Nghiên cứu quá trình trích ly paclitaxel và 10 deacetyl baccatin iii bằng dung môi siêu tới hạn ứng dụng trong dược phẩm điều chế thuốc trị ung thư

Taxol và 10 – DAB III thường được trích ly bằng phương pháp trích ly thông thường như ngâm dầm, Soxhlet sử dụng dung môi thông đỏ thường và một phương pháp mới - trích ly bằng dung môi s

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HỒ CÔNG TRỰC

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRÍCH LY PACLITAXEL

VÀ 10 – DEACETYL BACCATIN III BẰNG

DUNG MÔI SIÊU TỚI HẠN ỨNG DỤNG TRONG DƯỢC PHẨM ĐIỀU CHẾ THUỐC TRỊ UNG THƯ

Chuyên ngành: Quá trình - Thiết bị Công nghệ Hóa học

Mã ngành: 605277

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2011

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Lê Thị Kim Phụng

Chữ ký:

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 17 tháng 8 năm 2011 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn và bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Bộ môn quản lý chuyên ngành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÕNG ĐÀO TẠO SĐH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

_

Tp HCM, ngày … tháng … năm …

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Quá trình - Thiết bị Công nghệ hóa học MSHV: 09290134

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRÍCH LY PACLITAXEL VÀ 10 – DEACETYL BACCATIN III BẰNG DUNG MÔI SIÊU TỚI HẠN ỨNG DỤNG TRONG DƯỢC PHẨM ĐIỀU CHẾ THUỐC TRỊ UNG THƯ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

 So sánh khả năng trích ly Paclitaxel và 10 – Deacetyl baccatin III của các phương pháp khác nhau

 Khảo sát ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ, lưu lượng dung môi siêu tới hạn lên hiệu quả trích ly Paclitaxel và 10 – Deacetyl baccatin III

 Tối ưu hóa quá trình trích ly Paclitaxel và 10 – Deacetyl baccatin III

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: tháng 7 năm 2010

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: tháng 7 năm 2011

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ LÊ THỊ KIM PHỤNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến Tiến Sĩ Lê Thị Kim Phụng, người

đã tận tình truyền đạt những kinh nghiệm và kiến thức nghiên cứu khoa học quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi trang bị thêm vững chắc nền tảng tri thức và hoàn thành tốt luận văn này

Gia đình luôn là hậu phương vững chắc, là động lực to lớn giúp tôi vượt qua mọi khó khăn trong học tập và cuộc sống

Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn của mình đến quý thầy cô bộ môn Quá trình - Thiết bị, thầy cô Khoa Kỹ thuật Hóa học và cán bộ phòng Thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ hóa học và Dầu khí - Trường Đại học Bách khoa đã hết lòng truyền đạt kiến thức và giúp tôi có được những điều kiện thí nghiệm tốt nhất

Xin cảm ơn tập thể lớp cao học Quá trình - Thiết bị Công nghệ hóa học khóa

2009 và những người bạn của tôi đã động viên, giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập tại trường cũng như khi thực hiện đề tài

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến lãnh đạo khoa Khoa Học Nông nghiệp, quý thầy cô Bộ môn Công nghệ Thực Phẩm - Trường Đại học Cửu Long đã nhiệt tình ủng hộ và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành nhiệm vụ

ABSTRACT

Annually, Viet Nam has to import a considerable amount of anticancer drug that

is made from Paclitaxel (Taxol) and 10 – Deacetyl baccatin III (10 – DAB III), a

precursor of Taxol which are present in Taxus wallichiana Zucc in Viet Nam as well

as other regions in the wolrd Taxol and 10 – DAB III are usually extracted by some methods such as soaking, Soxhlet used conventional solvent and supercritical fluid extraction This study compared the effect of above methods, estimated the influence

of factors as well as their co-operation and optimized the supercritical fluid extraction

of Taxol and 10 – DAB III

First of all, in comparision with different extracting methods, experiments of soaking, Soxhlet used ethanol as a solvent and supercritical CO2 extraction used ethanol, methanol as cosolvents were taken The outcome showed that the supercritical extraction with cosolvents which obviously have the most advantages of all as high yield, short extracting time, high selectivity and the selectivity can be adjusted Moreover, despite the high yield of supercritical extraction used methanol as a cosolvent, ethanol has higher selectivity and less toxic than methanol

Three factors that were pressure (140 – 300 bar), temperature (313 – 333 K) and solvent flow rate (10 – 20g/min), were observed to assess the process with constant cosolvent proportion of 12% ethanol The result indicated that the pressure and solvent flow rate greatly affect the yield of Taxol and 10 – DAB III; pressure, temperature, solvent flow rate complexly impact on selectivity

There were some results of optimizing from using separated or combined functions in order to compare each other Optimizing both of yield of Taxol and 10 – DAB III is the most feasible way because of its easily practical operation (300 bar, 333

K, 20 g/min), the high yield of Taxol and 10 – DAB III as well as high desirability

TÓM TẮT

Hàng năm, nước ta phải nhập khẩu một lượng lớn thuốc trị ung thư được sản xuất

từ hoạt chất Paclitaxel (Taxol) và một tiền chất của Taxol là 10 – Deacetyl baccatin III

(10 – DAB III), chúng hiện diện trong cây thông đỏ đỏ Taxus wallichiana Zucc ở Việt

Nam cũng như một vài loài thông đỏ khác trên thế giới Taxol và 10 – DAB III thường được trích ly bằng phương pháp trích ly thông thường như ngâm dầm, Soxhlet sử dụng dung môi thông đỏ thường và một phương pháp mới - trích ly bằng dung môi siêu tới hạn Nghiên cứu này đã so sánh hiệu quả trích ly của các phương pháp trên, đánh giá của các yếu tố ảnh hưởng và tối ưu hóa quá trình trích ly Taxol và 10 – DAB III bằng dung môi siêu tới hạn

Hiệu quả của các phương pháp ngâm dầm, Soxhlet sử dụng ethanol làm dung môi và trích ly bằng CO2 siêu tới hạn có và không có dung môi hỗ trợ được so sánh Kết quả cho thấy, trích ly siêu tới hạn có dung môi hỗ trợ là phương pháp có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp còn lại như hiệu suất trích cao, thời gian trích ly ngắn, độ chọn lọc cao và có thể điều chỉnh độ chọn lọc bằng cách thay đổi điều kiện trích Ngoài

ra, khi so sánh hiệu quả trích ly của dung môi hỗ trợ, ethanol thích hợp hơn methanol

vì độ chọn lọc cao hơn, ít độc hại hơn mặc dù hiệu suất trích thấp hơn methanol

Ba yếu tố áp suất (140 – 300 bar), nhiệt độ (313 – 333 K), lưu lượng dung môi (10 – 20 g/phút) với tỷ lệ ethanol không đổi là 12% so với lưu lượng tổng cộng được khảo sát để đánh giá quá trình trích Kết quả cho thấy, áp suất và lưu lượng ảnh hưởng đến hiệu suất; ba yếu tố áp suất, nhiệt độ, lưu lượng dung môi tác động lên độ chọn lọc Tối ưu hóa được thực hiện dựa trên từng hàm riêng lẽ hoặc kết hợp giữa các hàm mục tiêu Kết quả phương án tối ưu cả hai hàm mục tiêu là hiệu suất trích ly Taxol và

