Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ chế biến dầu khí NGHIÊN cứu TỔNG hợp POLYLACTIC ACID từ ACID LACTIC

người ta tập trung vào hướng nghiên cứu, ứng dụng các loại vật liệupolymer có khả năng phân hủy sinh học [4], đó là các loại vật liệu polymer sau mộtthời gian nhất định trong điều kiện m

LỜI CẢM ƠN

Đồ án tốt nghiệp không chỉ là một học phần đơn thuần mà còn là sự tổng kếtnhững kiến thức mà sinh viên đã tiếp thu trên giảng đường Đại học trong suốtnhững năm là sinh viên Đồ án tốt nghiệp cũng phản một phần năng lực của sinhviên sau khi rời giảng đường Đại học Vì vậy, trong suốt thời gian thực hiện đồ ánnày chúng tôi luôn xác định tầm quan trọng và nổ lực hết mình để thực hiện nó

Ở đồ án tốt nghiệp này ngoài nổ lực bản thân, chúng tôi đã nhận được rất nhiều

sự giúp đỡ nhiệt tình và tạo mọi điều kiện tốt nhất từ Thầy, Cô bộ môn “Công nghệHóa học Dầu và Khí” thuộc khoa Hóa, trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng, cùngvới các bạn sinh viên trong lớp 10H5 Đặc biệt, chúng tôi chân thành cảm ơn TS.Nguyễn Thị Diệu Hằng về những quan tâm sâu sắc và sự chỉ đạo thường xuyêntrong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Vì thời gian có hạn và những điều kiện khách quan khác, bên cạnh đó đây là lầnđầu tiên chúng tôi tiếp cận với đề tài khoa học nên không thể tránh khỏi những thiếusót và hạn chế Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của Thầy, Cô và các bạnsinh viên để hoàn thiện hơn đề tài này

Cuối cùng, chúng tôi chúc tất cả quý Thầy, Cô và các bạn sinh viên nhiều sứckhỏe và thành công trong cuộc sống

Đà nẵng, ngày 31 tháng 5 năm 2015

Người thực hiện đề tài

Hoàng Ngọc Tấn – Huỳnh Văn Truyền

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DSC - Differential Scaning Calorimetry: phân tích nhiệt quét vi sai

GC - Gas Chromatography: phương pháp sắc ký khí

GPC - Gel Permeation Chromotography: phương pháp sắc ký thẩm thấu qua gelFT-IR- Fourier Transform Infrared: phương pháp phân tích phổ hồng ngoại biến đổiFourier

KLPT: khối lượng phân tử

LA: Lactic Acid

PLA: Poly Lactic Acid

PLLA: poly L-lactic acid

PDLA: poly D-lactic acid

ROP - Ring Opening Polymerization: quá trình polymer hóa mở vòng

SEM - Scanning Electron Microscope: kính hiển vi điện tử quét

XRD: phương pháp nhiễu xạ tia X

VSV: vi sinh vật

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

LỜI NÓI ĐẦU

Một trong những thành tựu quan trọng của nhân loại trong thế kỷ XX là sự rađời và phát triển của vật liệu polymer tổng hợp Với những ưu điểm nổi trội về cáctính năng cơ lý, kỹ thuật của nó, vật liệu này đã nhanh chóng được ứng dụng rộngkhắp trong các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật từ những ứng dụng trong các lĩnh vực kỹthuật cao như nghiên cứu vũ trụ, đại dương cho đến những ứng dụng đa dạng trongcuộc sống hàng ngày của loài người Chính vì vậy mà số lượng và chủng loại củavật liệu này đã tăng lên liên tục Một lượng lớn polymer tổng hợp được thương mạihóa: polystyrene, poly (metyl metacrylat), nilon 6-6, PVC, PE,…[1] Sản lượng của

nó đã vượt con số 100 triệu tấn/năm Ở nước ta, với sự phát triển kinh tế, xã hộitrong những năm qua, sản lượng vật liệu polyme sử dụng cũng tăng lên liên tục.Theo con số thống kê của Hiệp hội Nhựa Việt Nam, mặc dù chưa có nền côngnghiệp sản xuất polyme tổng hợp nhưng sản lượng vật liệu này sử dụng ở Việt Namtăng rất nhanh trong những năm qua Nếu như năm 1995 mới chỉ trên dưới 400.000tấn/năm thì năm 2000 đã là 950.000 tấn/năm và năm 2010 là 4.200.000 tấn/năm(chưa kể đến các sản phẩm cao su các loại) Tương ứng với con số trên, mỗi năm ởViệt Nam cũng thải ra hàng trăm ngàn tấn vật liệu polymer phế thải (bao gồm cácsản phẩm từ cao su, nhựa)

Tuy nhiên, bên cạnh những mặt tích cực vẫn tồn tại mặt trái của sự phát triểnnhanh chóng này là vấn đề ô nhiễm môi trường do các sản phẩm từ vật liệu này sauthời gian sử dụng nhất định thải ra môi trường mỗi năm với khối lượng khổng lồ[2,3] Chúng rất bền và cần rất nhiều thời gian để chúng bị phân hủy trong điều kiệnmôi trường tự nhiên Sự ô nhiễm môi trường hiện nay do rác thải từ các sản phẩm

có nguồn gốc từ polymer tổng hợp đang ở mức hết sức nghiêm trọng Vì vậy cácloại polymer sinh học có khả năng phân hủy sinh học sẽ là giải pháp căn bản giảiquyết các vấn đề trên

Đầu thế kỷ XXI, lĩnh vực vật liệu polymer sinh học đã có được những bước tiếnquan trọng Ở những nước phát triển như Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nhật, Trung Quốc

và Hàn Quốc, người ta tập trung vào hướng nghiên cứu, ứng dụng các loại vật liệupolymer có khả năng phân hủy sinh học [4], đó là các loại vật liệu polymer sau mộtthời gian nhất định trong điều kiện môi trường có khả năng phân hủy thành nhữngphân tử đơn giản hơn có trong môi trường như CO2 và nước, Các nhà nghiên cứuvật liệu mới đang tập trung nghiên cứu và cho ra hàng loạt polymer sinh học có khảnăng ứng dụng cao thay thế các vật liệu polymer tổng hợp Sự phát triển này đượcthúc đẩy từ 3 yếu tố chủ yếu: (1) giá dầu thô – giá thành nguyên liệu và chi phí năng

lượng sản xuất polymer truyền thống tăng; (2) pháp luật – nhờ sự hỗ trợ, chính sách

ưu đãi của các chính phủ làm cho việc sử dụng polymer sinh học hấp dẫn hơn sovới polymer truyền thống; (3) nhận thức – nhận thức về việc sử dụng sản phẩm táitạo, thay thế làm tăng giá trị kinh tế một cách bền vững của các nhà doanh nghiệp,các nhà bán lẻ [5]

Các loại polymer dựa trên polymer acid lactic (PLA) là ví dụ điển hình của sựphát triển ngành chế tạo vật liệu sinh học PLA là một loại polyester mạch thẳng làsản phẩm ngưng tụ của acid Lactic (LA) – một loại nguyên liệu được tổng hợp từphương pháp tổng hợp qua con đường hóa học hoặc từ tinh bột, xenloluzo, rỉđường, bằng phương pháp lên men Hiện nay có nhiều phương pháp tổng hợpPLA từ LA: trùng ngưng trực tiếp, polymer hóa mở vòng lactit, sử dụng tác nhânkéo dài mạch, ngưng tụ ở trạng thái rắn, trùng ngưng trong dung dịch đẳng phí Kể

từ khi sản phẩm thương mại đầu tiên của PLA được giới thiệu trên thị trường, PLA

đã có một vị trí quan trọng trong lĩnh vực sản phẩm sinh học có liên quan đến khảnăng gia công, và các đặc tính như độ bền cơ học

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ POLYMER CÓ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY

SINH HỌC, ACID LACTIC VÀ POLYLACTIC ACID 1.1 Giới thiệu polymer có khả năng phân hủy sinh học

