghiên cứu là MeOH, EtOH, aceton, ethylen glycol và tetrahydrofufuryl alcol Xử lý bằng EtOH nóng được phát triển đầu tiên để sản xuất bột giấy Hợp phần lignin được chiết tách đã được chứng minh cho tiềm năng cung cấp các sản phẩm như keo dán hay polyme Tái sử dụng dung môi là yêu cầu bắt buộc cho quá trình để hạ giá thành cũng như giảm gánh nặng cho môi trường [77]
1.4.1.4 Xử lý bằng phương pháp sinh học
Xử lý sinh học bước đầu mang lại ưu điểm nổi bật như chi phí rất hợp lý, không cần sử dụng hóa chất và tái tạo hóa chất, tiêu thụ rất ít năng lượng, không cần chất xúc tác, đồng thời an toàn và thân thiện với môi trường Vi khuẩn và vi nấm có thể được sử dụng để thủy phân cellulose hoặc depolymer hóa lignin và loại bỏ lignin Điều kiện xử lý phụ thuộc mạnh vào các yếu tố vật lý (nhiệt độ, kích thước tiểu phân), hóa học (pH) và sinh học (chủng vi khuẩn hay vi nấm) Tuy nhiên nhược điểm chính là tỷ suất thủy phân thấp và cần khu vực xử lý vô trùng lớn Khi mở rộng quy mô lên công nghiệp, hiệu quả thường giảm và tỷ lệ phản ứng thấp [85, 88].
1.4.2 Xử lý bước đầu sinh khối bằng chất lỏng ion
Phương pháp điều chế MCC bằng cách thủy phân cellulose
Quá trình depolymer hóa cellulose bằng một số acid vô cơ có thể dễ dàng thủy phân vùng vô định hình của cellulose để thu được các chuỗi ngắn hơn với tỷ lệ kết tinh cao hơn, điển hình là MCC Tuy nhiên, vùng cellulose kết tinh lại khó bị thủy phân bởi acid loãng do khó thấm vào để thủy phân liên kết β-glycosid vì sự cản trở của liên kết hydro nội và liên kết giữa các chuỗi (liên phân tử).
Nguyên lý chủ đạo của các phương pháp điều chế MCC là cắt đứt các liên kết glycosid trong phần vô định hình của cellulose Cả axit vô cơ lẫn hữu cơ đã được khảo sát kỹ về khả năng thủy phân qua các nghiên cứu trước đây ở các điều kiện khác nhau Sarwar và cộng sự năm 2010 đã điều chế MCC bằng cách đun sôi axit formic đặc 90% với tỷ lệ 8:1 so với nguyên liệu trong 2 giờ Tiếp theo, Nattaporn và Surached áp dụng một phương pháp khác: đun dung dịch H2SO4 50% với tỷ lệ thể tích axit tới cellulose là 50 lần, sau khi cellulose được đông lạnh bằng nitơ lỏng trước đó.
Trong cùng năm 2015, Maza cũng sử dụng các axit đặc như HCl 37% hoặc H2SO4 64% để thuỷ phân cellulose ở 45°C trong 30 phút nhằm thu MCC và cellulose nanocrystalline Thực tế, hiệu suất của phương pháp thuỷ phân bằng axit thường không cao và phụ thuộc vào chất lượng nguồn nguyên liệu cellulose Đồng thời, lượng nước tiêu thụ để trung hoà dung dịch thuỷ phân và năng lượng cho quá trình phun sấy, tạo hạt khi sản xuất MCC rất lớn và cần được cân nhắc.
Các kết quả liên quan từ các nghiên cứu tiền đề và lựa chọn định hướng nghiên cứu của đề tài luận văn
Trong năm 2018, tác giả N.B Lộc đã tổng hợp thành công hai chất lỏng ion là N,N-diethyethanolamoni hydrosulfat và diethanolamoni hydrosulfat với hiệu suất lần lượt 99% và 97%, và việc sử dụng chúng để điều chế MCC từ sinh khối lá ngô đạt hiệu suất 80% và 85% ở quy mô phòng thí nghiệm [7] Nghiên cứu năm 2021 của N.T.Ngọc Bích cho thấy có thể điều chế diethanolamoni hydrosulfat với hiệu suất 99% và dùng để sản xuất MCC từ bã mía với hiệu suất 77%, MCC thu được có độ kết tinh, độ tinh khiết và kích thước hạt tương đương MCC thương phẩm [1] Tác giả N.T.Oanh Oanh thực nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm tổng hợp được một số ionic liquids với hiệu suất cao: diethanolamoni hydrosulfat 99,0%, diethanolamoni clorid 99,2% và pyridin hidroclorid 99,4%, và đánh giá cho thấy pyridin hydroclorid có khả năng hòa tan cellulose tốt nhất, đồng thời khả năng hòa tan dư phẩm nông nghiệp và tách cellulose của pyridin hydroclorid và diethanolamoni hydrosulfat là tối ưu; kết quả còn cho thấy khả năng loại bỏ lignin khỏi sản phẩm [8].