10 – DAB III khả thi nhất vì điều kiện trích dễ thực hiện (300 bar, 333 K, 20 g/phút), phù hợp với yêu cầu thực tế là hiệu suất trích ly và khả năng đáp ứng của hàm mục tiêu

là cao nhất

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

ABSTRACT iv

TÓM TẮT v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT viii

DANH SÁCH BẢNG ix

DANH SÁCH HÌNH x

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC 3

1.7 Ý NGHĨA THỰC TIỄN 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5

2.1 CÂY THÔNG ĐỎ VÀ THÀNH PHẦN DƯỢC CHẤT 5

2.1.1 Mô tả thực vật, phân bố sinh thái 5

2.1.2 Thành phần hóa học 6

2.1.3 Taxol và 10-DAB III 8

2.2 TRÍCH LY SIÊU TỚI HẠN 11

2.2.1 Lý thuyết siêu tới hạn 11

2.3.1 Trích ly bằng dung môi siêu tới hạn 17

2.3.2 Ưu nhược điểm và các yếu tố ảnh hưởng 23

2.3 TRÍCH LY TAXOL VÀ 10-DAB III BẰNG CO2 SIÊU TỚI HẠN 31

2.3.1 Độ tan của Taxol và 10-DAB III trong các chất lỏng siêu tới hạn 31

2.3.2 Các phương pháp trích ly Taxol và 10-DAB III 36

2.3.3 Nghiên cứu trích ly Taxol bằng dung môi siêu tới hạn 42

CHƯƠNG 3 THIẾT BỊ – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47

3.1 NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 47

3.1.1 Nguyên liệu và hóa chất 47

3.1.2 Thiết bị thí nghiệm 49

3.2 LÝ THUYẾT QUY HOẠCH VÀ THỐNG KÊ THÍ NGHIỆM 54

3.2.1 Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm 54

3.3.2 Sơ lược lý thuyết tối ưu 65

3.3 THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM 68

3.4 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 71

3.4.1 Quy trình thí nghiệm 71

3.4.2 Giải thích quy trình 72

3.4.3 Phân tích sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) 73

CHƯƠNG 4 TRÍCH LY TAXOL VÀ 10 – DAB III BẰNG DUNG MÔI SIÊU TỚI HẠN, NGÂM DẦM, SOXHLET 76

4.1 MÔ TẢ THÍ NGHIỆM 76

4.1.1 Phương pháp ngâm dầm 76

4.1.2 Phương pháp Soxhlet 77

4.1.3 Trích ly bằng dung môi siêu tới hạn 78

4.2 KẾT QUẢ 78

CHƯƠNG 5 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ 82

LÊN HIỆU QUẢ TRÍCH LY TAXOL VÀ 10-DAB III 82

5.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 82

5.2 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 87

5.2.1 Phân tích biến (ANOVA) 87

5.2.2 Ảnh hưởng các yếu tố lên hiệu suất trích ly Taxol và 10 – DAB III 90

5.2.3 Ảnh hưởng của các yếu tố lên độ chọn lọc Taxol và 10 – DAB III 97

CHƯƠNG 6 TỐI ƯU QUÁ TRÌNH TRÍCH LY TAXOL VÀ 10-DAB III DỰA TRÊN PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY THỰC NGHIỆM 104

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 110

PHỤ LỤC xiv

TÀI LIỆU THAM KHẢO xxix

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

CP: Critical point

EtOAc: Ethyl acetate (CH3COOC2H3)

HPLC: high pressure liquid chromatography

NCI: National Cancer Institute

PVT: Pressure Volume Temperature

SFE: Supercritical Fluid Extraction

TP: Triple point

VLC: vacuum normal phase liquid chromatography

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1: Đặc điểm của một số chất ở trạng thái tới hạn 13

Bảng 2.2: Tính chất vật lý của chất ở trạng thái khí, lỏng và siêu tới hạn 14

Bảng 2.3: Một số đặc điểm của CO2 15

Bảng 2.4: Khối lượng riêng CO2 ở các giá trị nhiệt độ và áp suất khác nhau (kg/m3) 16

Bảng 2.5: Các yếu tố ảnh hưởng đến trích ly siêu tới hạn [4] 27

Bảng 2.6: Độ tan của Taxol trong CO2 và N2O siêu tới hạn 33

Bảng 2.7: Một số loài nấm sản xuất Taxol trên vật chủ xác định 38

Bảng 2.8: Trích ly Taxol từ vỏ Taxus brevifolia ở 318 K 44

Bảng 2.9: Trích ly Taxol từ vỏ Taxus brevifolia ở 318 K 45

Bảng 3.1: Các hóa chất sử dụng trong thí nghiệm 48

Bảng 3.2: Bảng quy hoạch thí nghiệm 57

Bảng 3.3: Bảng quy hoạch thí nghiệm 59

Bảng 3.4: Ma trận quy hoạch thực nghiệm 65

Bảng 3.5: Các biến khảo sát 69

Bảng 3.6: Hàm đáp ứng 70

Bảng 3.7: Pha dung dịch chuẩn 10 – DAB III 73

Bảng 3.8: Pha dung dịch chuẩn Taxol 73

Bảng 4: Hiệu quả trích ly của các phương pháp 79

Bảng 5.1: Kết quả thí nghiệm 83

Bảng 5.2: Tổng hợp các giá trị quan sát 86

Bảng 5.3: Kết quả đánh giá ý nghĩa phương trình hồi quy 87

Bảng 5.4: Kết quả phân tích hiệu suất trích ly Taxol 91

Bảng 5.5: Kết quả phân tích hiệu suất trích ly 10 – DAB III 92

Bảng 5.6: Hệ số hồi của quy hàm đa thức bề mặt đáp ứng độ chọn lọc Taxol 97

Bảng 5.6: Hệ số hồi của quy hàm đa thức bề mặt đáp ứng độ chọn lọc 10 – DAB III 98 Bảng 6: Kết quả tối ưu quá trình trích ly Taxol và 10 - DAB III 104

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1: Thông đỏ đỏ Taxus wallichiana Zucc trồng ở Đà Lạt 5

Hình 2.2: Cấu trúc phân tử Paclitaxel (Taxol) 8

Hình 2.3: Cấu trúc phân tử 10 – Deacetyl baccatin III (10 – DAB III) 9

Hình 2.4: Cấu trúc hóa học của nhóm N-benzoyl-3-phenylisoserine 10

Hình 2.5: Bán tổng hợp Taxol từ 10-DAB III 10

Hình 2.6: Cấu trúc phân tử Taxotere 10

Hình 2.7: Giản đồ PVT của một cấu tử tinh khiết và hình chiếu lên mặt phẳng PT 12

Hình 2.8: Giản đồ pha của CO2 16

Hình 2.10: Sơ đồ trích ly nguyên liệu lỏng bằng chất lỏng siêu tới hạn 20

Hình 2.11: Sơ đồ trích ly nguyên liệu rắn 21

Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống trích ly nguyên liệu rắn gồm nhiều bình trích 22

