TỔNG HỢP NHỰA PHÂN HỦY SINH HỌC VÀ KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG LÊN CÂY TRỒNG

Một số thông tin được công bố về việc phối hợp giữa PE PVC với tinh bột, tuy tạo ra màng polymer có giá thành thấp, nhưng trên thực tế, phần polymer truyền thống không bị phân hủy triệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

TỔNG HỢP NHỰA PHÂN HỦY SINH HỌC VÀ KHẢO SÁT

ẢNH HƯỞNG LÊN CÂY TRỒNG

Họ và tên sinh viên: PHẠM NGỌC TRƯỜNG SƠN Ngành: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Niên khóa: 2006-2010

Tháng 09/2010

TỔNG HỢP NHỰA PHÂN HỦY SINH HỌC VÀ KHẢO SÁT ẢNH

HƯỞNG LÊN CÂY TRỒNG

Tác giả

PHẠM NGỌC TRƯỜNG SƠN

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư

Ngành CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Giảng viên hướng dẫn:

TH.S NGUYỄN THỊ THU THẢO

Tháng 9 năm 2010

CẢM TẠ

Tôi kính gởi lời cám ơn đến bố mẹ, hai người quan trọng nhất trong cuộc đời tôi

Bố mẹ đã chăm sóc, động viên và ủng hộ tôi trong cuộc sống và trong biết bao năm học tập

Tôi kính gởi lời cảm ơn đến thạc sĩ Nguyễn Thị Thu Thảo cùng các anh chị trong viện Khoa Học Vật Liệu Ứng Dụng Thành phố Hồ Chí Minh đã hướng dẫn, giúp đỡ

và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài Tốt nghiệp Tôi kính gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy Cô trong Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh vì đã tận tình truyền đạt đạo đức, kiến thức, kinh nghiệm quí giá cũng như sự quan tâm nhiệt tình giúp đỡ trong suốt quá trình học tập tại trường

Và tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến những người bạn luôn bên cạnh để chia sẻ và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và làm luận văn

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Phạm Ngọc Trường Sơn

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu “Tổng hợp nhựa phân hủy sinh học và khảo sát ảnh hưởng

lên cây trồng” được tiến hành tại phòng Vật Liệu Hữu Cơ, Viện Khoa Học Vật Liệu

Ứng Dụng Thành phố Hồ Chí Minh, thời gian từ 16 tháng 03 năm 2010 đến 30 tháng

08 năm 2010 Thí nghiệm tiến hành bằng cách phối trộn các nguyên liệu với tỉ lệ khác nhau để tạo ra màng polymer phân hủy sinh học Sau đó khảo sát các ứng dụng như: làm bầu ươm cây, bọc trái cây và bọc phân NPK Từ đó đánh giá khả năng ứng dụng của chúng vào thực tiễn

¾ Các mẫu polymer phân hủy sinh học dùng để bọc phân NPK cho các mẫu phân nhả chậm lâu hơn phân NPK thị trường, giúp cây phát triển tốt hơn và tiết kiệm hơn

ABSTRACT

The subject “Synthesize biodegradable polymers and study their effects in

agriculture”, was performed at Organic Materials laboratory, Institue of Applied

Materials Science, Ho Chi Minh city, from 16/03/2010 to 30/08/2010 Experiments were processed by blending materials with different ratios to make biodegradable polymer films After that, researched their applications such as: cultivate-sapling bags, fruit covers, NPK tablet covers Thence, appraised their applications in reality

The experiments showed that:

¾ Synthetic biodegradable polymers samples reached some properties: mechanical durability, water absorption, degradation in soil

¾ Fruit covers, made from biodegradable polymers, could make fruits have higher quality in comparison with covers make from papers, traditional polymer (PP,PE) or without cover

¾ Cultivate-sapling bags, made from biodegradable polymers, not only could make saplings grow better than traditional polymer but also help improve soil, reduce saplings price and protect the environment

¾ NPK tablet covers, made from biodegradable polymers, could make NPK fertiliser tablets disintergrate slowlier than market NPK, help saplings grow better and more economic

MỤC LỤC

Trang

TRANG TỰA i

CẢM TẠ ii TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH x

DANH SÁCH CÁC BẢNG xii

Chương 1: MỞ ĐẦU 1 1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích của đề tài 2

1.3 Yêu cầu của đề tài 3

Chương 2: TỔNG QUAN 4

2.1 Giới thiệu về polymer phân hủy sinh học 4

2.1.1 Khái niệm 4

2.1.2 Một số tiêu chuẩn để định nghĩa polymer phân huỷ sinh học 4

2.1.3 Phân loại Polymer phân hủy sinh học 5

2.1.3.1 Polyeste được sản sinh bởi các vi sinh vật 5

2.1.3.2 Polysaccharide thiên nhiên và các polymer thiên nhiên 5

2.1.3.3 Polymer phân hủy sinh học tổng hợp 5

2.1.4 Ứng dụng của Polymer phân hủy sinh học 7

2.1.4.1 Ứng dụng trong y học 7

2.1.4.2 Ứng dụng trong nông nghiệp 8

2.1.4.3 Ứng dụng trong bao bì 9

2.1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới về Polymer

phân hủy sinh học 9

2.1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 9

2.1.5.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 11 2.2 Thành phần nguyên liệu dùng để tổng hợp màng polymer phân hủy sinh

2.2.5.1 Tính chất của acid lactic 31

2.2.6 Carboxy methyl cellulose (CMC) 32

2.3.1 Phân loại ớt dân gian ở Việt Nam 33

2.4.3 Thu hoạch và bảo quản cà chua 37

3.1 Thời gian và địa điểm thực hiện đề tài 38

3.2 Nguyên vật liệu và thiết bị thí nghiệm 38

3.3 Phương pháp thí nghiệm và xác định các chỉ tiêu 39

3.3.2.1 Thí nghiệm 1: Phối trộn các thành phần nguyên liệu để tạo ra

3.3.2.2 Thí nghiệm 2: Tạo viên phân NPK bọc Polymer phân hủy sinh

3.3.2.3 Thí nghiệm 3: Khảo sát ứng dụng làm màng bọc trái cây 43 3.3.2.4 Thí nghiệm 4: Khảo sát ứng dụng làm bầu ươm cây 43 3.3.2.5 Thí nghiệm 5: Ứng dụng khảo sát chất lượng phân NPK bọc

4.2.1 Khảo sát khả năng phân hủy sinh học của màng 45 4.2.2 Khảo sát khả năng hấp thụ nước của màng 46 4.2.3 Khảo sát tính chất cơ học của màng 46