Các nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm đóng vai trò làm nền tảng cho việc nâng cấp lên quy mô lớn hơn Trong luận văn này, chúng tôi hướng tới nghiên cứu ở quy mô pilot nhằm đánh giá khả năng điều chế và xây dựng quy trình điều chế MCC bằng IL từ dư phẩm sau nông nghiệp như lá ngô và bã mía.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nguyên vật liệu và thiết bị
2.1.1 Các dư phẩm sau thu hoạch
Trong khuôn khổ nghiên cứu này, các dư phẩm sau thu hoạch dự kiến được sử dụng gồm nguồn dư phẩm từ lá ngô và bã mía, được thu thập từ khu vực ngoại thành Hà Nội nhằm bảo đảm tính đại diện và tính khả thi của dữ liệu Việc khai thác các dư phẩm này giúp tối ưu nguồn lực và tăng tính bền vững của nghiên cứu, đồng thời đóng góp cho các mục tiêu nghiên cứu liên quan.
2.1.2 Thiết bị và hóa chất
Hóa chất được cung cấp bởi các hãng Merck, Sigma Aldrich, Acros và một số hãng của Trung Quốc Các hóa chất đạt độ tinh khiết kỹ thuật
Bảng 2.1 Một số hoá chất được sử dụng
Một số trang thiết bị sử dụng để điều chế vào đánh giá chất lượng trong nghiên cứu được thể hiện ở bảng dưới
Bảng 2.1 Một số trang thiết bị được sử dụng
1 Máy đo Autospec Premier MS
2 Máy đo Autospec Premier MS
3 Máy Shimadzu đo phổ IR
4 Máy Avance 600 MHz (Bruker) đo phổ cộng hưởng từ 1H-NMR , 13C- NMR
6 Máy cắt nguyên liệu bán công nghiệp
7 Máy vắt nguyên liệu bán công nghiệp
11 Máy nghiền nguyên liệu bán công nghiệp
12 Thiết bị phản ứng thủy tinh 2 lớp dung tích 100 lít, chịu được acid: bộ phận của công ty Hóa Dược Minh Trí
13 Bình chứa nguyên liệu composite sợi thủy tinh (FRP)
14 Tủ sấy bán công nghiệp
16 Kính hiển vi quang học Olympus
17 Máy đo độ cứng viên Pharma Test
18 Máy dập viên tâm sai
Phương pháp nghiên cứu
2.2.1.1 Phương pháp điều chế chất lỏng ion
Phương pháp điều chế chất lỏng ion protic là kỹ thuật tổng hợp một số chất lỏng ion bằng cách cho axit mạnh như HCl hoặc H2SO4 phản ứng với các amin (base) Trong quá trình này, việc pha loãng amin và axit với nước nhằm giảm độ nhớt và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình điều chế Do phản ứng giữa amin và H2SO4 tỏa nhiệt mạnh, cần áp dụng biện pháp làm lạnh, ví dụ dùng nước đá, để hạ nhiệt và đảm bảo an toàn trong suốt quá trình thực hiện.
Quy trình chung để điều chế chất lỏng ion thường bắt đầu bằng việc cân lượng amin phù hợp và hòa tan vào nước để tạo dung dịch đồng nhất; tiếp theo là pha loãng axit mạnh (như H2SO4 98% hoặc HCl 36%) bằng nước lạnh và khuấy đều; cuối cùng là nhỏ từ từ dung dịch axit đã pha vào dung dịch amin đã được làm lạnh, đồng thời khuấy liên tục để đảm bảo phản ứng xảy ra đồng đều.
30 khuấy Sau đó cất quay chân không ở nhiệt độ 70 o C cho tới khối lượng không đổi, thu được chất lỏng ion
Cấu trúc của các chất lỏng ion được xác định bằng Phổ IR của các mẫu chất lỏng ion điều chế, được ghi tại Bộ môn Hóa Vô cơ, Khoa Hóa học, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, trên máy Shimadzu với kỹ thuật viên nén KBr, trong vùng 4000-400 cm-1, và phổ được ghi ở độ phân giải 4 cm-1.
Phổ khối lượng được ghi nhận bằng máy LC-MSD-Trap XL (Agilent Technologies) tại Phòng Phân tích Cấu trúc, Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Máy LC-MSD-Trap XL hoạt động theo phương pháp ion hóa phun bụi điện tử (ESI) và cho độ phân giải trên 60.000 Đặc điểm của phổ khối lượng này là ion được ghi nhận có thể mang điện dương hay âm tùy theo chế độ bẫy ion (ESI(+)/ESI(-)).