Hình 2.13: Sơ đồ thiết bị xác định độ tan của Taxol trong hỗn hợp dung môi 32

Hình 2.14: Độ tan Taxol trong CO2 siêu tới hạn ở các áp suất khác nhau 34

Hình 2.15: Độ tan Taxol ở 313 K, 300 bar 35

Hình 2.16: Độ tan baccatin III ở 313 K, 300 bar 35

Hình 2.17: Quy trình trích ly Taxol bằng methanol của Han, Man, Woo 39

Hình 2.18: Quy trình trích ly Taxol bằng ethanol của Muraleedharan G Nair, Okemos, Mich 41

Hình 3.1: Cây thông đỏ Taxus wallichiana Zucc trồng ở Đà Lạt 47

Hình 3.2: Cành non và lá thông đỏ đỏ Taxus wallichiana Zucc đƣợc sấy và xay mịn 48 Hình 3.3: Thiết bị trích ly siêu tới hạn THAR SFC 100 49

Hình 3.4: Sơ đồ thiết bị trích ly siêu tới hạn 50

Hình 3.5: Thiết bị cô quay chân không Buchi R-210 51

Hình 3.6: Cấu tạo thiết bị cô quay chân không 52

Hình 3.7: Thiết bị phân tích sắc ký lỏng hiệu năng cao 52

Hình 3.8: Sơ đồ hệ thống sắc ký lỏng hiệu năng cao 53

Hình 3.9: Cột dùng cho HPLC 54

Hình 3.10: Mô hình quy hoạch đa mục tiêu 55

Hình 3.11: Mô hình kiểm định 57

Hình 3.12: Đường chuẩn 10 – DAB III 74

Hình 3.13: Đường chuẩn Taxol 74

Hình 4.1: Dịch trích sau khi cô quay và hòa tan với CH3OH 77

Hình 4.2: Trích Taxol và 10-DAB III bằng phương pháp Soxhlet 77

Hình 4.3: Hiệu suất trích ly Taxol và 10-DAB III 80

Hình 4.4: Độ chọn lọc Taxol và 10 – DAB III 80

Hình 5.1: Giá trị thực nghiệm so với giá trị dự đoán hiệu suất trích ly Taxol 88

Hình 5.2: Giá trị thực so với giá trị dự đoán hiệu suất 10-DAB III 89

Hình 5.3: Giá trị thực so với giá trị dự đoán độ chọn lọc Taxol 89

Hình 5.4: Giá trị thực so với giá trị dự đoán độ chọn lọc 10-DAB III 90

Hình 5.5: Hàm lượng Taxol theo P, T ở Q = 10g/phút 94

Hình 5.6: Hàm lượng Taxol theo P, T ở Q = 15 g/phút 94

Hình 5.7: Hàm lượng Taxol theo P, T ở Q = 20 g/phút 95

Hình 5.8: Hiệu suất 10 – DAB III theo P, T ở Q = 10 g/phút 95

Hình 5.9: Hiệu suất 10 – DAB III theo P, T ở Q = 15 g/phút 96

Hình 5.10: Hiệu suất 10 – DAB III theo P, T ở Q = 20 g/phút 96

Hình 5.11: Đồ thị độ chọn lọc Taxol theo P, T ở Q = 10 g/phút 99

Hình 5.12: Đồ thị độ chọn lọc Taxol theo P, T ở Q = 15 g/phút 100

Hình 5.13: Độ chọn lọc Taxol theo P, T ở Q = 20 g/phút 100

Hình 5.14: Độ chọn lọc 10-DAB III theo P, T ở Q = 10 g/phút 101

Hình 5.15: Độ chọn lọc 10-DAB III theo P, T ở Q = 15 g/phút 101

Hình 5.16: Độ chọn lọc 10-DAB III theo P, T ở Q = 20 g/phút 102

Hình 6.1: Tối ưu hiệu suất trích ly Taxol và 10 - DAB III 105

Hình 6.2: Tối ưu hiệu suất trích ly Taxol 106

Hình 6.3: Tối ƣu hiệu suất trích ly 10 – DAB III 106

Hình 6.4: Tối ƣu hiệu suất và độ chọn lọc Taxol 107

Hình 6.5: Tối ƣu hiệu suất và độ chọn lọc 10 – DAB III 107

Hình 6.6: Tối ƣu hiệu suất và độ chọn lọc Taxol và 10 – DAB III 108

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Paclitaxel (Taxol) là một dược liệu có khả năng điều trị hiệu quả nhiều bệnh ung thư như: ung thư phổi, cổ, vú, cổ tử cung…và một tiền chất rất quan trọng để tổng hợp Taxol là 10 – Deacetyl baccatin III (10 – DAB III) Chúng được tìm thấy trong

các loài thông đỏ như Taxus brevifolia, Taxus cuspidate, Taxus wallichiana…phân

bố nhiều vùng trên thế giới Ở Việt Nam, loài thông đỏ Taxus wallchian Zucc có ở

các tỉnh Lào Cai, Hà Giang, Khánh Hòa, Lâm Đồng

Taxol và 10 – DAB III là những thành phần dược liệu quý có trong cây thông đỏ

đỏ nên hiện nay bên cạnh nguồn nguyên liệu từ thiên nhiên, các nhà nghiên cứu đã

thành công trong việc nhân giống và trồng cây thông đỏ Taxus wallichiana Zucc ở

Lâm Đồng Bước đầu quan trọng này đã tạo điều kiện thuận lợi cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm sớm cung cấp Taxol cho ngành công nghiệp dược để sản xuất thuốc chống ung thư vốn phụ thuộc nhiều vào nhập khẩu Trong đó, công nghệ trích ly là một trong những khâu có ý nghĩa quan trọng trong dây chuyền từ nguyên liệu đến sản phẩm cuối cùng Hơn nữa, bản quyền công nghệ trích ly Taxol sẽ hết hạn vào năm 2012 nên đòi hỏi có một công nghệ trích ly mới đáp ứng yêu cầu hiện tại

Có nhiều phương pháp trích ly Taxol và 10 - DAB III từ nguyên liệu thông đỏ

đỏ Phương pháp ngâm dầm, trích ly bằng Soxhlet sử dụng các dung môi methanol, ethanol, …Tuy nhiên, các phương pháp này bộc lộ nhiều nhược điểm như: thời gian trích ly kéo dài, dung môi độc hại ảnh hưởng đến môi trường, lượng tạp chất còn lại trong sản phẩm cuối cùng là khó tránh khỏi Trích ly bằng dung môi siêu tới hạn là phương pháp trích ly hiện đại với nhiều ưu điểm như: thời gian trích ngắn, có thể điều chỉnh được độ chọn lọc chất trích của dung môi, có thể tuần hoàn để sử dụng

lại dung môi do đó tiết kiệm được chi phí, dung môi thân thiện với môi trường, nên đáp ứng được với xu hướng sản xuất tiên tiến – xu hướng sử dụng dung môi xanh

Từ những yêu cầu thực tế trên thì đề tài “Nghiên cứu quá trình trích ly

Paclitaxel và 10 - Deacetyl baccatin III từ cây thông đỏ đỏ Taxus wallichiana Zucc

bằng dung môi siêu tới hạn ứng dụng trong dược phẩm điều chế thuốc trị ung thư” được đề xuất thực hiện với sự hợp tác giữa Trường Đại học Bách Khoa Thành phố