4.3 Khảo sát khả năng nhả chậm của phân NPK có bọc Polymer phân hủy sinh

4.5 Khảo sát chất lượng màng làm bầu ươm cây 49 4.6 Khảo sát ứng dụng phân NPK bọc Polymer phân hủy sinh học 54

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ASTM American Standard Testing

ISO International Standard

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam PLA Polylactic acid

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.7: Cấu trúc copolymer của chitosan và chitin, các giá trị x, y tùy thuộc mức độ

Hình 2.10: Cấu trúc hạt tinh bột sắn quan sát trên kính hiển vi điện tử quét SEM 28

Hình 3.1: Qui trình tổng hợp tổng hợp màng Polymer phân hủy sinh học 41 Hình 4.1: Khả năng phân hủy của mẫu trong đất 45 Hình 4.2: Đồ thị biểu diễn độ hấp thụ nước của màng chứa CMC 46 Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn độ hấp thụ nước của màng chứa Chitosan 46 Hình 4.4: So sánh ảnh hưởng của CMC và Chitosan đến độ bền kéo đứt của màng 46 Hình 4.5: So sánh ảnh hưởng của CMC và Chitosan đến độ kéo giãn của màng 46 Hình 4.6: Thí nghiệm kiểm tra quá trình nhả chậm của NPK thị trường và

NPK bọc polymer phân hủy sinh học trong nước 47 Hình 4.7: Hình ảnh cà chua lúc chưa bọc và ngày đầu tiên bọc bằng các loại vật liệu

Hình 4.9: Hình ảnh phát triển của các cây ớt dùng bầu ươm B1, B2 và Btt 50 Hình 4.10: Sự phân hủy của 2 loại bầu ươm trong đất 52 Hình 4.11: Đồ thị so sánh chiều cao các mẫu trong thí nghiệm 4 53 Hình 4.12: Đồ thị so sánh bề dày thân các mẫu trong thí nghiệm 4 53 Hình 4.13: Hình ảnh phát triển của các cây ớt bón phân NPKB1, NPKB2 và NPKtt 55

Hình 4.14: Khảo sát quá trình rửa trôi của NPK thị trường và NPK bọc 56 Hình 4.15: Đồ thị so sánh chiều cao cây ớt trong thí nghiệm 5 57 Hình 4.16: Đồ thị so sánh bề dày thân cây ớt trong thí nghiệm 5 58

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng tóm tắt các tính chất của PVA 14

Bảng 3.1: Tỉ lệ thành phần của các mẫu cần tổng hợp 39 Bảng 4.1: Chiều cao bề dày thân các mẫu cây sau 20 ngày và 40 ngày nảy mầm 53 Bảng 4.2: Chiều cao bề dày thân cây ớt sau 20 ngày và 40 ngày nảy mầm 57

số đó ngày càng tăng theo đà tăng dân số Song song với điều đó, số lượng rác từ các sản phẩm này cũng tăng lên đáng kể Đây là một thách thức lớn cho môi trường của trái đất Thời gian để phân hủy những túi nylon này là khoảng 50 năm, thậm chí là một thế kỷ mới có thể phân hủy Nếu mang đốt, chúng sẽ gây ô nhiễm không khí Trong khi đó, chôn lấp sẽ tốn nhiều diện tích và ảnh hưởng tới nguồn nước ngầm Riêng hoạt động tái chế cần đầu tư thiết bị máy móc đắt tiền, hiệu quả kinh tế thấp mà sản phẩm tái sinh không đảm bảo chất lượng

Trước thực trạng này, cần thiết phải có những dạng vật liệu tương ứng tính năng của polymer truyền thống để thay thế Đó chính là polymer tự phân hủy sinh học mà khi gặp tác động của nước, không khí, nấm, vi khuẩn trong tự nhiên, các polymer này

sẽ tự phân hủy thành những chất không có hại cho môi trường Đây là một bước tiến lớn trong lĩnh vực nghiên cứu tổng hợp polymer tự phân hủy để ứng dụng trong thực

tế

Trên thị trường, ngoài các Polymer phân hủy sinh học dạng polylactic, polylactic - coglycolic, poly caprolactam… dùng trong dược phẩm (bọc thuốc viên, khớp nối trong cơ thể…) thì các dạng Polymer phân hủy sinh học dùng làm túi ,bầu ươm cây, bọc trái cây…chưa triển khai được vì giá thành còn quá cao

Một số thông tin được công bố về việc phối hợp giữa PE (PVC) với tinh bột, tuy tạo ra màng polymer có giá thành thấp, nhưng trên thực tế, phần polymer truyền thống không bị phân hủy triệt để (thành CO2 và H2O) mà tạo thành các mảnh nhỏ khó phân hủy, chui vào lỗ xốp của đất, gây nên tình trạng bạc màu đất Loại ô nhiễm này còn nguy hiểm hơn ô nhiễm thấy được, vì vậy, đã có nhiều nhà khoa học cảnh báo về tình trạng này

Tạo ra một dạng Polymer phân hủy sinh học (thành CO2 và H2O), không để lại di hại cho đất, có độ bền tương đương polymer truyền thống và có giá thành chấp nhận được, là mong muốn của các nhà sản xuất chất dẻo, là nỗ lực của các nhà khoa học Vì vậy, cho đến nay, việc nghiên cứu Polymer phân hủy sinh học vẫn đang là đề tài nóng hổi

Polymer phân hủy sinh học được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nên tính chất, thành phần của nó cũng khác nhau Hiện nay, việc áp dụng Polymer phân hủy sinh học phục vụ nông nghiệp đang trở nên cấp thiết vì những lý do sau đây:

1 Nước: Là tài nguyên quí và đóng vai trò quan trọng bậc nhất trong sản xuất

nông nghiệp Khả năng giữ nước tốt sẽ tạo điều kiện phát triển cho cây trồng

2 Phân bón: Hiện nay phân bón chủ yếu vẫn là phân vô cơ (NPK) Tuy

nhiên, loại phân này rất dễ bị tan vào nước ( khi gặp mưa hay nước tưới) và

bị cuốn theo dòng nước Theo tính toán, chỉ 1/3 số phân được cây hấp thụ, phần còn lại bị thải theo nước, gây ô nhiễm, tốn kém chi phí

3 Bầu ươm cây: Việc ươm trồng cây giống là rất cần thiết trong nông nghiệp

Hiện nay, nhà nông sử dụng túi nylon không phân hủy làm bầu ươm cây vừa tốn 2 lần công lao động lại vừa gây ô nhiễm môi trường Việc dùng túi nylon tự phân hủy sinh học sẽ giúp nhà nông giải quyết được bài toán về công, môi trường và giá thành của cây giống

Xuất phát từ những lý do trên, được sự phân công của Bộ môn Công nghệ Hóa học, Trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Thị Thu Thảo thuộc Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng, chúng tôi thực hiện