1.1.1 Vật liệu polymer có khả năng tự phân hủy và phân hủy sinh học

Theo quan điểm chung, polymer có khả năng tự phân hủy bao gồm tất cả cácloại vật liệu do tác động của những yếu tố như: nhiệt độ, ánh sáng, vi sinh vật(VSV) trong môi trường, sau một khoảng thời gian nhất định, bị thay đổi cấu trúcđại phân tử thành các chất có khối lượng phân tử (KLPT) nhỏ hơn và cuối cùng làCO2 và nước Quá trình phân hủy có thể xảy ra ở môi trường tự nhiên hay trong cơthể con người Để có thể ứng dụng được trong thực tế, các loại polymer có khả năng

tự phân hủy phải thỏa mãn những yêu cầu nhất định Theo Chielline [6] polymerđược gọi là polymer tự phân huỷ có thể sử dụng được khi chúng thỏa mãn các yêucầu sau đây:

− Giữ nguyên được cấu trúc và tính chất giống như các polymer thông thường trongthời gian sử dụng

− Sau khi đã qua sử dụng, polymer bị phân hủy thành các chất có KLPT thấp dưới tácđộng của các tác nhân sinh, lý, hóa tồn tại trong tự nhiên

− Sản phẩm cuối cùng có thể chuyển sang dạng CO2 và H2O,

Mức độ phân huỷ của vật liệu này tuỳ theo điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, ánhsáng, mà mức độ phân huỷ có thể đạt từ 70 – 90% trong khoảng 3 – 4 tháng hoặc

có thể lâu hơn

Như vậy, vật liệu polymer có khả năng tự phân hủy trong môi trường bao hàmrộng rãi gồm cả các vật liệu tự phân hủy do tác động của các yếu tố hóa học hoặcvật lý như nhiệt, bức xạ, nước và các yếu tố sinh học đơn thuần hoặc phối hợp củatất cả các yếu tố trên Còn polymer có khả năng phân hủy sinh học có nhiều quan

niệm khác nhau, theo ASTM D6400-99 định nghĩa “Polymer có khả năng phân hủy sinh học là các loại polymer có khả năng bị phân hủy trong tự nhiên do các tác động của các loại VSV như các vi khuẩn, nấm, mốc và các enzyme”.

1.1.2 Những yếu tố quyết định tới sự phân hủy sinh học polymer

Như phần trên đã trình bày, vật liệu polymer có thể bị phân hủy do nhiều nhân

tố tác động khác nhau như: các yếu tố sinh học, các yếu tố hóa học và các yếu tố vật

lý Trong phần này chúng tôi chỉ xét những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy

sinh học của polymer Theo Giáo sư Andreas Lendlein [7] những yếu tố quyết địnhkhả năng phân hủy sinh học đối với vật liệu polyme làm vật liệu y-sinh bao gồm:

a Về mặt hóa học

− Thành phần hóa học của vật liệu

− Cấu trúc nối tiếp trong những copolymer

− Sự có mặt của các nhóm chứa ion

− Những khuyết tật trên mạch polymer

− Khối lượng phân tử và sự phân bố khối lượng phân tử

− Những hợp phần có khối lượng phân tử thấp

− Điều kiện gia công

− Sự trao đổi ion, độ mạnh của ion, giá trị pH

− Sự biến đổi hệ số khuếch tán

− Cơ chế thủy phân (H2O, enzyme)

− Ứng suất cơ học

− Các vết nứt tạo thành do thủy phân hoặc ứng suất cơ học

1.1.3 Cơ chế phân hủy sinh học của vật liệu polymer sinh học

Theo Giáo sư A Lendlein [8], quá trình phân hủy sinh học của polymer làm vậtliệu y-sinh theo 3 cơ chế chính sau đây:

−Cơ chế I:

Dạng không tantrong nước

−Cơ chế II:

−Cơ chế III:

Như vậy có thể thấy rằng, do tác động của các yếu tố sinh học, polymer không

tan trong nước có thể bị cắt cầu nối không gian để tạo thành mạch phân tử tan trong

nước, hoặc biến đổi nhóm chức để chuyển mạch đại phân tử từ dạng không tan

trong nước sang dạng hòa tan trong nước và cắt mạch đại phân tử polymer thành

các monomer, Như vậy, tất cả các cơ chế này đều tạo ra chất tan trong nước Tùy

Dạng tan trongnước

Đứt các liên kết ngang giữa các mạch polymer tan trong nước

Sự chuyển đổi hoặc đứt các nhóm gắn vào mạch (X) dẫn tới sự hình thành các cực hoặc các nhóm mới (Y)

Dạng không tantrong nước

Dạng tan trongnước

Sự đứt các liên kết giữa các monomer trong mạch của polymer

Dạng không tantrong nước Dạng tan trongnước

theo đặc điểm riêng của vật liệu và điều kiện môi trường mà chúng có thể bị phânhủy tiếp tục thành CO2, H2O,

1.1.4 Ứng dụng polymer phân hủy sinh học

Polymer phân hủy sinh học được ứng dụng chủ yếu trong 3 lĩnh vực : y-sinhhọc, nông nghiệp và bao bì, nhiều loại đã trở thành sản phẩm thương mại Do cótính chuyên dụng và giá thành cao nên polymer phân hủy sinh học được ứng dụngtrong y-sinh học phát triển mạnh hơn trong các lĩnh vực khác

− Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp

Màng polymer có tác dụng giữ hơi ẩm cho đất, ngăn cỏ dại phát triển, có tácdụng ổn định nhiệt của đất, vì vậy làm tăng tốc độ phát triển của cây trồng Cácpolymer làm màng phủ thông dụng là: polyetylen tỷ trọng thấp, polyvinylclorua(PVC), polybutylen (PB) và copolymer của etylen với vinylaxetat Tuy nhiên, saukhi hết thời gian sử dụng các polymer này hầu như không bị phân hủy hoàn toàntrong đất [9] gây ra nhiều khó khăn cho môi trường và cho bản thân người trồngtrọt

Trong những năm gần đây, polymer phân hủy sinh học được định hướng sửdụng để làm màng che phủ trong nông nghiệp nhờ có khả năng tự phân hủy sau mộtthời gian nhất định dưới tác động của nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và các vi sinh vậttrong đất Màng phân hủy giúp cho thu hoạch thuận lợi, giảm giá thành sản xuất vàkhông gây trở ngại cho vụ mùa sau Các màng mỏng polymer có thể bị phân hủyquang và phân hủy sinh học Để vật liệu có khả năng phân hủy quang, người tathường đưa vào polymer một số chất phụ gia quang hóa và oxy hóa Tỷ lệ phối trộnđược điều chỉnh sao cho khi cây phát triển thì polymer bắt đầu phân hủy Màngmỏng phân hủy sinh học trên cơ sở tinh bột với polyvinylancol, poly(etylen-co-acrylic acid), polyvinylclorua đã được ứng dụng ở Mỹ Màng mỏng poly(ε-caprolacton) và polyvinylancol bị phân hủy hoàn toàn bởi các vi sinh vật trong đất.Poly(ε-caprolacton) đã được ứng dụng làm bầu ươm cây giống Trong môi trườngđất, poly(ε-caprolacton) bị phân hủy sinh học, sau 6 tháng tổn hao 48% và sau 1năm tổn hao tới 95% trọng lượng [9]

− Bao bì, túi đựng hàng hóa

Polymer phân hủy sinh học được ứng dụng chủ yếu làm bao bì cho ngành côngnghiệp thực phẩm Yêu cầu của bao bì làm từ tổ hợp polymer phân huỷ sinh học làphải đạt được các tính chất gần như của polymer tổng hợp Polymer thiên nhiênphân hủy sinh học dùng để sản xuất bao bì phổ biến là polysacarit, bao gồm tinh

bột, xenlulozo và chitosan [10,11] Mức độ phân hủy của màng mỏng phụ thuộc vào

tỷ lệ phối trộn giữa polymer tổng hợp và polymer thiên nhiên (ví dụ như tinh bột,xenlulozo ) và bản chất hóa học của từng cấu tử Tổ hợp LDPE với 10% tinh bộtngũ cốc được dùng để sản xuất các túi đựng rác và thực phẩm bằng các công nghệthông thường Pullulan là polymer được tổng hợp từ các loại nấm, có cấu tạo từ cácvòng maltotrise nối với nhau bởi liên kết α-1,6 Đây là polymer tan trong nước, ứngdụng để sản xuất màng bao gói hàng hóa mỏng và trong suốt, có thể ăn được và có