Phổ NMR được ghi trên máy cộng hưởng từ hạt nhân Bruker AC-500 MHz tại Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, sử dụng dung môi DMSO-d6 Phổ 1H-NMR được đo ở tần số 600 MHz, phổ 13C-NMR được đo ở tần số 150 MHz Độ dịch chuyển hoá học (δ, ppm) được tham chiếu theo chất chuẩn nội TMS và ghi ở nhiệt độ khoảng 27 °C Phổ 1H-NMR cung cấp dữ liệu về tỉ lệ tích phân giữa các pic, độ phức tạp (multiplicity) và dạng vân phổ, từ đó xác định được hằng số tương tác JH-H.
H, tương quan giữa các hằng số này để góp phần khẳng định khung cấu trúc, vị trí các nhóm thế Độ dịch chuyển hóa học của proton (δ1H) được lấy tới số thập phân thứ 2 (tần số đo 600MHz) Phổ 13 C-NMR cho biết số carbon có trong phân tử hợp chất, độ dịch chuyển hóa học và bậc của các carbon, từ đó cũng góp phần xác định cấu tạo của hợp chất cũng như vị trí các nhóm thế Độ dịch chuyển hóa học của carbon (δ
13C) được lấy tới số thập phân thứ 2 (tần số đo 150MHz)
2.2.1.2 Phương pháp tách cellulose từ lá ngô, bã mía sử dụng chất lỏng ion
Lá ngô là nguồn nguyên liệu lignocellulose, với thành phần chính là cellulose, lignin và hemicellulose Quá trình sơ chế bắt đầu bằng thu hoạch lá ngô, rửa sạch bằng nước máy và loại bỏ râu ngô cùng các lá bị sâu bệnh, để ráo nước Tiếp theo, lá ngô được cắt nhỏ, nghiền và sấy khô để chuẩn bị cho các bước xử lý tiếp theo [19].
Bã mía là nguồn lignocellulose và cellulose dồi dào Trong quy trình sơ chế, bã mía được thu hồi và rửa sạch với nước máy để loại bỏ bụi bẩn, rồi xử lý bằng nước nóng nhằm tăng hiệu quả tách lignocellulose, sau đó rửa lại bằng nước máy và để ráo nước Tiếp theo, bã mía được phơi khô, cắt nhỏ, nghiền và sấy khô để đạt độ ẩm và kích thước phù hợp cho các bước xử lý tiếp theo.
Xử lý bước đầu sinh khối từ lá ngô bằng chất lỏng ion gồm hai bước: hòa tan sinh khối trong chất lỏng ion và kết tủa chọn lọc từng thành phần dựa trên sự khác biệt về tính tan bằng các phản dung môi khác nhau Phản dung môi có thể là nước, ethanol, hoặc dung dịch aceton trong nước Trong nghiên cứu này, chúng tôi chọn phản dung môi để tách cellulose ra khỏi dung dịch là hỗn hợp aceton trong nước (tỷ lệ 1:1) [1, 8].
Quy trình chung để tách cellulose từ sinh khối bắt đầu bằng việc cân lượng nguyên liệu khô và chất lỏng ion phù hợp Chất lỏng ion được đưa vào bình phản ứng chịu axit và gia nhiệt đến 120°C Sau khi thêm nguyên liệu, khuấy đều cho đến khi hệ ổn định và duy trì nhiệt độ 120°C trong 3 giờ để hòa tan hoàn toàn nguyên liệu, sau đó dừng đun và để nguội xuống nhiệt độ phòng Tiếp theo thêm dung môi và khuấy đều trong 10 phút để cellulose kết tủa hoàn toàn Lọc hỗn hợp bằng phễu lọc, rửa kết tủa thu được bằng nước cất lạnh 3 lần để loại bỏ hoàn toàn chất lỏng ion Cuối cùng, sấy khô mẫu ở nhiệt độ phù hợp cho tới khi khối lượng khô ổn định.
60 o C, trong 3 giờ, thu được bột cellulose thô có màu nâu
2.2.1.3 Phương pháp tẩy trắng cellulose thô
Quy trình tẩy trắng cellulose bằng H2O2 ở nồng độ 30% được thực hiện trên bột cellulose thô thu được từ nguyên liệu sinh khối Bột cellulose thô được cho vào bình phản ứng, lắp sinh hàn thẳng và gắn nhiệt kế để theo dõi quá trình Thêm dung dịch H2O2 30% theo tỉ lệ 5:1 (thể tích:khối lượng) so với khối lượng bột cellulose thô Nâng nhiệt độ lên 80°C và đun hồi lưu trong 1 giờ Lọc bằng phễu Buchner, rửa với nước cất lạnh 3 lần Sấy khô ở nhiệt độ 60°C trong 3 giờ để thu được cellulose thô có màu trắng.