đề tài “Tổng hợp nhựa phân hủy sinh học và khảo sát ảnh hưởng lên cây trồng”

1.2 Mục đích của đề tài

Kế thừa kết quả từ những nghiên cứu trước, tổng hợp màng Polymer phân hủy sinh học có khả năng hấp thụ nước và tính chất cơ học tốt nhất Từ đó khảo sát ảnh hưởng lên một số lĩnh vực nông nghiệp nhằm giải quyết vấn đề môi trường và tăng hiệu quả trồng trọt, sản xuất

1.3 Yêu cầu của đề tài

™ Tổng hợp màng polymer tự hủy sinh học trên cơ sở PVA và một số chất khác

™ Ứng dụng vào nông nghiệp:

ƒ Bọc phân NPK và khảo sát ảnh hưởng lên cây trồng

ƒ Bọc trái cây và khảo sát thời gian bảo quản, mức độ tươi ngon của quả

ƒ Làm bầu ươm cây giống và khảo sát khả năng phát triển của cây

Sự phân huỷ sinh học là một quá trình tự nhiên Trong đó, các chất hữu cơ được chuyển thành những hợp chất đơn giản hơn, không làm ô nhiễm môi trường Sự phân huỷ sinh học có thể xảy ra trong sinh quyển khi các vi sinh đóng vai trò trung tâm trong quá trình phân huỷ (Phạm Ngọc Lân, 2006)

2.1.2 Một số tiêu chuẩn để định nghĩa polymer phân huỷ sinh học

• Theo ISO 472-1988: Polymer phân huỷ sinh học là polymer mà sau một thời gian sử dụng, dưới những điều kiện đặc biệt của môi trường, nó mất đi một số tính chất do những thay đổi trong cấu trúc hoá học, những thay đổi này xảy ra tự nhiên nhờ các vi sinh vật trong môi trường, từ đó dẫn đến phân huỷ polymer

• Theo ASTM : Polymer có khả năng phân huỷ là polymer có khả năng xảy ra phân hủy thành carbon dioxide, methane, nước và các chất vô cơ hoặc sinh khối Trong đó cơ chế áp đảo là tác động của enzyme, của vi sinh vật đo được bằng các thử nghiệm chuẩn trong một thời gian xác định phản ánh được điều kiện phân hủy Phân hủy sinh học là phân hủy do hoạt động của vi sinh vật gây ra, đặc biệt do họat động của enzyme dẫn đến sự thay đổi lớn về cấu trúc hóa học của vật liệu

• Theo Hội Đồng nghiên cứu polymer có khả năng phân huỷ sinh học của Nhật: Polymer có khả năng phân hủy sinh học là những polymer mà quá trình phân huỷ của

nó tạo thành những hợp chất có trọng lượng phân tử thấp hơn, trong đó có ít nhất một giai đoạn thông qua sự chuyển hoá của các vi sinh vật trong tự nhiên

• Theo ASTM định nghĩa sự phân hủy do chôn ủ như sau: Đó là nhựa có khả năng xảy ra phân hủy sinh học ở môi trường ủ như một phần của chương trình sẵn có, rằng nhựa sau đó không thể phân biệt bằng mắt trần được nữa, phân hủy thành CO2,

nước các hợp chất vô cơ và sinh khối với tốc độ phù hợp với vật liệu ủ (Phạm Ngọc Lân, 2006)

2.1.3 Phân loại Polymer phân hủy sinh học

Polymer phân hủy sinh học có thể chia làm 3 loại:

2.1.3.1 Polyeste được sản sinh bởi các vi sinh vật

Các loại polymer này dễ dàng được tái tạo bằng các chủng vi sinh vật chuyển hóa các sản phẩm thiên nhiên và tự hủy hoàn toàn trong đất, sông, suối hay biển Tuy nhiên, các polymer này không thể sản xuất đại trà trên quy mô công nghiệp vì chi phí cao, nên người ta chú trọng sử dụng những hợp chất do thiên nhiên tạo ra làm nguyên liệu tổng hợp ra Polymer phân hủy sinh học

2.1.3.2 Polysaccharide thiên nhiên và các polymer thiên nhiên

Thuộc loại này là tinh bột, cellulose… có thể sản xuất với số lượng lớn, giá thành thấp Tuy nhiên, các loại polymer này có tính dẻo kém nên thường được sử dụng sau khi đã qua quá trình biến tính hoặc tạo màng với Polymer phân hủy sinh học tổng hợp nhưng sự phối hợp này vẫn bị hạn chế

2.1.3.3 Polymer phân hủy sinh học tổng hợp

™ Polyester

Hầu như chỉ có polyester là hợp chất cao phân tử có khả năng phân hủy sinh học Nguyên nhân là do mạch chính của chúng có khả năng thủy phân mạnh

Trong hệ polyester, các polymer có nhiều ứng dụng nhất:

• Lactic và glycolic copolymer

Copolymer này được ứng dụng trong công nghiệp dược và y tế

• Polycaprolactone, polyhydroxybutyrate và các polymer của các hydroxy

acid

Loại này được tổng hợp theo con đường chất dẻo tổng hợp nhưng có thể bị phân hủy bởi vi khuẩn của môi trường

™ Poly (ester amide) và các dạng tương ứng như poly hydroxybutylrate PHB,

polycarbonate, polyester urethane, polyesterurea

™ Poly (phosphate ester)

™ Polyphosphazen

™ Poly (orthoester)

™ Polyanhydride

O O

R O O

O

X

2.1.4 Ứng dụng của Polymer phân hủy sinh học

Các ứng dụng của Polymer phân hủy sinh học tập trung vào ba lĩnh vực sau:

Polymer phân hủy sinh học được sử dụng với các mục đích sau:

- Làm vật liệu cấy trong phẫu thuật chỉnh hình, mạch máu, chỉ khâu phẫu thuật, ứng dụng trong chữa mắt

- Thay thế tế bào bị bệnh hoặc không hoạt động được nữa, ví dụ như: thay khớp, van tim nhân tạo, cấy lại răng, kính áp tròng

- Làm chỉ khâu, bản xương gãy, dây chằng, gân…

- Thay thế toàn bộ hoặc từng phần chức năng của các cơ quan, như thẩm tách máu (thay chức năng của thận), thở oxy (phổi), tâm thất hoặc trợ tim toàn phần, phân phối insulin (tuyến tụy)…

- Phân phối thuốc cho cơ thể hoặc đến những nơi tế bào bị bệnh (như tế bào ung thư) hoặc duy trì tốc độ phân phối thuốc (insulin, thuốc tránh thai…)