độ thấm khí thấp

Poly(L-lactic acid) (LPLA) được tổng hợp từ phản ứng ngưng tụ Lactic acid, có

độ bền kéo đứt 45÷70 MPa, độ dãn dài 85÷105% Phòng thí nghiệm ArgonneNational đã tìm ra phương pháp sản xuất glucoza từ tinh bột khoai tây và sau đó lênmen glucoza thành LA với giá thành khá thấp để có thể sản xuất LPLA và sản xuấtbao bì phân hủy sinh học với giá cả thích hợp Bao bì từ LPLA được dùng làm túiđựng rác và tạp phẩm, khăn vệ sinh, bao gói và hộp đựng thức ăn nhanh Tuy nhiên

do giá thành cao nên ít được phổ biến trong thực tế

− Ứng dụng trong y-sinh học

Như các phần trên đã nói, do những ưu thế nổi trội về tính năng cơ lý và đặcbiệt là khả năng tương hợp về mặt sinh học với cơ thể, do vậy polymer phân hủysinh học được ứng dụng ngày càng nhiều trong lĩnh vực y-sinh Năm 2003, việcbán các vật liệu polymer sinh học làm vật liệu y-sinh đã vượt quá 7 tỉ USD, chiếmkhoảng gần 88% tổng số vật liệu sinh học trên thị trường trong năm đó [12] Người

ta dự đoán rằng vào năm 2008, thị trường các vật liệu polymer sinh học sẽ đạt mức11,9 tỉ USD tạo tiền đề cho một thị trường vật liệu polymer sinh học lớn trongnhững thập kỉ sắp tới Polymer phân hủy sinh học đã được thử nghiệm làm mô cấyphẫu thuật trong phẫu thuật mạch máu và chỉnh hình, làm vật liệu nền để giải phóngthuốc lâu dài (có thể điều khiển được) bên trong cơ thể và được xếp vào nhóm vậtliệu sinh học Thuật ngữ vật liệu sinh học chỉ những vật liệu dùng trong y-sinh học

và có khả năng tương thích sinh học với vật chủ Vật liệu sinh học nói chung được

+ Giải phóng thuốc vào cơ thể.

Ngày nay đã có nhiều loại polymer phân hủy sinh học dùng trong y-sinh đãđược thương mại hóa và sẵn có trên thị trường như Bondek TM từ polyglycolid dohãng Deknatel sản xuất, MaxonTM từ poly (glycolid-co-trimetylen cacbonat) dohãng Davis and Geck sản xuất hay PDSTM từ polydioxanon do hãng Ethicon sảnxuất [7,12]

1.1.5 Tình hình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng vật liệu polymer phân hủy sinh học

trên thế giới và ở Việt Nam.

1.1.5.1 Tình hình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng vật liệu polymer phân hủy sinh học trên thế giới

Do nhu cầu phát triển của kinh tế, xã hội và đặc biệt là vấn đề chăm sóc sứckhỏe và bảo vệ môi trường, từ những năm 60 đầu những năm 70 của thế kỷ trước,các nhà khoa học trên thế giới đã bắt đầu tiến hành nghiên cứu chế tạo và ứng dụngvật liệu polymer phân hủy sinh học nhằm mục đích sản xuất các vật liệu cấy ghép,thay thế các bộ phận trong cơ thể người, các tác nhân mang thuốc, cho đến các vậtdụng thay thế các vật liệu polymer thông dụng trong cuộc sống hàng ngày (như bao

bì, túi đựng, màng mỏng che phủ đất, vật dụng khuôn đúc, bầu ươm cây giống ),nhằm ngăn ngừa ô nhiễm môi trường sống [6,17] Các công trình nghiên cứu vềpolymer phân hủy sinh học được công bố đặc biệt nhiều từ những năm 90 của thế

kỷ XX trở lại đây Vào khoảng những năm 80, trung bình mỗi năm mới có từ 20 đến

30 bài báo, thì từ những năm 90 số bài báo đã tăng lên từ 50 bài (năm 1990) đến

1500 bài (năm 2000) Đến năm 2003 đã có trên 4000 bài báo được công bố [2, 6].Các công trình nghiên cứu đều xuất phát từ những quốc gia phát triển như Mỹ, Đức,Pháp, Ý, Nhật và một số nước mới phát triển như Hàn Quốc, Trung Quốc,

Mặt khác, nhu cầu tiêu thụ vật liệu phân huỷ sinh học của thế giới ngày càngtăng, ở Mỹ năm 1992 đã tiêu thụ 547.000 tấn polymer tự huỷ, năm 1997 là1.193.000 tấn, năm 2005 là trên 3,5 triệu tấn và dự báo đến năm 2010 là trên 5 triệutấn Tốc độ phát triển lượng polymer tự hủy của châu Âu tăng ở mức khoảng9%/năm Năm 2000, tổng sản lượng nhựa có khả năng tự phân hủy ở châu Âu đạtmức 10 triệu tấn và đã tăng lên khoảng 15 triệu tấn vào năm 2005 và sẽ trên 20 triệutấn vào năm 2010 Ở Nhật Bản mức tiêu thụ sản phẩm polymer phân hủy sinh họcchiếm khoảng 11% tổng toàn bộ polymer sử dụng Ở Trung Quốc, năm 2000 người

ta sử dụng khoảng 2 triệu tấn, năm 2008 tăng lên 3,5 triệu tấn với ước tính sẽ tănglên 4,5 triệu tấn vào năm 2010 [17]

Đặc biệt từ hai thập kỷ cuối của thế kỷ XX chứng kiến sự biến đổi mô hình từcác vật liệu ổn định sinh học sang các vật liệu sinh học có khả năng phân huỷ sinhhọc (phân huỷ nhờ thuỷ phân và do enzyme) đối với ứng dụng y học và các ứngdụng liên quan khác [12,18,19] Xu hướng hiện tại dự đoán trong một vài năm tới,rất nhiều các thiết bị, bộ phận lắp giả để thay thế (trong cơ thể người) sẽ được thaybởi các thiết bị, dụng cụ có khả năng phân huỷ sinh học, nhờ vậy có thể giúp cơ thểsửa chữa và tái tạo lại các mô đã bị phá huỷ

Có một vài lý do giải thích tại sao vật liệu có khả năng phân hủy sinh học lạiđược quan tâm, ưa thích hơn so với vật liệu ổn định sinh học cho các ứng dụng y-sinh học Động lực chính nằm ở khả năng tương hợp lâu dài với các mô ghép tồn tạilâu dài và do vậy không phải mổ đi mổ lại nhiều lần Mặc dù rất nhiều các ứng dụngy-sinh học của các polymer tự nhiên có khả năng phân huỷ dưới tác dụng enzymenhư collagen đã có từ hàng nghìn năm trước, ứng dụng của các polymer tổng hợp

có khả năng phân huỷ sinh học chỉ bắt đầu từ nửa cuối của những năm 1960[20].Tuy nhiên, những thập kỉ qua đã chứng kiến sự phát triển của polymer tổnghợp mới, có khả năng phân huỷ sinh học và các polymer tự nhiên tương tự đã đượcphát triển một cách cụ thể đối với các ứng dụng y-sinh học Một phần động lực của

sự phát triển này là do sự nổi lên của các công nghệ y-sinh học mới, bao gồm: kỹthuật mô, thuốc có khả năng tái sinh, liệu pháp gen, sự vận chuyển thuốc có kiểmsoát và công nghệ sinh học nano, tất cả đều đòi hỏi vật liệu nền có khả năng phânhuỷ sinh học để tạo ra chúng