Hồ Chí Minh, Trung tâm nghiên cứu Trồng và chế biến cây thuốc Đà Lạt - công ty

cổ phần Y Dược Phẩm VIMEDIMEX và dự án JICA Nhật Bản

1.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Để đáp ứng yêu cầu của đề tài, đối tượng nghiên cứu của đề tài này bao gồm:

 Vật liệu nghiên cứu: Cây thông đỏ đỏ có tên khoa học Taxus wallichiana Zucc

được trồng ở Đà Lạt

 Thiết bị trích ly siêu tới hạn Thar - SFC

 Quá trình trích ly bằng CO2 siêu tới hạn

 Phương pháp thực nghiệm tìm điều kiện tối ưu

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Dựa vào đối tượng của đề tài, mục tiêu nghiên cứu bao gồm:

 So sánh hiệu quả trích Taxol và 10 – DAB III của các phương pháp khác nhau

 Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố trích ly bằng dung môi siêu tới hạn lên hiệu suất và độ chọn lọc của Taxol và 10 – DAB III

 Tối ưu hóa quá trình trích ly Taxol và 10 – DAB III

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

 Luận văn được thực hiện tại phòng thí nghiệm trọng điểm Công Nghệ Hóa học và Dầu khí, trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh thời gian từ tháng 7 năm 2010 đến tháng 7 năm 2011

 Luận văn được thực hiện với sự phối hợp giữa trường Đại học Bách Khoa và Trung tâm nghiên cứu Trồng và Chế biến cây thuốc Đà Lạt - Công ty Cổ phần Y Dược phẩm VIMEDIMEX

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Dựa vào mục tiêu nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu của đề tài bao gồm:

 Thực nghiệm so sánh hiệu quả trích ly Taxol và 10 – DAB III của các phương pháp khác nhau

 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm xác định ảnh hưởng của các yếu tố và sự tác động giữa chúng lên hiệu quả của trích ly Taxol và 10 – DAB III bằng dung môi siêu tới hạn với sự hỗ trợ của phần mềm DESIGN-EXPERT 7

 Tối ưu quá trình dựa trên phương pháp leo dốc của BOX-WINSON với sự hỗ trợ của phần mềm DESIGN-EXPERT 7

1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC

Nghiên cứu trích ly siêu tới hạn trên đối tượng cây thông đỏ đỏ Taxus

wallichiana Zucc là nghiên cứu đầu tiên được thực hiện ở Việt Nam dựa trên công

nghệ tiên tiến trong chiết xuất các dược chất thiên nhiên

 Nhiều nghiên cứu trồng và nhân giống thông đỏ đỏ đã được thực hiện, tuy nhiên lượng nguyên liệu chưa đáp ứng đầy đủ nhu cầu chữa bệnh ngày càng tăng Vì vậy,

kết quả của thí nghiệm tối ưu có thể được triển khai và ứng dụng trong quy mô lớn góp phần tiết kiệm nguồn tài nguyên có giá trị cao

 Kết quả này là tiền đề để các nghiên cứu tương tự được thực hiện trên các nguyên liệu có giá trị khác ở Việt Nam như quế, gấc, đinh hương, …

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Hình 2.1: Thông đỏ đỏ Taxus wallichiana Zucc trồng ở Đà Lạt

2.1.1.2 Phân bố sinh thái

Chi Taxus L có 6 – 7 loài trên thế giới, phân bố rãi rác ở vùng ôn đới ấm, vùng

cận nhiệt đới và nhiệt đới núi cao bắc bán cầu Trong đó, có 3 loài ở khu vực Trung và

Đông Á, 3 – 4 loài ở phía bắc châu Mỹ và 2 loài ở Việt Nam là T chinensis (Pilger) Rehder thường gọi là “thông đỏ đỏ lá ngắn” và T wallichiana Zucc gọi là “thông đỏ

đỏ lá dài”

Thông đỏ đỏ lá ngắn: Phân bố ở Trung Quốc, Ấn Độ, Malaysia và Việt Nam Ở Việt Nam, cây phân bố rãi rác ở một số vùng núi thuộc các tỉnh Lào Cai (Hoàng Liên Sơn); Hà Tây (Ba Vì); Nghệ An (Quỳ Châu); Hòa Bình (Mai Châu); độ cao: 900 –

1600 m

Thông đỏ đỏ lá dài: Phân bố ở Nê pan (vùng núi Himalaya), phía bắc Mianma, Đông – Nam Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia, Philippin và Việt Nam Ở Việt Nam, loài này cũng chỉ thấy ở một số vùng núi cao thuộc các tỉnh Lào Cai (Hoàng Liên Sơn); Khánh Hòa; Lâm Đồng (Đà Lạt, Đơn Dương); Hà Giang (Thái An – Quảng Bạ); độ cao phân bố từ 1400 đến 1600 m hoặc hơn

Bộ phận dùng: cành và lá

2.1.2 Thành phần hóa học

Trong lá một số thông đỏ đỏ chứa các tiền chất của Taxan

- Taxa 4 (20) 11 dien - 5 - 9 - 10 - 13 tetraol tetraacetat (I)

- Taxa 4 (20) 11 dien - 5 - 9 - 10 - 13 tetraol 9 , 10 diacetat (II)

- Taxa 4 (20) 11 dien - 2 - 5 - 9 - 10 - 13 pentaol penta acetat (III)

- Taxa 4 (20) 11 dien - 5 - 7 - 9 - 10 - 13 pentaol penta acetat (IV)

- Taxa 4 (20) 11 dien - 2 - 5 - 7 - 9 - 10 - 13 hexaol hexa acetate (V)

- Taxa 4 (20) - 2 - 5 - 7 - 10 tatraol - 5 - 7 - 10 triacetat - 2

- methyl butyrate (VI)

- Taxa 4 (20) 11 dien - 2 - 5 - 7 - 9 - 10 pentaol - 7 - 9 - 10

triacetat 2 methyl butyrate triacetat - 2 - methyl butyrate (VII)

- Taxin

- 14 hydroxyl – 10 deacetyl baccatin III

- Hai tiền chất loại oxetan taxan diterpen là: 2 debenzoyl - 14

benzoyloxy-10 deaccetyl baccatin III (a) và benzoyloxy-10, 15 – epoxy – 11 (151) abeo-10 - accetyl baccatin III (b) cũng đƣợc phân lập và xác định cấu trúc

- Taxol (0,045 – 0,13%), 10-deacetyl baccatin III, brevifoliol và các chất:

- 13 deacetyl baccatin IV; 13 acetyl brevifoliol; 7, 13 – diacetyl – 7 – debenzoyl – 10 -  hydroxyl brevifoliol; 7 – acetyl – 10 – deacetyl – 7 – debenzoyl brevifoliol; 2 acetoxy brevifoliol; 1 hydroxyl baccatin I đều đƣợc phân lập từ lá

- Chất taxoid walifoliol, một chất nhựa lignan (-) 3 demethyl secoisolariciresinol, hợp chất phenolic glucosid; Taxusid cũng đã đƣợc xác định cấu trúc

- Các hợp chất flavonoid và biflavonoid nhƣ sciadopitisin, sotetsuflavon

- Các hydroxyl apocarotenoid đã đƣợc phân lập và xác định là deglycosylicarisid B4 và 12 dehydrodeglycosylicarisid B4