2.1.4.2 Ứng dụng trong nông nghiệp

- Màng phủ đất: là màng Polymer phân hủy sinh học giúp cây phát triển và sau

đó phân hủy quang trên cánh đồng mà không cần phải gom nhặt sau thu hoạch Màng giúp giữ ẩm, giảm lượng hạt giống phải gieo, giữ nhiệt độ cho đất, cải thiện tốc độ phát triển cây trồng

Hình 2.1: Màng phủ đất tự hủy

- Bầu ươm cây (planting container): dùng để trồng cây giống, có thể thẩm thấu và tích trữ lại lượng nước thừa trong bầu (qua đó giảm được lượng nước tưới), có thể thấm nước mưa nhưng không gây ngập úng, rễ cây cũng có thể chọc thủng bầu ươm (túi ươm) để gia tăng sự tiếp xúc với đất, không khí… Sử dụng bầu ươm, túi ươm trong việc trồng cây giống có thuận lợi là khi trồng không cần phải xé bỏ bao bì, mà có thể để nguyên cả chậu mà trồng Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng và sau một khoảng thời gian thích hợp túi sẽ tự phân hủy tạo thành một lớp mùn có lợi cho đất

Hình 2.2: Bầu ươm cây

- Kiểm soát nhả chậm hóa chất trong nông nghiệp: Polymer trước hết đóng vai trò kiểm soát tốc độ tải, độ linh động và thời gian hữu hiệu của hóa chất Lợi thế cơ bản của kiểm soát nhả chậm là phải dùng ít hóa chất hơn trong một đơn

vị thời gian, giảm ảnh hưởng tới những nơi không cần dùng hóa chất và cũng giảm thiểu sự tổn hao, sự bay hơi và sự phân hủy Bản chất đại phân tử của polymer là chìa khóa hạn chế tổn hao hóa chất

2.1.4.3 Ứng dụng trong bao bì

Mục đích chính của bao bì thực phẩm là giữ chất lượng sản phẩm bên trong được

an toàn trong hạn sử dụng tránh tác động của môi trường và thể hiện đầy đủ các đặc tính hàng hóa cần thiết Đặc tính vật lý của polymer làm bao bì nói chung bị chi phối bởi cấu trúc hóa học, khối lượng phân tử, mức độ kết tinh và điều kiện gia công polymer Các đặc tính vật lý cần có đối với polymer để làm bao bì phụ thuộc vào mặt hàng được bao gói và môi trường bao bì được cất giữ Yêu cầu trong chế tạo bao bì phân hủy sinh học là kết hợp các polymer phân hủy thực sự hoàn toàn với màng có tính chất tốt như màng polymer tổng hợp

2.1.5 Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới về Polymer phân hủy sinh học

2.1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Nhận thức được tầm quan trọng của vật liệu polymer phân hủy sinh học, từ những năm 1980 nhiều nước trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu về lĩnh vực này Nhiều công trình nghiên cứu về lĩnh vực này đã được công bố, đặc biệt là từ những năm 90 trở lại đây:

- Năm 1980 trên thế giới chỉ có 7 – 12 sáng chế trong ngành này

- Năm 1990, có khoảng 50 bài báo được công bố

- Năm 2000, đã tăng lên 1500 bài

- Số sáng chế cũng tăng từ 20 (năm 1990) đến trên 600 (năm 2000) và tăng lên

1500 ( trong 10 tháng đầu năm 2003)

Emo Chellini và ctv (2001) đã nghiên cứu màng polymer phân hủy sinh học trên cơ

sở PVA và sợi lignincellulosic Màng tạo ra có tính chất tương đối tốt Việc thêm tinh bột bắp vào màng làm giảm đi một phần tính chất của nó nhưng giá thành sẽ thấp Để cải thiện khả năng chịu nước, tính kết dính của màng polymer thì hexamethoxymethylamine được thêm vào có vai trò như là tác nhân liên kết ngang và đồng thời nó cũng ảnh hưởng lên tính chất cơ học của màng Sự hiện diện của tinh bột trong màng polymer giúp cho màng dễ bị phân hủy sinh học

Zhao Guohua và ctv (2006) đã nghiên cứu về khả năng kháng nước, tính chất cơ học và sự phân hủy sinh học của màng polymer trên cơ sở tinh bột bắp biến tính và PVA Kết quả chỉ ra rằng việc dùng tinh bột bắp biến tính cho khả năng kỵ nước tốt hơn so với tinh bột bắp thông thường, nhưng khả năng kỵ nước thay đổi không đáng

kể theo tỉ lệ biến tính tinh bột

Trong thời gian gần đây, tại một số quốc gia Châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc và

Mỹ, việc nghiên cứu và sử dụng polymer phân hủy do môi trường phát triển rất mạnh

mẽ Năm 1992, tại Mỹ người ta tiêu thụ 550.000 tấn chất dẻo tự hủy, năm 1997 là 1.193.000 tấn và năm 2000 là 3.000.000 tấn chất dẻo tự hủy được sử dụng Tốc độ sử dụng chất dẻo tự hủy do môi trường ở Châu Âu cũng tăng với mức trung bình khoảng 9%/ năm trong thập kỷ 90 Tại Nhật Bản, mức tiêu thụ sản phẩm polymer phân hủy chiếm khoảng 11% tổng lượng chất dẻo sử dụng Người ta dự báo trong những năm tới, Nhật Bản sẽ tăng mức sử dụng chất dẻo tự hủy lên 15%, giá trị sản lượng nhựa tự hủy đạt đến 7 tỷ Yên

(http://www.worldwise.com/biodegradable.html, http://vinachem.com.vn/)

Ngày nay, chất thải polymer phân hủy sinh học có khả năng mang lại lợi nhuận bằng cách tái chế, thu năng lượng hoặc chế thành phân compost Phần lớn các công ty, đặc biệt là các công ty ở Tây Âu, Mỹ, Nhật Bản và Trung Quốc đã sản xuất các polymer dễ phân hủy Trong số các công ty sản xuất polymer dễ phân hủy thì có khoảng 8% các công ty sản xuất polymer PHA, gần 20% các công ty sản xuất PLA

Hơn 30% các công ty đang sản xuất Polymer phân hủy sinh học đi từ các hỗn hợp chứa tinh bột (M Flieger và ctv, 2003)

Cho tới nay, đã có nhiều công ty giới thiệu chế phẩm nhựa sinh học Ví dụ : công

ty Mater Bi chuyên chế tạo túi xách và dụng cụ ăn uống tự hủy sau vài lần sử dụng Công ty Vegemat có sản phẩm polylactic acid (PLA) giống như chất liệu nylon để chế tạo đĩa DVD, đinh tự hủy cố định xương dùng trong y tế Một loại bao bì mới với chất liệu từ bột khoai tây đang được một nhà máy tại Ambrumesnil (Pháp) sản xuất năm