2.2.1.4 Phương pháp điều chế cellulose vi tinh thể sử dụng chất lỏng ion
Ở hiện diện của nước, ion HSO4- thể hiện tính axit và có thể xúc tác phản ứng phân cắt liên kết glycosid của cellulose, đặc biệt là ở các liên kết glycosid trong vùng vô định hình Quá trình này làm cho cellulose dễ bị phân hủy nhờ axit tại các khu vực phi tinh thể Tỷ lệ kết tinh của cellulose ảnh hưởng đến lượng MCC (microcrystalline cellulose) còn lại sau quá trình xử lý, bởi phần tinh thể kháng cự phân hủy nhiều hơn phần vô định hình Do đó, mức độ kết tinh của cellulose là yếu tố quyết định lượng MCC thu được sau xử lý axit sulfuric Nhờ nắm rõ vai trò của HSO4- và cấu trúc tinh thể, ta có thể tối ưu hóa quy trình sản xuất MCC từ cellulose bằng axit sulfuric.
Độ thủy phân càng cao, hiệu suất điều chế MCC càng lớn Để tối ưu hóa quy trình, đề xuất điều chế MCC bằng chất lỏng ion như sau: cân chất lỏng ion vào bình phản ứng, lắp heater và thermometer, gia nhiệt tới 120 oC; thêm bột cellulose thô vào dung môi và khuấy đều cho đến khi đồng nhất; thêm nước cất đang sôi để kết tủa cellulose; đun hồi lưu 1 giờ; để hỗn hợp nguội tự nhiên xuống nhiệt độ phòng; thêm nước cất, lọc bằng phễu Buchner dưới áp suất chân không để thu MCC; rửa MCC bằng nước cất lạnh 5 lần; sấy khô ở 60 oC bằng tủ sấy trong 3 giờ, thu được MCC thành phẩm.
2.2.2 Phương pháp đánh giá chất lượng MCC điều chế được theo tiêu chuẩn
Các phương pháp được dưới đây bám sát theo Dược điển Mỹ 42 [87]
A.Sử dụng dung dịch kẽm clorid xử lý bằng iod: Hòa tan 20 g ZnCl2 và 6,5 g
Phương pháp này bắt đầu bằng hòa KI vào 10,5 mL nước, sau đó thêm 0,5 g Iod và lắc liên tục 15 phút cho đến khi dung dịch đồng nhất Tiếp theo lấy 10 mg mẫu đặt trên mặt kính (watch glass) và nhỏ 2 mL dung dịch đã chuẩn bị lên trên, quan sát sự thay đổi màu để đánh giá kết quả.
Mẫu: 1,3 g MCC chính xác đến hàng 0,1 mg
Phương pháp: chuyển mẫu vào bình nón dung tích 125 mL, thêm 25,0 mL nước cất và 25,0 mL đồng ethylenediamin hydroxid 1,0 M Ngay lập tức đuổi khí với
Dùng khí N2 đậy kín bình và lắc đều cho đến khi dung dịch tan hoàn toàn Chuyển một thể tích thích hợp dung dịch mẫu vào máy đo độ nhớt hoặc ống Cannon-Fenske 150 Đưa dung dịch đã chuẩn bị vào trạng thái cân bằng ở 25 ± 0,1 °C trong thời gian tối thiểu 5 phút Theo dõi thời gian dòng chảy giữa hai điểm trên máy đo độ nhớt và ghi lại thời gian dòng t1 (s).
Tính hệ số động học nhớt (KV)1: Kết quả = t1 x k1 với t1 = thời gian dòng (s) và k1 = hằng số nhớt của máy đo độ nhớt
Tiếp tục đo và thu thời gian dòng t2 của dung dịch đồng ethylenediamin hydroxid 0,5 M đo bằng máy đo độ nhớt hay ống Cannon-Fenske 100
Tính toán hệ số động học nhớt (KV)2 : Kết quả = t2 x k2 với t2 = thời gian dòng của dung dịch đồng ethylenediamin hydroxid 0,5 M (s) và k2 = hằng số nhớt của máy đo độ nhớt
Xác định độ nhớt tương quan 𝜂 𝑟𝑒𝑓 của mẫu MCC : Kết quả = (KV)1/ (KV)2
Xác định độ nhớt nội tại [𝜂] 𝑐 bằng nội suy từ bằng độ nhớt nội tại (Intrinsic viscosity table) tại mục tham khảo