- Lá thông đỏ đỏ còn có betulosid sciadopitycin, ginkgetin và sequoiaflavon; 4 – coumaroyl – myo – inositol, các acid shikimic, quinic,  sitosterol vomifoliol và dehydrovomifoliol

Quả thông đỏ đỏ chứa rhodoxanthin, eschscholz xanthon

Vỏ rễ chứa một chất methoxy triterpen là baccatin (nhiệt độ nóng chảy 2190

C) và một hợp chất D có nhiệt độ nóng chảy 1610

2.1.3 Taxol và 10-DAB III

2.1.3.1 Công thức hóa học

Vào những năm 60 của thế kỷ 20, Viện Ung thư Quốc gia Hoa Kỳ (NCI) đã phát

hiện ra Taxol từ loài thông đỏ Thái Bình Dương (Taxus Brevifolia) Taxol là loại thuốc

mới trong điều trị ung thư, kể từ khi được biết đến, Taxol được quan tâm ngày càng nhiều trong nghiên cứu phục vụ y học

Năm 1971, Wani cùng cộng sự đã phân lập và xác định được cấu trúc hóa học của Taxol Theo đó, Taxol là một diterpenoid có công thức phân tử là C47H51NO14, khối lượng phân tử là 853 g/mol, có dạng tinh thể bột màu trắng, tan rất ít trong nước và có công thức cấu tạo như hình 2.2

Hình 2.2: Cấu trúc phân tử Paclitaxel (Taxol)

Tuy nhiên, nguồn cung cấp Taxol chủ yếu từ thiên nhiên nên rất hạn chế Theo tính toán, để thu được 20 – 25 kg Taxol thì cần đến 50.000 – 62.500 cây thông đỏ Việc trồng cây, trích ly Taxol và các tiền chất của nó như 10 - deacetyl baccatin III (hình 2.3) có thể giải quyết sự thiếu hụt này

Hình 2.3: Cấu trúc phân tử 10 – Deacetyl baccatin III (10 – DAB III)

2.1.3.2 Tổng hợp và bán tổng hợp Taxol

Hàm lượng Taxol trong cây thông đỏ tương đối thấp và cao nhất ở vỏ cây (6 - 7

tấn vỏ cây Taxus Brevfolia thu được 1 kilogam Taxol tương đương 2000-3000 cây)

Tuy nhiên, việc lấy vỏ có thể làm cây chết, hơn nữa thời gian trưởng thành của cây rất dài Chính các vấn đề liên quan đến môi trường khi thu hoạch cộng với nhu cầu ngày càng tăng, đòi hỏi những nỗ lực trong việc phát triển nguồn cung Taxol

Có nhiều phương pháp tổng hợp Taxol đã được phát triển trong những năm gần đây Như tổng hợp Taxol bằng phương pháp nuôi cấy mô, tế bào (Christen, 1989; Hu, 2003), tổng hợp hóa học (Diels-Alder; Holton, 1994; Nicolaou, 1994; Morihira, 1998), phương pháp sử dụng nấm men (Stierle, 1993)… Tuy nhiên, do hiệu suất thấp, chi phí cho các quá trình này khá cao nên chưa có phương pháp tổng hợp nào mang lại hiệu quả kinh tế Nguồn cung cấp Taxol chính hiện nay chủ yếu bằng con đường bán tổng hợp từ 10-DAB III, một tiền chất quan trọng của Taxol hiện diện với hàm lượng khá cao trong lá của các loài thông đỏ (0,1 % khối lượng khô trong lá của loài thông đỏ

châu Âu (Taxus baccata) và loài thông đỏ Hymalayan (Taxus yunnanensis))

Từ phân tử 10-DAB III, gắn nhánh N-benzoyl-3-phenylisoserine vào nhóm hydroxyl ở vị trí C-13 và nhóm acetyl vào vị trí 10β-hydroxyl sẽ tạo thành một phân tử Taxol

Hình 2.4: Cấu trúc hóa học của nhóm N-benzoyl-3-phenylisoserine

Hình 2.5: Bán tổng hợp Taxol từ 10-DAB III

Ngoài ra, từ 10-DAB III có thể bán tổng hợp Taxotere bằng cách gắn nhóm

N-t-butoxylcarbonyl-3-phenylisoserine vào vị trí 13-α

Hình 2.6: Cấu trúc phân tử Taxotere

Xu hướng sử dụng sản phẩm sạch, không còn tạp chất đặc biệt là trong sản xuất dược phẩm ngày càng tăng Vì vậy, việc lựa chọn một phương pháp trích ly phù hợp,

với hiệu suất cao bằng dung môi không độc hại là một yêu cầu cấp thiết Và phương pháp trích ly bằng dung môi siêu tới hạn đáp ứng được các yêu cầu trên

2.2 TRÍCH LY SIÊU TỚI HẠN

Trích ly siêu tới hạn là quá trình tách một chất hay một thành phần từ một nguyên liệu trong đó, dung môi được sử dụng ở một trạng thái đặc biệt gọi là trạng thái siêu tới hạn

2.2.1 Lý thuyết siêu tới hạn

2.2.1.1 Trạng thái siêu tới hạn

Dung môi được sử dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp hóa học, dược phẩm, thực phẩm…Trong xu hướng tìm kiếm các dung môi thân thiện với môi trường, dung môi siêu tới hạn ngày càng được quan tâm nhiều hơn Chất lỏng hay dung môi siêu tới hạn được ứng dụng rộng rãi trong các quá trình trích ly, phản ứng hóa học, làm sạch và nhiều ứng dụng khác nhờ những tính chất đặc biệt của nó

Các trạng thái vật lý khác nhau của một cấu tử tinh khiết được mô tả trong giản

đồ không gian ba chiều áp suất – thể tích – nhiệt độ (PVT) như hình 2.7 Các trạng thái rắn, lỏng, khí tương ứng với các giá trị đặc biệt của nhiệt độ và áp suất Theo quy tắc pha, hai pha (rắn – lỏng, rắn – hơi, lỏng – hơi) của một chất tinh khiết chỉ có một độ tự

do Vì vậy, áp suất cân bằng trong mỗi trường hợp là một hàm của nhiệt độ Hình chiếu

PT của các đường cân bằng rắn – lỏng, rắn – hơi, lỏng – hơi được mô tả bên trái của hình 2.7

Hình 2.7: Giản đồ PVT của một cấu tử tinh khiết và hình chiếu lên mặt phẳng PT Đường cân bằng lỏng – hơi bắt đầu từ điểm ba (TP) và kết thúc tại điểm tới hạn (CP) Bản chất của điểm tới hạn có thể được hiểu theo những thay đổi tính chất của chất lỏng dọc theo đường cong áp suất hơi Khi tăng nhiệt độ, khối lượng riêng pha lỏng giảm, khối lượng riêng pha hơi tăng do áp suất hơi tăng Cuối cùng, chúng hội tụ tại điểm tới hạn và khi trên nhiệt độ tới hạn thì không còn phân biệt giữa pha lỏng và pha hơi Khi cả nhiệt độ và áp suất trên giá trị tới hạn, đó gọi là vùng siêu tới hạn