2006 Loại bao bì này có thể tự hủy trong vòng từ 5 – 6 tháng sau khi sử dụng xong Tuy nhiên, polymer phân hủy sinh học hiện có một hạn chế lớn là giá cao hơn so với polymer truyền thống Trong khi giá của polymer sử dụng thông thường khoảng

1000 – 1500 USD/ tấn thì giá polymer sinh học khoảng từ 4000 USD/ tấn PLA đến

15000 USD/ tấn PHB Tuy có giảm giá thành song sẽ khó đạt được giá thấp như polymer gốc hóa dầu Hiện nay, giá polymer sinh học đắt hơn từ 2.5 dến 7.5 lần giá polymer đi truyền thống Còn 5 năm trước, giá polymer sinh học đắt hơn từ 35 đến 100 lần giá polymer truyền thống (http://www.dalat.gov.vn/congnghe/)

2.1.5.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Nghiên cứu polymer tự hủy là một trong những hướng nghiên cứu được chính phủ

và các nhà khoa học Việt Nam quan tâm trong những năm gần đây

Từ năm 2003, Tiến sĩ Phạm Thế Trinh cùng đồng nghiệp thuộc Viện Hóa học công nghiệp đã nghiên cứu và sản xuất túi màng polymer tự phân hủy Nó là tổ hợp của nhựa polyethylene (PE) tỷ trọng thấp với tinh bột sắn có sự tham gia của các chất phụ gia: phân tán, chất trợ tương hợp, chất oxy hóa và chất quang hóa Loại túi này có thể điều chỉnh thời gian phân hủy từ 1 - 12 tháng Sản phẩm có thể in mẫu mã như những túi nylon thông thường khác để đựng hàng hóa đảm bảo độ bền và mỹ quan Ngoài ra nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Phạm Thế Trinh đã phát triển công nghệ sản xuất màng polymer phân hủy sinh học dùng để phủ cây trồng và các bầu ươm cây Nhóm nghiên cứu đã phủ vật liệu mới này trên các luống lạc tại nông trường Thanh Hà, Hòa Bình Kết quả cho thấy, nó có tác dụng giữ ẩm, dinh dưỡng cho đất, chống xói mòn và diệt

cỏ dại

Năm 2007, Viện Hóa học (Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam) đã nghiên cứu vật liệu polymer siêu hấp thụ nước Đây là loại vật liệu có khả năng giữ ẩm, cải tạo

đất, góp phần nâng cao năng suất cây trồng với giá thành rẻ, chỉ khoảng 30.000 đồng/

ha Viện Hóa học đã sản xuất loại vật liệu này dựa trên cơ sở tinh bột sắn biến tính ASM – 1 là sản phẩm hình thành từ quá trình ghép acid acrylic vào tinh bột, hoạt động như miếng bọt xốp, có khả năng trương lên và co lại khi có sự tác động của hydrat và

đề hydrat hóa Nhờ đó, nước được giữ ổn định, giảm đến mức nhỏ nhất Sản phẩm này

có thể phát huy tác dụng trong nhiều việc, có thời gian lưu giữ trong đất trên 18 tháng

và có khả năng phân hủy sinh học nên không gây hại tới môi trường

(http://www.vifotec.com.vn/vifotec_data/index.php?newsid=94 )

Năm 2009, Các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng và Trường Đại học Nông Lâm TPHCM vừa thành công trong việc tổng hợp màng polymer composite có khả năng phân hủy sinh học trong vòng 90 ngày Thành phần được sử dụng để tổng hợp gồm có polyvinyl alcohol (PVA), tinh bột sắn, chitosan, chất chống tạo bọt Qua kiểm tra, các số liệu về độ bền vật liệu, độ bền kéo đứt, độ dãn dài của màng đều đạt yêu cầu Riêng về khả năng phân hủy sinh học, tất cả các mẫu đều phân hủy hoàn toàn trong đất Trong môi trường có chứa chất acid, polymer tự phân hủy sinh học chỉ sau 30 phút, quá trình phân hủy polymer sẽ do các loại vi khuẩn đảm nhiệm, không đòi hỏi năng lượng và không tạo ra các chất độc hại

huy-sinh-hoc.htm )

(http://nld.com.vn/2009112612111675P0C1038/tong-hop-mang-polymer-phan-Từ năm 2003, công ty Cổ Phần Văn Hóa Tân Bình (tên giao dịch: ALTA) tại TPHCM đã sản xuất được bao bì nhựa tự hủy Sản phẩm có thể tự rã ra thành bột mịn sau từ 3 tháng đến lâu hơn Trong môi trường yếm khí như bãi rác, bao bì nhựa tự hủy càng phân hủy nhanh hơn Thương xá TAX đã đặt hàng 16 tấn bao bì nhựa tự hủy của công ty để đưa vào sử dụng trong siêu thị Giá thành của bao bì nhựa tự hủy cao hơn bao bì nhựa thường từ 15 – 20%

2.2 Thành phần nguyên liệu dùng để tổng hợp màng polymer phân hủy sinh học

2.2.1 PVA

2.2.1.1 Giới thiệu

PVA là một polymer tan trong nước PVA thu được bằng phản ứng thủy phân polyvinyl acetate Con đường tổng hợp không đi từ monomer là vinyl alcohol do các monomer này không bền và không thể phân lập được để trùng hợp thành PVA một

cách khả thi nhất (Nguyễn Văn Khôi, 2007) PVA được tìm ra đầu tiên bởi Hermann

và Haehnel vào năm 1924 bằng thủy phân polyvinyl acetate trong ethanol với potassium hydroxide Nhóm acetate được thủy phân bằng cách trao đổi ester với ethanol với sự có mặt của muối khan sodium methalate hoặc dung dịch sodium hydroxide

Hình 2.3: Công thức cấu tạo của PVA

Một số tên gọi khác của PVA như: Homolyme, Polyviol, Alvyl Alkotex, Viol, Etenol, Covol, Gelvatol, Lemol…

PVA là một polymer tan trong nước, có khối lượng phân tử khá cao

Hình 2.4: Polyvinyl alcohol 2.2.1.2 Tính chất của PVA

a Tính chất vật lý

Tất cả các PVA được alcol phân một phần và hoàn toàn đều có nhiều tính chất thông dụng, làm cho polymer có giá trị cho nhiều ngành công nghiệp Các tính chất quan trọng nhất là khả năng tan trong nước, dễ tạo màng, chịu dầu mỡ và dung môi, độ bền kéo cao, chất lượng kết dính tuỵêt vời và khả năng hoạt động như một tác nhân phân tán - ổn định (Nguyễn Văn Khôi, 2007)