Sự tiến triển chậm của vật liệu có khả năng phân huỷ sinh học có thể được quy

do một vài khó khăn riêng trong việc nâng cao lợi nhuận từ các vật liệu này khó hơn

so với các polymer thương mại khác Một vật liệu sinh học (biomaterial) có thểđược định nghĩa như là vật liệu có xu hướng tiếp giáp với các hệ sinh học để loạitrừ, xử lý, làm tăng thêm hoặc thay thế các mô, bộ phận hoặc các chức năng của cơthể [21] Điều kiện đặc biệt có vai trò tiên quyết đến chất lượng của vật liệu sinhhọc đó là khả năng tương hợp sinh học - là khả năng của vật liệu thể hiện đủ điềukiện cho một ứng dụng cụ thể Tính tương hợp của mô đối với mô ghép phụ thuộcvào vô số các nhân tố, từ các tính chất hoá học, vật lý học và sinh học của vật liệucho đến hình dạng và cấu trúc của mô ghép Trong trường hợp của vật liệu có khảnăng phân huỷ sinh học, khả năng hoạt động tương hợp phải được chứng minh quathời gian Các tính chất hoá học, vật lý, cơ học và sinh học của vật liệu có khả năngphân huỷ sinh học sẽ thay đổi theo thời gian và các sản phẩm của sự phân hủy cóthể được tạo ra với các mức độ tương hợp với mô khác nhau so với vật liệu ban đầu

Một vài tính chất quan trọng của vật liệu có khả năng phân huỷ sinh học dùnglàm vật liệu y-sinh có thể được tóm tắt như sau [22]:

• Vật liệu không được gây viêm nhiễm hoặc gây độc đến các mô ghép trong cơthể

• Vật liệu phải có thời gian sử dụng chấp nhận được

• Thời gian phân huỷ của vật liệu phải phù hợp với quá trình hàn gắn hoặc quátrình tái sinh (như chỉ khâu tự tiêu)

• Vật liệu phải có đủ các tính chất cơ học để ứng dụng và có sự thay đổi tínhchất cơ học với sự phân huỷ phù hợp với quá trình hàn gắn và quá trình tái sinh

• Các sản phẩm phân huỷ không được độc hại, có khả năng chuyển hoá vàđược loại bỏ khỏi cơ thể

• Vật liệu phải có khả năng dễ gia công đối với ứng dụng định hướng

Một vài tính chất vốn có của vật liệu polymer sinh học có thể ảnh hưởng đếnkhả năng tương hợp của chúng, bao gồm: tính chất hoá học của vật liệu, khối lượngphân tử, khả năng hoà tan, hình dạng và cấu trúc của mô ghép, tính ưa nước (hoặc

kỵ nước), tính nhờn, năng lượng bề mặt, khả năng hấp thụ nước, cơ chế phân huỷ.Những yêu cầu và phạm vi ứng dụng đa dạng của vật liệu polymer sinh học như vậychỉ có thể có được ở vật liệu sinh học lý tưởng Điều này nhấn mạnh đến sự cầnthiết lựa chọn trong một phạm vi rộng các vật liệu có khả năng phân huỷ sinh họcsẵn có cho việc chế tạo mô ghép, bộ phận hay dụng cụ phù hợp với các yêu cầu cụthể và độc đáo của mỗi ứng dụng y học riêng biệt Các nỗ lực hiện tại trong việctổng hợp polymer có khả năng phân huỷ sinh học đã được tập trung theo từng ứngdụng cụ thể bởi như vậy nó sẽ đơn giản hơn rất nhiều so với chế tạo vật liệu đanăng Mặt khác, người ta còn sử dụng vật liệu tổ hợp (polyme blend) để kết hợp cáctính năng của các vật liệu thành phần, qua đó làm tăng nhanh số lượng các vật liệupolymer sinh học mới [23,24,25]

Các vật liệu polymer có khả năng phân huỷ sinh học đang được nghiên cứu đểphát triển chế tạo các dụng cụ, thiết bị giả để thay thế các bộ phận, cấu trúc xốp 3chiều làm những giá đỡ cho mô và tác nhân vận chuyển thuốc có khả năng kiểmsoát được Một vài ứng dụng y-sinh học hiện tại của các vật liệu polymer có khảnăng phân huỷ sinh học bao gồm: các mô lớn như các vít xương,…; các mô ghépnhỏ như ghim, chỉ khâu; tá dược lỏng có khả năng vận chuyển thuốc có kích cỡnano hoặc micro, màng trơn để tái sinh mô và mạng lưới đa sợi hay cấu trúc xốp

cho kỹ thuật mô [26] Các phương thức kỹ thuật mô sử dụng kết cấu có khả năngphân huỷ sinh học để lắp ráp các tế bào, phát triển các mô chức năng Vật liệupolymer với một phạm vi rộng các tính chất cơ học và khả năng phân huỷ là cầnthiết để có thể bắt chước các tính chất của các mô khác nhau Trong sự vận chuyểnthuốc có kiểm soát, các tác nhân độc hại sinh học được giữ trong nền polymer cókhả năng phân huỷ sinh học mà ở đó sự ăn mòn, phân tán hoặc kết hợp cả hai là cóthể kiểm soát được Sự giải phóng các đặc tính của các tác nhân gây độc có thểđược điều chỉnh một cách hiệu quả bằng cách điều chỉnh hợp lý các thông số nền.

Do tính đa năng và ưu việt của các vật liệu polymer nói chung và polymer sinh họcnói riêng, nên chúng nhanh chóng thay thế các loại vật liệu khác như kim loại, hợpkim, gốm sứ trong việc sử dụng sử trong y-sinh học Năm 2003, việc bán các vậtliệu polymer sinh học đã vượt quá 7 tỉ USD, chiếm khoảng gần 88% tổng số vật liệusinh học trên thị trường trong năm đó [27] Người ta dự đoán rằng vào năm 2010,thị trường các vật liệu polymer sinh học sẽ đạt mức 11,9 tỉ USD

Trong những năm qua, ngoài việc tiếp tục nghiên cứu các polymer tự nhiênphân hủy sinh học, trên thế giới tập trung nghiên cứu, ứng dụng vào các loạipolymer tổng hợp có khả năng phân hủy sinh học theo các hướng sau [28]:

− Polymer phân huỷ sinh học trên cơ sở các poly(α-esters) như PLA, PGA, PLGA,

− Polymer phân huỷ sinh học trên cơ sở trộn hợp nhựa nhiệt dẻo với tinh bột

Trong đó, hướng nghiên cứu chế tạo và ứng dụng polymer phân huỷ sinh họctrên cơ sở PLA, PGA cùng với sản phẩm đồng trùng ngưng (PLGA) [29] của chúngđược tập trung nghiên cứu nhiều nhất bởi vì những vật liệu này có khả năng ứngdụng rộng rãi và nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều các sản phẩm từ PLA, PGA,PLGA Ngoài những vật dụng thường dùng trong đời sống như bao bì, túi đựng cácloại, các đồ dùng (ca, cốc, khay, hộp đựng…) chỉ dùng một lần, người ta còn sửdụng PLA, PGA, đặc biệt sản phẩm đồng trùng ngưng PLGA để tạo ra hàng loạt cácsản phẩm được ứng dụng trong y tế (chỉ khâu y tế, chất gắn xương, cấy ghép mô,chất giải phóng thuốc ) Bên cạnh đó, các sản phẩm chế từ PLA, và PLGA rất dễ

phân huỷ trong môi trường trong khoảng thời gian từ 2 đến 24 tháng, phân huỷ đếnphân tử thấp là các monomer, khí carbonic và nước Những chất này hoàn toàn thânthiện với môi trường [30] Mặt khác nguyên liệu tạo ra chúng (đặc biệt là PLA) cónguồn gốc từ thiên nhiên như ngũ cốc, tinh bột, lúa mì, mạch, đường Sau quá trìnhlên men tạo ra LA, từ đó thông qua con đường dimer hoá và trùng hợp tạo thànhPLA Quá trình phân huỷ của PLA tạo ra các sản phẩm thấp phân tử có tính hòa hợpvới thiên nhiên Như vậy là một quy trình từ thiên nhiên tạo ra sản phẩm và từ sảnphẩm quay trở lại thiên nhiên Quy trình trên rất có ý nghĩa về mặt khoa học và môitrường [29,30]