2.2.1.2 Đặc điểm của dung môi siêu tới hạn

Đặc điểm tới hạn của một số dung môi được trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Đặc điểm của một số chất ở trạng thái tới hạn Chất lỏng Nhiệt độ tới hạn

Chất lỏng siêu tới hạn có đặc tính trung gian giữa hai trạng thái khí và lỏng của

nó Bảng 2.2 cho thấy tính chất vật lý của chất ở các trạng thái khác nhau

Bảng 2.2: Tính chất vật lý của chất ở trạng thái khí, lỏng và siêu tới hạn

2.2.1.3 CO 2 siêu tới hạn

Trong tất các chất khí và lỏng đƣợc nghiên cứu, CO2 đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất trong trích ly siêu tới hạn bởi giá trị tới hạn thấp (Tc = 304,15K; Pc = 73,83 bar), không độc hại, không bắt lửa, dễ tìm và giá thành thấp CO2 siêu tới hạn còn thích hợp trích ly các thành phần không phân cực nhƣ hydrocacbon, trong khi moment lƣỡng cực của nó

có thể hòa tan một số thành phần phân cực trung bình nhƣ rƣợu, ester, aldehyde và

ketone Một số đặc điểm của CO2 đƣợc liệt kê trong bảng 2.3, 2.4 và giản đồ pha của

CO2 ở hình 2.8

Bảng 2.3: Một số đặc điểm của CO2

Công thức hóa học CO2 (cấu trúc phân tử: O=C=O)

Thể tích ở điều kiện chuẩn Vmn = 22,263 m3/kmol

Nhiệt độ thăng hoa Ts = 194,25 K; Ps = 0,981 bar

Hình 2.8: Giản đồ pha của CO2 Bảng 2.4: Khối lƣợng riêng CO2 ở các giá trị nhiệt độ và áp suất khác nhau (kg/m3)

2.3.1 Trích ly bằng dung môi siêu tới hạn

2.3.1.1 Mô tả quá trình

Một quá trình trích ly bằng chất lỏng siêu tới hạn bao gồm giai đoạn: hòa tan thành phần chất trích vào dung môi siêu tới hạn và tách dung môi ra khỏi chất trích Quá trình này có thể áp dụng cho một chất rắn, lỏng, hay nguyên liệu có độ nhớt

Thứ nhất, giai đoạn phân tách nguyên liệu Ví dụ nhƣ loại cồn trong các thức uống có cồn, loại mùi, hay quá trình tách caffeine ra khỏi cà phê

Tiếp theo là giai đoạn tách dung môi ra khỏi chất trích Các thành phần đƣợc trích

ra từ nguyên liệu tạo thành sản phẩm cuối cùng – ví dụ nhƣ tinh dầu hay chất chống oxy hóa

Sự phân tách các thành phần chất trích từ chất lỏng siêu tới hạn có thể đƣợc thực hiện bằng cách hiệu chỉnh đặc điểm nhiệt động lực học của dung môi siêu tới hạn hoặc bằng tác nhân bên trong nhƣ hình 2.9

Hình 2.9: Sơ đồ tách chất bằng cách điều chỉnh đặc điểm nhiệt động lực học (nhóm I)

và dùng tác nhân tách ly (nhóm II) Trong trường hợp đầu, hỗn hợp sau khi trích ly được điều khiển bằng cách hiệu chỉnh nhiệt độ và áp suất hoạt động Trường hợp tiếp theo, quá trình phân tách được thực hiện bằng chất hấp phụ hoặc hấp thụ Phương pháp giảm áp suất hoạt động được

sử dụng phổ biến hơn bằng cách cho giãn nở đẳng enthalpy Nếu quá trình phân tách xảy ra bằng cách điều chỉnh nhiệt độ, có hai trường hợp có thể xảy ra, phụ thuộc vào

độ tan của thành phần trích ly Nếu độ tan tỷ lệ với nhiệt độ ở một áp suất không đổi thì việc giảm nhiệt độ sẽ làm giảm độ tan và quá trình tách chất tan xảy ra trong dung môi siêu tới hạn Ngược lại, nếu chất tan tỷ lệ nghịch với nhiệt độ ở áp suất không đổi, thì

tăng nhiệt độ cũng sẽ tách chất tan ra khỏi dung môi siêu tới hạn Nếu việc phân tách thực hiện bằng một tác nhân hỗ trợ, chất hấp phụ chẳng hạn, thì sự thay đổi áp suất không ảnh hưởng Phương pháp này có chi phí thấp tuy nhiên việc lấy chất trích ra khỏi chất hấp phụ không dễ và gây tổn thất chất trích Để khắc phục hiện tượng này, người ta thường thay chất hấp phụ bằng một chất hấp thụ Chất trích hòa tan trong dung môi siêu tới hạn sẽ được hấp thụ vào một chất lỏng Quá trình phân tách chất tan bằng hấp phụ hay hấp thụ được ứng dụng tách caffeine từ cà phê

Một trong những thuận lợi của chất lỏng siêu tới hạn là khả năng điều chỉnh độ chọn lọc bằng cách thay đổi áp suất và nhiệt độ (thay đổi khối lượng riêng) Do đó, chất lỏng siêu tới hạn thường được dùng trích ly có chọn lọc hay phân tách một thành phần cụ thể từ một hỗn hợp

Trong trường hợp quá trình trích ly được thực hiện qua hai giai đoạn thì trong giai đoạn đầu khối lượng riêng dung môi tương đối thấp, cho phép trích ly các thành phần tan có khả năng hòa tan ở áp suất thấp Sau đó, phần còn lại được trích ở áp suất cao hơn để thu hồi các thành phần có khối lượng phân tử nặng hơn (tách cồn từ rượu táo) Ngoài ra, trích phân đoạn trong đó giai đoạn đầu lấy các thành phần không phân cực bằng dung môi siêu tới hạn sau đó phần còn lại được trích bằng cách cho thêm dung môi hỗ trợ (trích ly các hoạt chất từ hạt nho)

Nếu trích ly chọn lọc hoặc phân tách một thành phần cụ thể từ một hỗn hợp thì quá trình được thực hiện bằng cách giảm áp suất liên tục Trong trường hợp này, các thành phần có khối lượng phân tử nặng và nhẹ được trích ly cùng lúc bằng dung môi có khối lượng riêng cao Sau đó, dung môi và chất trích được cho qua nhiều giai đoạn giảm áp để tách các thành phần này Trong giai đoạn đầu giảm áp suất, thành phần có khối lượng phân tử cao được thu hồi; các chất dễ bay hơi và các chất có khối lượng phân tử thấp được thu hồi ở giai đoạn sau Phương pháp này được dùng rộng rãi, tuy nhiên trong một số trường hợp cụ thể, người ta cũng có thể sử dụng ba giai đoạn