Bảng 2.1: Bảng tóm tắt các tính chất của PVA

Độ bền kéo, khô, chưa hóa dẻo, psi Dưới 22.000

Độ dãn dài, màng đã dẻo hóa, % Dưới 600

Độ cứng, đã hóa dẻo, Shore 10 - 100

Độ bền bảo quản (một vài năm) Không gây hỏng

Ảnh hưởng của acid mạnh Hòa tan hoặc phân hủy

Ảnh hưởng của kiềm mạnh Chảy mềm hoặc hòa tan

Ảnh hưởng của acid yếu Chảy mềm hoặc hòa tan

Ảnh hưởng của kiềm yếu Chảy mềm hoặc hòa tan

Ảnh hưởng của dung môi hữu cơ Không ảnh hưởng

(Nguồn : Theo Nguyễn Văn Khôi, 2007; John Wiley & Sons, 2005)

™ Độ hòa tan

Độ hòa tan trong nước và độ nhớt của PVA phụ thuộc vào mức độ thủy phân và

khối lượng phân tử PVA PVA thủy phân hoàn toàn chỉ hòa tan trong nước sôi, trong

khi PVA thủy phân một phần (88%) hòa tan ở nhiệt độ phòng PVA với mức độ thủy phân 80% chỉ hòa tan ở nước có nhiệt độ khoảng 10 - 40oC Trên 40oC dung dịch trở nên mờ (vì vậy gọi là điểm mờ) và sau đó PVA kết tủa Dung dịch PVA có độ phân cực cao giống như nước, dimethyl sulfoxide, acetamide, các glycol và dimethylformamide… do trong cấu trúc phân tử có chứa nhiều nhóm OH

™ Tạo màng

Vì PVA thường được hòa tan trong nước trước khi sử dụng nên khả năng tạo màng của chúng rất quan trọng trong hầu hết các ứng dụng Màng và lớp phủ PVA không cần chu kỳ đóng rắn, sự tạo màng dễ dàng xảy ra bằng cách cho nước bay hơi khỏi dung dịch So với các loại nhựa, độ bền kéo của PVA cao và so với các vật liệu tan trong nước khác thì nó khá nổi bật Độ bền kéo của PVA thay đổi theo một số yếu tố như phần trăm thủy phân, độ trùng hợp, hàm lượng chất dẻo hóa và độ ẩm Gía trị độ bền kéo giảm khi mức độ alcol phân giảm

™ Khả năng chịu dầu và dung môi

PVA không bị ảnh hưởng bởi dầu thực vật và động vật, mỡ và hydrocarbon dầu

mỏ Khả năng chịu dung môi tăng theo mức độ thủy phân Không có sự khác nhau đáng kể trong khả năng chịu dung môi giữa các loại có độ nhớt thấp, trung bình và cao trong một khoảng thủy phân cụ thể Các loại thủy phân một phần hầu hết không bị ảnh hưởng bởi các ester, ether, ketone, hydrocarbon béo, thơm và các loại rượu cao hơn Rượu đơn chức thấp hơn có thể hòa tan hoặc làm trương các loại thủy phân một phần nhưng ảnh hưởng của các dung môi này lên các loại thủy phân hoàn toàn thì không đáng kể

™ Tính chất keo dán

Một trong các thuộc tính quan trọng nữa của PVA là tính chất keo dán hay độ bền kết dính của nó Điều này có thể là do khả năng dễ tạo màng của nó và thu được độ bền kéo cao hơn Như vậy PVA là một trong những loại nhựa giá trị nhất để sản xuất keo dán và cùng với nhũ tương polyvinyl acetate tạo nên ngành công nghiệp keo dán nhựa tổng hợp Tương tự các thuộc tính keo dán của PVA là các tính chất kết dính của

nó

™ Khả năng chống thấm khí

Một trong những thuộc tính đặc biệt nhất của PVA là khả năng chống thấm khí của

nó Các nghiên cứu đối với màng PVA thủy phân hoàn toàn, loại độ nhớt thấp ở 25oC,

ẩm độ tương đối 0% không thể hiện sự truyền oxygen và nitrogen Dưới các điều kiện tương tự, tốc độ truyền khí dioxide carbon là 0.02g/m2/24giờ

b Tính chất hóa học

Theo James E Mark (1998); J Brandrup, E H Immergut, và E A Grulke (1999), PVA tham gia các phản ứng hóa học giống như một rượu đa chức

™ Phản ứng ester hóa : tác dụng dễ dàng với các acid vô cơ lẫn hữu cơ

9 Phản ứng ether hóa : tác dụng với các ethylene oxide tạo những sản phẩm

còn dễ tan trong nước hơn PVA

™ Phản ứng acetal hóa

PVA và các aldehide hình thành các hợp chất quan trọng trong công nghiệp

• Acetal hóa nội phân tử của nhóm 1,3 - glycol

• Acetal hóa ngoại phân tử

• Acetal hóa nội phân tử của nhóm 1,2 - glycol

™ Phản ứng tạo phức: cũng như các rượu đa chức khác, PVA dễ dàng tạo phức

với các hợp chất vô cơ Phức của dung dịch PVA với acid boric giúp keo tụ PVA trong bể đông tụ

™ Phản ứng tạo mạch nhánh: được thực hiện khi PVA ở dạng lỏng hay rắn và có

mặt các chất sinh gốc tự do Tính chất này được ứng dụng để sản xuất PVA biến tính

™ Phản ứng phân hủy: PVA là một polymer kém bền nhiệt Khi đun ở 200oC trong chân không thì phân hủy sinh ra nước, tới 400oC thì cho ra các hydro cacbon thấp phân tử và một ít nhựa hóa Các chất oxy hóa mạnh: KMnO4, KCrO7, O3…có khả năng gây phản ứng oxy hóa cắt mạch cũng như oxy hóa ở

đầu mạch PVA

Ngoài ra, PVA còn có một số tính chất khác như: khả năng phản ứng tạo phức chất với đồng, phản ứng liên kết ngang mạch nhờ tác dụng của các nhóm OH

• Phenyl isocyanate và PVA tạo thành phenyl urethane của PVA

• PVA hình thành phức đồng trong môi trường trung tính hoặc base yếu Phức này không hòa tan ở pH đó nhưng có thể hòa tan trong amoniac (Nguyễn Văn Khôi, 2007)

c Sự phân hủy của PVA

PVA phân hủy sinh học cho hợp chất dioxide carbon và nước Có khoảng 55 loài

vi sinh vật khác nhau có khả năng phân hủy PVA Trong đó các vi khuẩn như nấm men và nấm mốc cho hiệu quả phân hủy tốt nhất