Những nghiên cứu để phát triển, ứng dụng polymer tổng hợp phân hủy sinh họcngày nay không chỉ tập trung tổng hợp các polymer, copolymer mới có khả năngphân hủy sinh học mà trong những năm gần đây người ta còn tập trung vào chế tạonhững vật liệu polymer blend, polymer nanocompozit có khả năng phân hủy sinhhọc trên cơ sở các vật liệu polymer phân hủy sinh học truyền thống như PGA, PLA,PLGA, [31] do vậy đã mở ra những khả năng ứng dụng rộng rãi trong y-sinh-dược học của vật liệu này Để nghiên cứu chế tạo và ứng dụng polymer phân hủysinh học, người ta đã sử dụng nhiều phương pháp hóa học và vật lý khác nhau đặcbiệt là các phương pháp sắc ký thấm qua gel, phương pháp phổ hồng ngoại biến đổiFourier, phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR và 13C-NMR, phương pháp phân tíchnhiệt vi sai (DTA), phương pháp nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử quét, hiển vi điện tửtruyền qua, [29,32]

1.1.5.2 Tình hình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng polymer phân hủy sinh học

ở Việt Nam

Như phần trên đã trình bày, hướng nghiên cứu phát triển vật liệu polymer phânhủy sinh học (so với các vật liệu khác) là hướng nghiên cứu còn khá mới mẻ trênthế giới Song trong những năm qua ở nước ta đã có một số cơ sở như Trung tâmnghiên cứu vật liệu Polyme (Đại học Bách khoa Hà Nội), Viện Hoá học Côngnghiệp Việt Nam, Viện Hoá học (Viện Khoa học & Công nghệ Việt Nam) và mớigần đây nhất là Trung Tâm nghiên cứu môi trường và phát triển bền vững - trườngĐại học KHTN - Đại học Quốc gia Hà Nội, đã tiến hành nghiên cứu về “polymerphân huỷ sinh học”

Những nghiên cứu đầu tiên theo hướng này đã được thực hiện trước hết tậptrung vào vật liệu biến tính polyetylen bằng tinh bột với các phụ gia tương hợp chủyếu từ polyetylen maleic hóa và các phụ gia khác [33,34] Những kết quả trên bướcđầu được triển khai ứng dụng vào thực tế là sản xuất các loại màng phủ, bầu ươm

cây phục vụ cho lĩnh vực nông, lâm nghiệp đã mang lại kết quả khả quan Đáng chú

ý trong hướng nghiên cứu này là nhóm nghiên cứu tại Viện Hóa học Công nghiệpViệt Nam, đã bắt đầu nghiên cứu vật liệu tự hủy từ khoảng trước những năm 2000.Giai đoạn 2001-2003, nhóm tác giả này đã thực hiện thành công đề tài cấp Nhànước, đã chế tạo màng mỏng tự hủy trên cơ sở LDPE với tinh bột sắn, có sự thamgia của các chất trợ phân tán, trợ tương hợp, các loại phụ gia quang hóa, oxy hóa,phụ gia phân hủy,

Từ khoảng 5 năm trở lại đây, bên cạnh việc tiếp tục hoàn thiện, triển khai ứngdụng các kết quả nghiên cứu về vật liệu phân hủy sinh học trên cơ sở blend tinh bộtvới PE, một số tác giả đã tập trung nghiên cứu chế tạo các loại polymer phân hủysinh học trên cơ sở lactic (từ các sản phẩm nông nghiệp Việt Nam) để tạo rapolylactic Trong số đó có nhóm cán bộ nghiên cứu của Viện KH&CN Việt Nam đãhoàn thành đề tài “Nghiên cứu sản xuất bao bì dễ phân hủy sinh học từ polylactictrên cơ sở nguồn acid Lactic tạo ra bằng phương pháp lên men vi sinh vật” Kết quả

đề tài, các tác giả đã chọn ra được 2 chủng vi khuẩn Lactococcus lactis subsp lactisHN11 Lactobacillus delbrueckii subsp delburueckii HN34 có khả năng sinh trưởngtrong môi trường nước rau cải, bắp cải, nước giá, nước cà chua Các loại khuẩn này

sử dụng tổng hợp Lactic acid bằng lên men trong môi trường gồm glucoza, cao thịt

và cao nấm men đạt hiệu suất chuyển hóa gần 85% Trên cơ sở LA tổng hợp được,các tác giả đã tổng hợp ra polylactic acid (PLA) theo quy trình 2 bước là tạooligome (O-PLA) không dùng xúc tác Tiếp đó dùng xúc tác SnCl2 và SnO đểchuyển O-PLA thành L-Lactit rồi dùng xúc tác SnO để chuyển L-Lactit thành PLA

có khối lượng phân tử trung bình từ 40.000÷70.000 Từ PLA thu được, các tác giả

đã tạo blend PLA/chitosan với tỷ lệ khác nhau và tạo ra màng vật liệu này có khảnăng phân hủy tới 60% sau khi chôn lấp 3 tháng [35] Những kết quả nghiên cứuđược các tác giả công bố trong một số công trình trên tạp chí và hội nghị khoa họcchuyên ngành trong nước và quốc tế Tuy nhiên, theo kết luận của Hội đồng nghiệmthu, mục tiêu ứng dụng vật liệu này làm bao bì là không hợp lý (vì giá thành quácao) mà nên tiếp tục nghiên cứu và chuyển hướng cho những ứng dụng làm vật liệuy-sinh Cũng theo hướng nghiên cứu về polymer phân hủy sinh học trên cơ sởpolylactic, nhóm cán bộ nghiên cứu tại ĐHBK Hà nội đã nghiên cứu chế tạo và tínhchất của blend trên cơ sở polylactic với tinh bột và thấy rằng: ở tỷ lệ 80/20 vật liệu

có tính chất tốt nhất, có khả năng phân hủy nhanh trong môi trường đất trồng trọtsong tính năng cơ lý còn thấp Bên cạnh đó, thì hiện tại nhóm nghiên cứu tại Trungtâm Nghiên cứu môi trường và phát triển bền vững - Trường ĐHKHTN, ĐHQGHNchủ trì nghiên cứu chế tạo polymer có khả năng phân hủy sinh học trên cơ sở acid

L-lactit hoặc nhóm nghiên cứu tại Phân Viện khoa học Vật liệu tại Thành phố HồChí Minh, thuộc Viện KH&CN Việt Nam cũng đang có những nghiên cứu theohướng này.