2.3.1.2 Trích ly nguyên liệu lỏng

Khi nguyên liệu ở trạng thái lỏng, quá trình trích ly được thực hiện trong một cột trong đó nguyên liệu được nhập liệu vào điểm giữa hoặc trên đỉnh cột, và dung môi có khối lượng riêng nhỏ hơn đi vào ở phía đáy cột Quá trình được thực hiện liên tục nên tốn ít chi phí hơn so với trích ly chất rắn Sơ đồ tổng quát quá trình trích ly nguyên liệu lỏng bằng chất lỏng siêu tới hạn được trình bày trong hình 2.10, quá trình phân tách cũng như tái sinh dung môi tương tự như quá trình trích ly chất rắn và được trình bày trong phần sau Chất trích và dung môi đi ra phía đỉnh cột, trong khi các thành phần còn lại được thu hồi ở đáy cột Cột được gia nhiệt bằng điện hoặc nước nóng và quá trình trích ly có thể diễn ra ở nhiệt độ không đổi hoặc được điều khiển bằng gradient nhiệt độ

Hình 2.10: Sơ đồ trích ly nguyên liệu lỏng bằng chất lỏng siêu tới hạn

2.3.1.3 Trích ly nguyên liệu rắn

Hầu hết sự phát triển và các ứng dụng của chất lỏng siêu tới hạn đều được thực hiện trên nguyên liệu rắn Sơ đồ 2.11 biểu diễn dòng chảy của dung môi siêu tới hạn trong trích ly chất rắn

Hình 2.11: Sơ đồ trích ly nguyên liệu rắn Dung môi được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ ngưng tụ trước khi đến bơm để đảm bảo dung môi ở trạng thái lỏng Sau khi được nén, dung môi được gia nhiệt lên đến nhiệt độ tới hạn và nhiệt độ trích ly trước khi đi vào bình trích Bình trích ly chứa nguyên liệu được gia nhiệt bằng điện hoặc hơi nước đến nhiệt độ trích ly Dòng dung môi siêu tới hạn đi qua bình trích ly và các thành phần hòa tan được trích ra khỏi nguyên liệu Dung môi và chất trích ra khỏi bình trích ly ở phía trên qua một van giảm

áp suất Khi áp suất giảm thì khả năng hòa tan của dung môi cũng giảm vì thế chất trích được tách ra khỏi dung môi Để bảo đảm phân tách hoàn toàn, dung môi siêu tới hạn được nâng lên đến nhiệt độ bão hòa để đạt trạng thái khí Sau đó, chất trích được lấy ra ở bộ phận phân tách trong khi dung môi ở trạng thái khí ra khỏi bộ phận này ở phía trên và sau đó được thu hồi để sử dụng lại Quy trình trích ly một nguyên liệu trong bình trích gồm các bước sau:

 Giảm áp suất bình trích

 Mở bình

 Lấy hết nguyên liệu đã trích ra khỏi bình

 Cho nguyên liệu mới vào bình

 Đóng kín bình

 Tăng áp suất đến áp suất trích

Việc nhập liệu và thải bã sau khi trích ly một cách liên tục ở áp suất cao là điều khó thực hiện Về mặt kinh tế, ở quy mô công nghiệp, việc sử dụng duy nhất một bình trích ly sẽ không có hiệu quả cao Vì vậy, một hệ thống nhiều bình trích ly hoạt động xen kẽ sẽ có lợi hơn như trong hình 2.12

Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống trích ly nguyên liệu rắn gồm nhiều bình trích

Theo hình 2.12, khi một bình trích ly đã được nhập liệu, bình này sẽ được tách ra khỏi dãy các bình còn lại bằng cách điều khiển các van và được trích ly trước Sau khi trích ly, bình sẽ được giảm áp suất, nhập liệu, chờ đến lượt được trích Tiếp theo là bình thứ hai sau khi đã được nhập liệu cũng được tách ra khỏi dãy các bình còn lại và được trích ly

2.3.2 Ưu nhược điểm và các yếu tố ảnh hưởng

2.3.2.1 Ưu điểm

Trích ly bằng chất lỏng siêu tới hạn có một số ưu điểm như sau:

 Nâng cao hiệu suất trích và độ chọn lọc

Một trong những điểm thuận lợi của chất lỏng siêu tới hạn là khả năng xuyên qua

và khả năng solvate hóa mạnh Ngoài ra, bằng cách thay đổi nhiệt độ và áp suất có thể điểu chỉnh độ chọn lọc của dung môi Khi so sánh với kỹ thuật trích ly thông đỏ thường, trích ly bằng chất lỏng siêu tới hạn có độ chọn lọc cao hơn, giảm được các bước xử lý sau khi trích Quá trình trích ly nhiều giai đoạn làm tăng nồng độ của chất

cần trích Ví dụ, khi trích hoạt chất chống oxy hóa Hierochlo odorata qua hai giai đoạn

– giai đoạn 1 trích với 30 lít CO2 tinh khiết, giai đoạn 2 trích với 60 lít; ở điều kiện áp suất, nhiệt độ, tỷ lệ dung môi hỗ trợ lần lượt là 35 MPa, 313 K, 20% Hỗn hợp thu được là 22,5% chất chống oxy hóa so với 8,8% khi trích một giai đoạn Trong khi đó, phương pháp trích ly bằng dung môi thông đỏ thường có thời gian từ vài giờ đến vài ngày Bên cạnh đó, thời gian trích ly bằng chất lỏng siêu tới hạn khoảng 30 phút, phụ thuộc vào lượng nguyên liệu Ví dụ, trích ly hoa cúc bằng chất lỏng siêu tới hạn trong

30 phút cho hiệu suất gấp 4,4 lần so với phương pháp trích ly bằng phương pháp chưng cất hơi nước trong 4 giờ

 Bảo vệ môi trường

Chất lỏng siêu tới hạn dễ dàng tách ra khỏi dịch trích ly khi hạ áp suất Trong trường hợp có sử dụng dung môi hữu cơ để hỗ trợ quá trình trích đạt hiệu quả tốt hơn thì lượng dung môi hữu cơ cần khoảng 20 – 40 ml, ít hơn nhiều so với kỹ thuật trích ly bằng phương pháp Soxhlet (50 – 200 ml)

 Bảo vệ đặc tính sinh học của chất trích

Với điều kiện trích ly (nhiệt độ, áp suất) tương đối thấp, trích ly bằng CO2 siêu tới hạn thích hợp khi trích các thành phần dễ bay hơi cũng như các hợp chất không bền nhiệt Hơn nữa, hệ thống trích ly hoàn toàn kín nên không có oxy và ánh sáng, vì vậy hạn chế đến mức thấp nhất sự phân hủy cũng như bảo vệ đặc tính sinh học và đặc tính chống oxy hóa của chất trích Những yếu tố này có ý nghĩa quan trọng đối với các sản phẩm có nguồn gốc từ thiên nhiên đặc biệt trong công nghiệp mùi và màu vì chúng dễ

bị thủy phân khi chưng cất bằng hơi nước Ví dụ, hoạt chất chống oxy hóa trong chất

trích từ hạt Coriandum sativum bằng chất lỏng siêu tới hạn có thể so sánh với các sản

phẩm thương mại, trong khi hàm lượng hoạt chất này trong cây hương thảo

Rosmarinus officinalis và cây xô thơm S pretensis cũng được trích ly bằng chất lỏng

siêu tới hạn cao hơn 5 – 6 lần Ngoài ra, điều kiện này có thể ngăn chặn được các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình trích do cô lập các tác chất hiện diện trong nguyên

liệu Ví dụ khi trích ly các loại thảo dược thuộc họ Solanaceae bằng chất lỏng siêu tới

hạn thì chất trích ít bị triệt quang hóa (racemigation) hơn là khi trích ly bằng dung môi thông đỏ thường