2.2.1.3 Ứng dụng của PVA

™ Keo dán

Độ bền kéo cao và đặc tính keo dán của PVA khiến chúng có ứng dụng rộng rãi trong sản xuất keo dán với các thể loại đa dạng từ keo dán ướt cho giấy đến keo dán hoạt hóa ẩm

™ Chất kết dính

PVA là chất kết dính hiệu quả cao với nhiều loại vật liệu khác nhau trong đó có vải Nó cũng được sử dụng để kết dính các hạt xúc tác, nút chai, vữa và sản phẩm phế thải Với vai trò là chất kết dính trong gốm, PVA tạo ra các tính chất ép đùn và độ bền màu cao vì vậy giảm bớt nứt vỡ

™ Hồ và phủ giấy

PVA cung cấp cho các nhà sản xuất giấy một loại nhựa tan trong nước làm tăng độ bền, độ trong, chịu dầu mỡ, không thấm khí và nhờ đó nâng cao chất lượng in của các sản phẩm giấy

™ Hồ sợi và hoàn thiện

Độ bền kéo cao, độ mềm dẻo, độ bền mài mòn và độ bám dính tốt cùng với độ tan trong nước chứng tỏ PVA có tác dụng như một tác nhân hồ sợi Quá trình hồ có thể được áp dụng bằng các phương pháp hồ sợi thông thường, hoặc cuộn chỉ đối với sợi dọc và sợi đan PVA cũng được sử dụng rộng rãi như một chất hoàn thiện vải, đặc biệt khi kết hợp với nhựa nhiệt rắn

™ Tác nhân tạo nhũ

Một tính chất quan trọng nữa của PVA là khả năng hoạt động như một chất tạo nhũ không ion Như thế, nó có nhiều ưu đỉểm so với các chất tạo nhũ khác Nó hoạt động chủ yếu như một keo bảo vệ và dung hòa dần nồng độ các chất điện ly, đặc biệt

là acid Hơn nữa nó tạo thành hỗn hợp chất nhũ hóa hỗ trợ với một số tác nhân hoạt động bề mặt

™ Màng PVA

Nhiều ứng dụng trong sản xuất bao gói gồm túi và ống giấy chứa dầu, mỡ, sơn và hóa chất nên sử dụng màng PVA Bao gói một lượng đơn vị các vật liệu như xà phòng, chất tẩy trắng khô, hồ lơ, thuốc trừ sâu và chất khử trùng trong các túi chứa nhựa tan trong nước tạo thuận lợi cho ứng dụng chúng

™ Gốm

Một số ứng dụng trong gốm đã sử dụng PVA Một trong những ứng dụng đó là sản xuất bộ đồ ăn Chỉ 0.1% PVA, trên cơ sở khối lượng khô đất sét, khi thêm vào nước áo đổ khuôn có thể cải thiện các đặc tính làm việc

™ Các sản phẩm đúc

PVA được dẻo hóa có thể được đúc thành các chi tiết dạng cao su có độ cứng từ 10-100 shore Độ bền cao, độ mềm dẻo và chịu dầu mỡ, dung môi hữu cơ, không thấm khí, độ bền lão hóa tốt đặc trưng cho các chi tiết này

Ngoài ra, PVA còn có một số ứng dụng khác: lớp phủ chất bảo vệ dùng để bảo vệ tạm thời, chống xước cho các kim loại có độ bóng cao và các vật liệu nhựa trong quá

trình sản xuất và vận chuyển; làm mỹ phẩm: các tính chất kết dính, tạo nhũ, tạo màng

và làm đặc của PVA được ứng dụng rộng trong sản xuất mỹ phẩm và PVA cũng được

sử dụng làm hóa chất trung gian

2.2.1.4 Phương pháp điều chế

Không giống như hầu hết các polymer vinyl, PVA không được tạo ra từ sự trùng hợp của monome tương ứng mà được tổng hợp từ polyvinyl acetate Phương pháp cơ bản để điều chế PVA là thủy phân (xà phòng hóa) polyvinyl acetate nhờ kiềm hay acid Quá trình xà phòng hóa xảy ra nhanh và êm dịu khi có dư kiềm trong dung dịch methanol và trong dioxane Dùng HCl làm xúc tác thì thủy phân tốt hơn, nhưng PVA khó rửa nên độ chịu nhiệt , độ hòa tan của PVA giảm Còn dùng NaOH thì PVA dễ rửa hơn nên các tính chất ổn định hơn

Khi HCl làm xúc tác thì độ nhớt giảm, có khi PVA không tan trong nước và acid loãng Phản ứng xảy ra như sau:

Dung môi thích hợp để trùng hợp dung dịch polyvinyl acetate là methanol hay acetone Nhưng methanol là phù hợp với quá trình chuyển hóa từ polyvinyl acetate thành polyvinyl alcohol Dung dịch polyvinyl acetate dưới tác dụng của xúc tác NaOH

sẽ tham gia phản ứng thủy phân:

Thường lượng nước có trong methanol dùng làm dung môi rất nhỏ Nếu methanol

bị lẫn nước thì nước sẽ tham gia phản ứng thủy phân cạnh tranh với methanol

Acetic acid mới sinh ra phản ứng với NaOH:

Khi toàn bộ NaOH đã phản ứng hết, tác dụng xúc tác không còn thì quá trình thủy phân bị ngưng

2.2.2 Chitin và chitosan

2.2.2.1 Khái niệm

Chitin là đại phân tử được tìm thấy trong vỏ tôm, cua và các loại động vật giáp xác khác Chitin là một polysaccharide mạch thẳng có thể xem là dẫn xuất của cellulose trong đó nhóm -OH ở nguyên tử C2 được thay thế bằng nhóm -NHCOCH3 Như vậy chitin là poly(N-acetyl-2-amino-2-desoxy-β-D-glucopyranose) liên kết với nhau bởi các liên kết β-(C-1-4) glicoside (http://www.hoahocvietnam.com)

Hình 2.5: Cấu trúc của chitin

Chitosan là dẫn xuất deacetyl hoá của chitin, trong đó nhóm –NH2 thay thế nhóm NHCOCH3 ở vị trí C2 Chitosan được cấu tạo từ các mắt xích D-glucosamine liên kết với nhau bởi các liên kết β-(1-4)-glicoside, do vậy chitosan có thể gọi là poly β-(1-4)-2-amino-2-deoxy-D-glucose hoặc là polyβ-(1-4)-D-glucosamine

-(http://www.hoahocvietnam.com)

Hình 2.6: Cấu trúc của chitosan Bảng 2.2: Nguồn chứa chitin Nguồn Kiểu

(Nguồn: Theo John Wiley & Sons, 2005)