Như vậy có thể thấy, những kết quả nghiên cứu trong nước mới chỉ tập trungvào hai loại vật liệu là polymer phân hủy sinh học trên cơ sở tinh bột với nhựa nhiệtdẻo (đã có những kết quả ứng dụng bước đầu) còn các nghiên cứu khác mới chỉ là

sơ khai và tập trung vào một đối tượng là chế tạo PLA từ nguồn LA thu được bằnglên men vi sinh vật Song ở vật liệu này cũng chưa có những nghiên cứu sâu về cơchế phân hủy cũng như khả năng ứng dụng đa dạng của nó Những nghiên cứu vớicác vật liệu có khả năng phân hủy sinh học khác chưa thấy được đề cập tới Từ cácnội dung trên cho thấy rằng, lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng vật liệu polymer phânhủy sinh học vô cùng lý thú, có ý nghĩa khoa học, hiệu quả kinh tế, xã hội và nhânvăn cao Nó không chỉ có ý nghĩa về bảo vệ môi trường mà còn đóng vai trò quantrọng để chăm sóc, bảo vệ sức khỏe, kéo dài tuổi thọ cho con người Về lĩnh vựcnày, mặc dù mới chỉ phát triển từ khoảng trên ba chục năm trở lại đây song đã thuđược nhiều thành tựu rực rỡ, đặc biệt những ứng dụng trong y-sinh-dược học Trongkhi đó ở nước ta tất cả mới chỉ là bước đầu, mặc dù đội ngũ nghiên cứu của chúng

ta trong lĩnh vực này cũng khá mạnh Bên cạnh đó, các phương pháp nghiên cứu, kỹthuật sử dụng trong nghiên cứu phát triển và ứng dụng polymer phân hủy sinh học(mà thế giới sử dụng) hiện tại đã được trang bị tại nhiều cơ quan nghiên cứu vàgiảng dạy ở Việt Nam Đây là cơ sở để chúng ta có thể tiếp tục phát triển hướngnghiên cứu còn rất rộng mở này Vì vậy, rất cần được sự quan tâm thích đáng củacác cơ quan quản lý, sự nhiệt tình của các nhà chuyên môn để phát triển hướngnghiên cứu này, thông qua đó góp phần đưa ngành công nghệ vật liệu nước nhà sớmtiếp cận với những tiến bộ khoa học trong lĩnh vực công nghệ vật liệu của thế giới

1.2 Tổng quan về acid Lactic

1.2.1 Acid Lactic

Lactic acid (LA) hay còn gọi là acid α-hydroxypropionic (CH3-CHOH-COOH)được phân lập đầu tiên vào năm 1780 từ sữa chua, nước syro màu nâu, không tinhkhiết bởi nhà hóa học Thụy Điển, Scheele Một nhà hóa học Thụy Điển khác làBerzelius đã lặp lại thí nghiệm của Scheele và cũng đi đến kết luận LA là một đơnchất Ông cũng thấy LA trong sữa tươi, thịt bò và máu của một số động vật Nócũng đã được Pasteur nghiên cứu trong công trình vi sinh học đầu tiên của mình.Năm 1839, Fremy đã điều chế LA bằng phương pháp lên men các hợp chấtcarbonhydrat như: sucrozo, lactozo, mantitol, tinh bột và dextrin

Từ năm 1881, sản xuất LA bằng lên men đã trở thành ngành công nghiệp quantrọng LA hiện nay được sản xuất từ đường ngô, rỉ đường củ cải, rỉ đường mía, sữagầy, đường thuỷ phân tinh bột sắn, khoai tây, nước sữa thải…

1.2.2 Cấu tạo và tính chất của LA

− Cấu tạo hóa học của LA:

Công thức phân tử: C3H6O3

Khối lượng phân tử: 90,08 đvC

Công thức cấu tạo: CH3CHOHCOOH (2-hydroxy propanoic)

− Các dạng đồng phân của LA:

Trong phân tử LA có một cacbon bất đối (C*) do đó hình thành nên dạng đồngphân quang học gọi là đồng phân đối quang Đồng phân dạng L(+): Dấu (+) biểuthị sự quay mặt phẳng ánh sáng phân cực về phía bên phải (thuận chiều kim đồnghồ) Đồng phân dạng D(-): Dấu (-) biểu thị sự quay mặt phẳng ánh sáng phân cực

về phía bên trái (ngược chiều kim đồng hồ)

Hình 1.1 Đồng phân D(-) và L (+) của acid Lactic

LA không chỉ tồn tại riêng biệt hai dạng mà còn chứa đồng thời cả hai cấu trúctrên được gọi là D,L-Lactic hay Raxemic (bất đối quang học) Dạng đồng phân nàykhông hoạt động quang học.

Đồng phân D,L–Raxemic được tạo ra theo phương pháp tổng hợp hoá học từnguồn latonitrile hoặc theo con đường enzyme hóa nhờ enzyme Racemaza tồn tạitrong một số loài vi khuẩn sinh tổng hợp Acid Lactic, enzyme này chuyển hoá đồngphân dạng D và L thành dạng D,L không hoạt động qua con đường khử hydro

DL có thể chuyển thành dạng L hoặc D do thay đổi độ quang cực [36]

1.2.3 Ứng dụng của LA

Trong công nghiệp thực phẩm LA còn được ứng dụng làm chất phụ gia thựcphẩm LA phản ứng với các acid béo tạo thành muối canxi steroyl-2-Lactylat vànatri steroyl Lactylat, các ester của acid béo, những chất này được tách ra sử dụnglàm polymer thực phẩm, cải thiện tính chất bột nhào hay làm chất chuyển thể trongsữa Các muối Lactat amonium, Lactat kali dùng làm chất giữ ẩm, tăng vị và nhũhoá [37]

Trong ngành dược phẩm, LA và các sản phẩm dẫn xuất từ nó được ứng dụngkhá nhiều điển hình như các muối Lactat, các ester ở dạng metyl, etyl, hay isopropyl Lactat được dùng làm chất trung gian để tổng hợp phân tử chiral, chúng cũng

là thành phần chủ yếu trong dịch truyền bổ sung chất điện giải Ringer lactat được sửdụng rất rộng rãi hiện nay Các muối của LA được ứng dụng trong công nghiệpdược phẩm khá nhiều: Canxi Lactat được chế biến làm thuốc bổ sung canxi dướidạng dễ hấp thụ cho cơ thể để chữa một số bệnh liên quan đến thiếu canxi như chảymáu, co giật, còi xương, chậm lớn; Magiê, sắt Lactat dùng làm nguồn bổ sung cho

sự thiếu hụt các nguyên tố khoáng trong cơ thể, chữa bệnh thiếu máu; natri Lactat

được dùng làm dung dịch tách sỏi thận và các thuốc chữa thận ngoài đường tiêu hoá[38].

Ngày nay, LA và các polymer có nguồn gốc từ LA được ứng dụng vào sản xuấtcác thiết bị y tế như chỉ khâu vết thương, tạo các bộ phận thay thế cho cơ thể conngười, các loại thuốc gây mê

Trong ngành mỹ phẩm các muối kali, natri Lactat được ứng dụng nhiều nhờđặc tính giữ ẩm của chúng Các axyl Lactat được điều chế nhờ phản ứng của LA vớicác acid béo như acid carpoic và acid stearic; người ta ứng dụng nó làm chất nhũhoá, chất ổn định và chất làm đông trong mỹ phẩm LA thuộc nhóm “alpha hydroxyacid” nên được dùng để chống các biểu hiện của lão hóa liên quan đến cấu trúc của

da và tóc

Trong ngành công nghiệp, ứng dụng của LA rất đa dạng như tạo môi trườngacid trong xử lý bột mỳ, ứng dụng của LA trong nhuộm màu và cải thiện bề mặt vảihay trong công nghiệp thuộc da Trong phân tích hoá học thực phẩm, LA được dùnglàm chất chỉ thị VSV để xác định vitamin, acid amin [39] Với việc phát hiện rapolymer sinh học người ta có thể chế tạo các loại nhựa, polymer có nguồn gốc từacid Lactic với chủng loại đa dạng, bền nhiệt và có khả năng phân huỷ sinh học nhưnhựa, cao su, túi gói, bao bì, chất bôi trơn,… thay thế các sản phẩm hiện có, rất độchại đối với con người, với hệ sinh thái môi trường Các ester alkyl Lactat như etyl,butyl Lactat rất tốt để thay thế cho eter glylcol và các dung môi khác và chúng gầnnhư là không độc Etyl L(+) Lactat là chất thay thế cho dung môi có độc tính dùng

để rửa bề mặt kim loại trong ngành công nghiệp điện tử, ngành hàng không vũ trụ,công nghiệp bán dẫn Ngoài ra, LA còn có mặt trong ngành in ấn, sơn tĩnh điện,nhuộm, hàn kim loại,…

Trong nông nghiệp, vi khuẩn lactic được ứng dụng để lên men ủ chua bảo quảnthức ăn cho gia súc gia cầm, kích thích gia cầm ăn nhiều để tăng trọng hay tận dụngđặc tính sản sinh kháng sinh bổ sung vi khuẩn lactic vào trong thức ăn để chốngbệnh tiêu chảy ở lợn, bổ sung vi khuẩn lactic vào môi trường để xử lý nước nuôitôm trong thuỷ sản, polymer tạo ra từ LA còn được sử dụng làm chất diệt khuẩn,diệt côn trùng nấm trong lâm, ngư nghiệp [40,41]

Các ứng dụng mới của LA chủ yếu là đối với LA dạng polymer: Poly Lacticacid hay PLA Các PLA là các hợp chất có khả năng phân huỷ sinh học, đồng hoásinh học được, vì thế khi bị thuỷ phân PLA bị chuyển thành các oligomer rồi cácmono Lactat, vốn rất dễ bị các VSV có mặt ngoài tự nhiên môi trường phân huỷ

Polymer có nguồn gốc từ PLA có khả năng phân huỷ sinh học tốt hơn so với cácloại polymer có khả năng phân huỷ khác có nguồn gốc từ tinh bột và axetat xenlulo.