 Kháng khuẩn do hoạt động ở áp suất cao

Một số báo cáo cho thấy, CO2 bị nén có tính chất diệt khuẩn Ở điều kiện 7 MPa,

303,15 K (dưới điểm tới hạn) trong 10 phút, màng tế bào của Lactobacillus plantarum

bị hư hỏng Ambrosino và cộng sự cũng chứng minh sự kiềm hãm hoạt động vi khuẩn của CO2 siêu tới hạn trong suốt quá trình Áp suất cao làm tăng sự khuếch tán của CO2vào trong tế bào chất của vi khuẩn, giảm pH nội bào làm vô hoạt enzyme, màng tế bào chất thay đổi và cuối cùng tế bào bị tiêu diệt Một nghiên cứu khác cũng cho thấy ở 90

bar và 333 K trong 6 giờ làm vô hoạt hoàn toàn các bào tử Bacillus subtilis, trong khi

cũng cùng điều kiện đó nhưng không có CO2 siêu tới hạn thì không ảnh hưởng

2.3.2.2 Nhược điểm

 Chi phí đầu tư cao

Do thiết bị hoạt động ở áp suất cao nên chi phí cho chế tạo và sửa chữa lớn và điều này quyết định phần lớn chi phí của quá trình trích Tuy nhiên, chi phí năng lượng

sử dụng trong quá trình này thấp hơn so với chưng cất bằng hơi nước và trích ly bằng dung môi thường Theo đánh giá của Rosa và Meireles, chi phí của việc trích ly tinh dầu từ cây đinh hương bằng chất lỏng siêu tới hạn chiếm 9,15 đô la/kg, chỉ bằng một phần tư giá thị trường nên có lợi về mặt kinh tế Trong chi phí đó khi trích ly hoạt chất

từ củ gừng là 99,80 đô la, gần bằng với giá thị trường Vì vậy, việc lựa chọn cẩn thận các hoạt chất có giá trị khi trích ly bằng chất lỏng siêu tới hạn là rất cần thiết Ngoài ra, thông số trích ly và kích thước thiết bị trích cũng phải được nghiên cứu kỹ để đảm bảo chi phí thấp nhất

 Quá trình tối ưu phụ thuộc nhiều yếu tố

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng lên trích ly siêu tới hạn được trình bày trong bảng 2.5, cho nên đối với mỗi loại vật liệu đều có một điều kiện tối ưu riêng Bên cạnh đó, khi trích ly cùng một loại vật liệu ở các điều kiện áp suất, nhiệt độ, tỷ lệ dung môi hỗ trợ, thời gian trích khác nhau sẽ cho kết quả khác nhau trong thành phần dịch trích Seied

Mahdi Pourmotazavi trích ly tinh dầu từ cây Perovskia atriplicifolia cho thấy khi tăng

áp suất từ 100 lên 300 bar ở nhiệt độ 308,15 K thì nồng độ các thành phần chính gồm alpha-pinene,δ-3-carene, 1,8-cineole + limonene và camphor giảm Tương tự, khi tăng nhiệt độ từ 308,15 lên 328,15 K, áp suất 100 bar cũng làm giảm hàm lượng của các thành phần chính trong tinh dầu Cũng theo nghiên cứu này, trong tất cả các loại dung môi hỗ trợ thì hexane có độ chọn lọc cao nhất khi sử dụng cho trích ly tinh dầu của

Perovskia atriplicifolia

Tương tự, một báo cáo nghiên cứu trích ly hai mẫu khô và mẫu ướt từ vỏ cây

Maclura pomifera bằng CO2 siêu tới hạn với các điều kiện trích khác nhau cho kết quả

khác nhau về hàm lượng và loại flavanones và xanthones Sự kết hợp các điều kiện áp suất, nhiệt độ và chất hỗ trợ cũng được nghiên cứu khi trích ly các thành phần chống

oxy hóa từ hạt cây Tamarindus indica L (Tamarind) Kết quả cho thấy, CO2 siêu tới hạn ở 300 MPa, 353,15 K, được hỗ trợ bởi ethanol thì hiệu suất trích ly các thành phần chống oxy hóa cao hơn

 Phụ thuộc vào liên kết giữa chất nền - chất trích Hiệu quả của trích ly bằng chất lỏng siêu tới hạn phụ thuộc nhiều vào liên kết giữa chất nền và chất trích hơn các phương pháp trích ly khác Các chất trích thường được hấp thụ và phân tán bên trong chất nền bằng các liên kết hóa học Tốc độ trích ly

sẽ nhanh ở giai đoạn đầu vì giai đoạn này chất trích chủ yếu ở dạng tự do trên bề mặt chất nền Trong giai đoạn sau, tốc độ sẽ chậm hơn vì liên kết chặt giữa chất trích bên trong vào chất nền Khi liên kết này mạnh, hiệu quả trích ly sẽ thấp

 Khó khăn trong chuyển đổi quy mô Chuyển đổi quy mô trong trích ly bằng chất lỏng siêu tới hạn gặp nhiều khó khăn nếu không quan tâm đến tác động qua lại của chất nền và chất trích; việc lựa chọn dung môi hỗ trợ chính xác cũng rất cần thiết Ngoài ra, phương pháp thu mẫu đóng vai trò quan trọng; nếu bỏ qua sẽ gặp nhiều khó khăn trong việc chuyển một chế độ tối ưu từ thiết bị này sang thiết bị khác

2.3.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng

Hiệu quả của trích ly siêu tới hạn được xác định bởi một số các yếu tố được cho trong bảng 2.5

Bảng 2.5: Các yếu tố ảnh hưởng đến trích ly siêu tới hạnChuẩn bị mẫu Thông đỏ số trích ly Phương pháp thu mẫu

Phương thức trích (trích tĩnh hay trích động) Thời gian trích

Nhiệt độ thu mẫu Kích thước của dụng cụ thu mẫu

Ảnh hưởng của tiền xử lý nguyên liệu, áp suất, nhiệt độ, cách thức trích ly, tốc độ dòng và phương pháp thu mẫu sẽ được thảo luận trong phần này

 Ảnh hưởng của tiền xử lý nguyên liệu Tiền xử lý nguyên liệu như nghiền, sấy, thủy phân bằng acid…có ảnh hưởng rõ rệt lên hiệu suất của quá trình Các quá trình làm nhỏ nguyên liệu nhằm mục đích tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với dung môi và tạo điều kiện cho chất lỏng siêu tới hạn xâm nhập vào tế bào nguyên liệu dễ dàng Mặt khác, kích thước nguyên liệu nhỏ rút ngắn quảng đường chất tan khuếch tán từ trong tế bào ra bề mặt hạt Do đó, lượng dung môi

tiêu thụ giảm đáng kể Một nghiên cứu cho thấy, trích ly Origanum virens bằng CO2

siêu tới hạn sau khi nguyên liệu đã được nghiền kỹ cải thiện hiệu suất và chất lượng tinh dầu, trong một nghiên cứu khác cho thấy lượng CO2 tiêu thụ giảm đáng kể khi