2.2.2.2 Tính chất của chitin và chitosan

a Tính chất vật lý

Trong tự nhiên chitin có 3 dạng kết tinh chính là: α β γ, , −chitin Dạng α γ -chitin ,

là các dạng có cấu tạo không phải là sự sắp xếp song song nhau của các chuỗi mà tạo

ra một sự rối trong không gian Dạng β giống như cấu trúc bậc 1 của cellulose Chitin

được tìm thấy ở cả dạng α và β Dạng α có mạng liên kết hydrogen 3 chiều chắc chắn Chính nhờ cấu tạo này mà làm cho α-chitin trương phồng lên và sự hòa tan gặp khó khăn Trong khi đó, cấu trúc β-chitin thì không có liên kết hydrogen giữa hai mạch song song do đó nó dễ dàng hình thành được dạng hydrat và có lợi hơn cho các phản ứng có β -chitin tham gia Chitosan cũng được tìm thấy ở các dạng kết tinh hoặc polymer khác nhau Chitosan không phải là dạng hoàn toàn 100% deacetyl hóa, vì vậy

nó có tính chất của một copolymer ngẫu nhiên Khi mức độ deacetyl hóa nhỏ hơn 90% thì sự kết tinh bị cản trở và chitosan có một mức độ kết tinh thấp hơn so với chitin gốc Chitosan là một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ theo các kích cỡ khác nhau Có màu trắng hay vàng nhạt, không mùi vị, không tan trong nước, dung dịch kiềm và acid đậm đặc nhưng tan trong acid loãng (pH= 6 - 6,6), tạo dung dịch keo trong, có khả năng tạo màng tốt, nhiệt độ nóng chảy 309 oC – 311 oC Trọng lượng phân tử trung bình: 10.000 - 500.000 dalton tùy loại Chitosan là một polyamine Nó được xem như một polymer cationic có khả năng cho các ion kim loại nặng bám chặt vào các bề mặt điện tích âm và tạo ra phức chất với kim loại và kết tủa, nhờ vào những biến đổi của nhóm OH qua phân tử copolymer và khả năng tạo phản ứng của nhóm –

NH2 Trên mỗi mắt xích của phân tử chitosan có ba nhóm chức, các nhóm chức này có khả năng kết hợp với chất khác để tạo ra các dẫn xuất có lợi khác của chitosan (O-acylchitosan, N-acetyl chitosan, N-phatylchitosan…)

Hình 2.7: Cấu trúc copolymer của chitosan và chitin, các giá trị x, y tùy thuộc mức độ

deacetyl hóa

Hình 2.8: Các dẫn xuất của chitosan

b Tính chất hóa học

Trong phân tử chitin/chitosan có chứa các nhóm chức -OH, -NHCOCH3 trong các mắt xích N-acetyl-D-glucosamine và nhóm –OH, nhóm -NH2 trong các mắt xích D-glucosamine có nghĩa chúng vừa là alcohol vừa là amine và cũng vừa là amide Phản ứng hoá học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thế N-, hoặc dẫn xuất thế O-, N-

Mặt khác chitin/chitosan là những polymer mà các monomer được nối với nhau bởi các liên kết β-(1-4)-glicoside; các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất hoá học như: acid, base, tác nhân oxy hóa và các enzyme thuỷ phân

+ Các phản ứng của nhóm -OH

-Dẫn xuất sunfate

-Dẫn xuất O-acyl cuả chitin/chitosan

-Dẫn xuất O–tosyl hoá chitin/chitosan

+ Phản ứng ở vị trí N

-Phản ứng N-acetyl hoá chitosan

-Dẫn xuất N-sunfate chitosan

-Dẫn xuất N-glycochitosan (N-hidroxy-ethylchitosan)

+ Khả năng hấp phụ tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp của

chitin/chitosan và một vài dẫn xuất

Trong phân tử chitin/chitosan và một số dẫn xuất của chitin có chứa các nhóm chức

mà trong đó các nguyên tử oxygen và nitrogen của nhóm chức còn cặp electron chưa

sử dụng Do đó chúng có khả năng tạo phức phối trí với hầu hết các kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp như: Hg2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ Tuỳ nhóm chức trên mạch polymer mà thành phần và cấu trúc của phức khác nhau Ví dụ: phức Ni(II) với chitin có cấu trúc bát diện, số phối trí bằng 6, còn phức Ni(II) với chitosan có cấu trúc

tứ diện, số phối trí bằng 4

2.2.2.3 Ứng dụng của chitosan

™ Đối với nông nghiệp

Chitosan được sử dụng trước hết như là một yếu tố kích thích sự tăng trưởng của thực vật, như là một vật chất làm tăng khả năng chống chịu với sự phá hoại của các loại nấm Chitosan được cho rằng không có hại đối với con người, môi trường, súc vật

và các loài vật hoang dã nếu sử dụng theo đúng hướng dẫn ghi trên nhãn Màng chitosan còn được dùng tạo màng bọc giữ trái cây, nông sản, bọc hạt giống…

™ Xử lý nước thải

Làm kết bông các cation kim loại và loại ra khỏi nước các ion kim loại nặng

™ Thực phẩm

Chitosan là chất xơ trong khẩu phần, chất nhũ hóa, là những chất mang trơ không gây độc hại cho cơ thể Ngoài ra, chitosan còn dùng làm chất lọc nước uống và dịch trái cây, chất loại bỏ màu thực phẩm hoặc làm ổn định màu thực phẩm

™ Y tế

Chitosan được dùng làm thuốc chống cholesterol, làm mau lành vết thương, làm da nhân tạo, làm chất liệu trong công nghệ sinh học

™ Mỹ phẩm

Chitosan được dùng làm chất bổ sung trong các sản phẩm chăm sóc tóc, chăm sóc

da, làm kem đánh răng

Ngoài ra chitosan còn được ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác

Chitosan được chiết xuất từ sinh vật biển, là dạng chất xơ hòa tan Kết hợp việc dùng chitosan để giảm cân với các hoạt chất có tác dụng tích cực đối với các tế bào da, giúp duy trì độ đàn hồi của da, chống oxy hóa cao

2.2.2.4 Sản xuất chitosan

Hình 2.9: Qui trình sản xuất chitosan

- Công thức phân tử: (C6H10O5)n

- Công thức cấu tạo :

Tinh bột đều ở dạng hạt có kích thước khác nhau và khác nhau không lớn lắm về thành phần, tùy thuộc loại cây Tinh bột cấu thành từ hai cấu tử chính là: amylose phần lớn là α-D-(1-4)- glucan mạch thẳng, có khối lượng phân tử trong khoảng 40.000 đến 340.000 tương ứng với mạch chứa 250 - 2000 đơn vị monomer glucose;

và amylopectin là phân tử rất lớn α-D-(1-4)-glucan có liên kết α-D-(1-6) tại điểm tạo nhánh