Vì thế trong y học người ta sử dụng nó làm chỉ khâu vết thương tự phân huỷ, các bộphận cấy ghép cho con người hay làm túi gói, bao bì an toàn trong thực phẩm, sảnxuất thuốc diệt cỏ trong nông nghiệp

1.2.4 Tổng hợp acid Lactic

Trước đây, phương pháp sản xuất LA bằng con đường hoá học do các nhà khoahọc Mỹ phát triển được xem là thuận lợi và thông dụng nhờ yếu tố giá thành rẻ thờigian sản xuất nhanh Tuy nhiên phương pháp này có một nhược điểm lớn là chỉ tạo

ra đồng phân dạng D và D,L Lactic, đó là những dạng mà thực tế cơ thể con ngườikhông hấp thụ được Bằng phương pháp lên men, người ta có thể lựa chọn đượcchủng giống chỉ tạo LA hơn nữa nếu giải quyết vấn đề về môi trường bằng cách tậndụng phế thải của các ngành công nghiệp gây ô nhiễm như công nghiệp sản xuấtbánh kẹo, chế biến các sản phẩm sữa, công nghệ sản xuất đường, chế biến nông lâmsản thông qua công nghệ lên men,… Tuy là một việc làm nhưng thực hiện hainhiệm vụ Qua thực tế đó, hiện nay người ta quan tâm đến phương pháp vi sinhnhiều hơn Theo thống kê gần đây cho biết hằng năm có khoảng 80.000 tấn LAđược tạo ra bằng cả hai phương pháp hóa học và vi sinh, trong đó 90% LA được tạo

ra bằng phương pháp vi sinh và phần còn lại được sản xuất bằng phương pháp hóahọc

+ Phương pháp tổng hợp hoá học: Có 4 cách sản xuất LA bằng phương pháp

tổng hợp hữu cơ

* Đi từ axetaldehit:

H C CN

O (-)

CH3

C O

H H

H C NC

OH

CH3

* Khử hoá 2-oxo propanonic acid bằng hydro mới sinh :

C

H3 C COOH O

C

H3 CH COOH OH

2 H

* Thuỷ phân acid alpha halogen:

C

H3 CH COOH OH

H O H C

H3 CH COOH Cl

Axit alpha - cloropropanoic Lactic axit

* Thuỷ phân lactonitryl bằng HCl :

C

H3 CH COOH OH

2.Thủy phân

2.Thủy phân

hợp hoá học này là trong sản xuất tổng hợp polymer, phụ gia công nghiệp, mỹphẩm,…

+ Phương pháp sử dụng enzyme [36]

Đi từ acid 2-clo propionic có thể tạo ra LA nhờ phản ứng của 1 loại enzyme cónguồn gốc vi khuẩn là 2-halo aciddehalogenase Enzyme này tồn tại ở dạng L vàD,L 2-halo aciddehalogenase được lấy từ dịch lên men vi khuẩn Pseudomna 2-haloaciddehalogenase phản ứng đặc hiệu với đồng phân quang học L của acid 2-clopropionic tạo thành acid D lactic; còn D,L 2-halo aciddehalogenase xúc tác cho quátrình loại halogen của cả hai đồng phân không phân biệt D hay L đồng thời quaycấu hình của phân tử LA (nếu cơ chất ở dạng D thì sau phản ứng sẽ tạo thành LAdạng L và ngược lại)

L- CH3CHXCOOH + H2O → D- CH3CH(OH)COOH + HX

L- 2- halo acid dehalogenase

L(D)- CH3CHXCOOH + H2O → D(L)- CH3CH(OH)COOH + HX

DL- 2 halo acid dehalogenase

+ Phương pháp sử dụng Vi sinh vật

Trong các phương pháp sản xuất LA thì phương pháp sử dụng vi sinh vật(VSV) lên men LA có nhiều ưu điểm Nếu như trước đây người ta coi phương pháptổng hợp hoá học chiếm lợi thế hơn về mặt thời gian và số lượng thì ngày nay khi

đã khắc phục được những hạn chế như hàm lượng acid trong lên men có thể đạtmức cao hơn hay đã có các giải pháp về tinh chế và thu hồi để hạ thấp chi phí,phương pháp sử dụng VSV trong lên men lactic đang là mục tiêu hướng tới củanhiều nhà sản xuất

Sản phẩm của phương pháp lên men sử dụng vi khuẩn lactic chỉ tạo ra một loạiđồng phân quang học dạng L(+) duy nhất, nó là dạng mà cơ thể con người có thểhấp thụ được đồng thời nó có giá trị hơn trong công nghiệp, đặc biệt là công nghiệpthực phẩm Nguyên liệu để sản xuất chủ yếu là từ phế thải của các nhà máy sữa và

rỉ đường từ các nhà máy sản xuất đường từ đường mía, đường củ cải

Hai nguồn VSV được sử dụng hiện nay là vi khuẩn và nấm mốc Các nấm mốcthuộc giống Rhizopus, Mucor, Monila là có khả năng tạo LA Các loài Rhizopus

như R.arrizus và R.ozyzae có khả năng chuyển hoá tinh bột hay các nguyên liệuchứa tinh bột thành acid L(+) Lactic.

LA được sinh ra nhờ một số loại vi khuẩn lactic thuộc chi Latobacillus và một

số chủng Streptococcus qua quá trình chuyển hóa kị khí hoặc vi hiếu khí của một sốloại đường như glucoze, fructoze, mantoze…

1.3 Tổng quan về Polylactic acid (PLA)

Polylactic acid (PLA) là một loại polymer nhiệt dẻo bán tinh thể, giòn và rắn,

có nhiệt độ thủy tinh hóa tương đối thấp (~60oC) và có nhiệt độ chảy mềm 175÷180

oC PLA đang là đối tượng được quan tâm và phát triển nhiều nhất trên thế giới bởi

dễ dàng được gia công trong các thiết bị gia công chất dẻo thông thường và cũng dễdàng phân hủy theo con đường sinh học, thích hợp để chế tạo ra bao bì, màng góithực phẩm, các sản phẩm sử dụng một lần

1.3.1 Lịch sử quá trình tổng hợp PLA

PLA là một trong những polymer đầu tiên mà con người tổng hợp được Năm

1833, Gay Lussac đã điều chế thành công PLA khi đun nóng LA Nhưng phải đếnnăm 1932, cơ sở lý luận của việc tổng hợp PLA được phát minh bởi WallaceCarothers – cha đẻ của polyester hiện đại Theo đó PLA được hình thành khi đunnóng LA trong chân không Năm 1954, hãng Dupont đã đăng ký bản quyền phátninh này và từ đó PLA mới thực sự được chú trọng phát triển

Từ năm 1960, người ta đã chú ý tới tính tương hợp và tính phân hủy sinh họccủa PLA Tuy nhiên, do giá thành cao nên nó chỉ được ứng dụng trong y tế

Nhưng từ thập niên 80, dưới áp lực về vấn đề rác thải môi trường từ vật liệunhựa vô cơ phó phân hủy nên vật liệu dể phân hủy như PLA được quan tâm và chú

ý nhiều hơn Năm 1987, tập đoàn sản xuất nông nghiệp Cargill của Mỹ bắt đầunghiên cứu sản xuất PLA từ tinh bột ngô Năm 1992, họ đã sản xuất PLA quy môphòng thí nghiệm Năm 2002, liên doanh Cargill - Dow LLC đã sản xuất côngnghiệp PLA đầu tiên với quy mô 140.000 tấn/năm từ nhà máy Nebraska [41] NhậtBản và Châu Âu cũng chú trọng và có những nghiên cứu sản suất PLA

Việc sử dụng PLA đã giải quyết triệt để 2 vấn đề cấp bách: ô nhiễn môi trường

từ rác thải polymer vô cơ rất khó phân hủy và sự cạn kiệt dầu mỏ trong tương lạikhông xa

Hình 1.2 Tăng trưởng sản xuất PLA trên thế giới dự đoán đến năm 2020

1.3.2 Khả năng phân hủy của PLA

− Theo Carother, bản chất của sự phân hủy PLA chính là sự thủy phân PLA, do PLA

là một polyester béo Nước sẽ làm đứt các liên kết ester, chia PLA thành nhiều phân

tử nhỏ hơn, làm giảm khối lượng phân tử Tốc độ phân hủy PLA phụ thuộc vào độ

ẩm và nhiệt độ môi trường phân hủy

Cơ chế thủy phân PLA:

Hình 1.3 Cơ chế thủy phân PLA

− Tác nhân phân hủy sinh học: VSV (nấm, vi khuẩn), enzyme

+ Nấm: Nấm là những VSV rất quan trọng gây ra sự phân hủy vật liệu Sự phân hủy

là kết quả do các enzyme được sản xuất ra từ nấm, các enzyme này phá hủy hợpchất hữu cơ trong polymer Điều kiện môi trường rất quan trọng cho sự phát triểntối ưu và hoạt động phân hủy của nấm: môi trường khí, độ ẩm cao, nhiệt độ 50oC,vật liệu cung cấp thức ăn,… Hiện có hơn 80.000 chủng nấm, người ta tiếp tụcnghiên cứu để tìm ra chủng nấm có khả năng phân hủy cao nhất

+ Vi khuẩn: Hoạt động của Vi khuẩn chỉ đơn thuần là sản xuất ra enzyme, phá hủyhợp chất hữu cơ để lấy thức ăn Vi khuẩn tồn tại trong lòng đất ở dạng yếm khí vàhiếu khí là tác nhân quan trọng làm suy giảm vật liệu như PLA

+ Enzyme: enzyme thực chất là xúc tác sinh học Đa phần enzyme là protein có mạchpolypeptit cấu trúc dạng phức 3 chiều Để có sự hoạt động tối ưu, enzyme phải kếthợp với các yếu tố bổ trợ như các ion kim loại: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Zn2+,… Các yếu

tố bổ trợ hữu cơ cũng được gọi là coenzyme Enzyme có nhiều cơ chế hoạt độngkhác nhau nhưng điển hình là cơ chế: oxy hóa sinh học và thủy phân sinh học

1.3.3 Ứng dụng của PLA

Do những đặc điểm về tính chất cũng như khả năng phân hủy sinh học, lactic làmột nguyên tử chiral và tồn tại trong 2 dạng hoạt động quang học; L-lactic và D-lactic Sự trùng hợp của các monomer này dẫn đến sự hình thành của polymer bántinh thể Tuy nhiên, sự trùng hợp của racemic (D,L)-lactit và mesolactit dẫn đến sựhình thành của các polymer vô định hình Trong số các monomer này, L-lactit làisomer tự nhiên Poly(L-lactic acid) (PLLA) là một polymer tinh thể (∼37% tinhthể) và mức độ kết tinh phụ thuộc vào khối lượng phân tử và các thông số gia côngpolymer Nó có nhiệt độ thuỷ tinh hoá khoảng 60÷65oC và có nhiệt độ chảy xấp xỉ

175oC [42] PLA là polymer phân huỷ chậm, có độ bền kéo đứt tốt, độ kéo dãn thấp

và modun cao (xấp xỉ 4,8 GPa) và do vậy, được coi như là vật liệu sinh học lý tưởngcho các ứng dụng trong y-sinh như dụng cụ cố định trong phẫu thuật chỉnh hình.Một số sản phẩm phẫu thuật chỉnh hình từ PLLA đã thương mại hóa như: ốc vít tựtiêu dùng cố định mô trong chỉnh hình, chỉ tự tiêu (do hãng DePuy sản xuất), ốc vít

cố định nép sinh học (do hãng Arthex sản xuất); ốc vít sinh học, đai cố định sinhhọc, nẹp cố định sinh học (do hãng Linvatec sản xuất), đĩa đệm sinh học (do hãngInnovasive Devices sản xuất) Bên cạnh những ứng dụng trên, người ta cũng đã ứngdụng PLA làm bao bì đựng thực phẩm cũng như hàng hóa Tuy nhiên, hướng ứngdụng này hiện nay còn rất hạn chế do giá thành quá cao

PLLA cũng có thể tạo thành các sợi có độ bền cao và được FDA chấp nhận năm

1971 đối với việc cải thiện, nâng cao chất lượng chỉ khâu tự tiêu do hãngDEXON® thực hiện Do các sợi PLLA có độ bền cao, nó đang được nghiên cứulàm vật liệu giá đỡ, thay thế cho dây chằng hay các thiết bị, dụng cụ tăng cường choviệc thay thế các sợi có khả năng phân huỷ, như Dacron [43,44] Một số các thiết bị,dụng cụ trên cơ sở sợi PLLA hiện đang được nghiên cứu như các ống dẫn máu lâudài [45] Dạng có thể tiêm vào của PLLA (Sculptra®) gần đây đã được chấp nhận đểlàm giảm mỡ với sự miễn dịch hiệu quả

Tuy nhiên, do có tính kị nước tốc độ phân huỷ của PLLA là rất thấp Các kếtquả nghiên cứu cho biết PLLA khối lượng phân tử cao có thể mất đến trong khoảng

từ 2 đến 5, 6 năm để có thể tái hấp thụ hoàn toàn trong vivo [46] Tuy nhiên, tốc độphân huỷ phụ thuộc vào mức độ kết tinh của polymer cũng như trạng thái rỗ, xốpcủa nền Mặc dù polymer được biết đến là giảm độ bền trong khoảng xấp xỉ 6 thángkhi bị thuỷ phân, sẽ không xảy ra sự thay đổi khối lượng nào đáng kể trong một thờigian rất dài

1.4 Phương pháp tổng hợp PLA

Để tổng hợp poly lactic acid (PLA) có 5 phương pháp khác nhau:

• Trùng ngưng trực tiếp LA trong dung dịch

• Polymer hóa mở vòng (Ring opening polymerization, ROP)

• Trùng ngưng LA thành polymer khối lượng phân tử thấp sau đó sử dụng các tácnhân kéo dài mạch thông qua phản ứng đa tụ để thu được polymer khối lượngphân tử cao

• Trùng ngưng ở trạng thái rắn

• Trùng ngưng đẳng phí

Hình 1.4 Các con đường sản xuất polymer từ acid Lactic

1.4.1 Tổng hợp PLA theo phương pháp trùng ngưng trực tiếp từ LA trong dung dịch

Nghiên cứu tổng hợp PLA trực tiếp trong dung dịch đã được nhiều nhà khoahọc quan tâm nghiên cứu, đặc biệt là các nhà khoa học Nhật Bản và được biết đến

từ năm 1994 Sự tồn tại cả hai nhóm chức hydroxyl và cacboxylic trong phân tử LAcho phép chuyển trực tiếp thành polyester thông qua phản ứng đa tụ Tuy nhiên quátrình ngưng tụ thông thường để polymer hóa LA không làm tăng phân tử lượng một