Khảo sát khả năng tạo chỉ cellulose vi sinh từ chủng gluconacetobacter

SỞ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TP. HỒ CHÍ MINH
TRUNG TÂM CƠNG NGHỆ SINH HỌC

BÁO CÁO NGHIỆM THU

KHẢO SÁT KHẢ NĂNG TẠO CHỈ CELLULOSE VI
SINH TỪ CHỦNG Gluconacetobacter spp.
Mã số: VS03/15-16

Chủ nhiệm đề tài:
TS. PHAN MỸ HẠNH
Cán bộ thực hiện:
Phan Mỹ Hạnh
Trần Chí Hiếu
Lê Thị Thùy Nhi

TP. Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2017

1


MỤC LỤC
I. THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI ...................................................................... 7
II. ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................................... 9
II.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI.................................................................................. 9
II.2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................................ 10
II.3. Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI VỀ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN .......................................... 11
III. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................................... 12
3.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước liên quan đến đề tài: ............... 12
3.2. Đặc điểm của cellulose vi sinh: .................................................................. 13
3.3. Các chủng sinh tổng hợp cellulose vi sinh .................................................. 16

3.4. Phân loại sợi quốc tế: .................................................................................. 17
3.5. Quy trình sản xuất visco rayon ................................................................... 18
IV. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................. 21
4.1. Nội dung thực hiện ...................................................................................... 21
4.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 22
4.2.1. Sơ đồ các bước thí nghiệm:......................................................................... 22
4.2.2. Tuyển chọn một số chủng vi khuẩn Gluconacetobacter spp. (1) ................ 23
4.2.3. Khảo sát sơ bộ khả năng sinh tổng hợp cellulose trên HS, GY*, H5 (2) .... 23
4.2.4. Chọn 1 chủng duy nhất làm đối tượng nghiên cứu cho các bước sau (3)... 23
4.2.5. Khảo sát nguồn carbon, nitơ, tác động đơn yếu tố quan trọng ảnh hưởng
đến sinh khối (4)..................................................................................................... 23
4.2.6. Xác định các yếu tố khác có thể ảnh hưởng quan trọng bằng thiết kế
Plackett – Burman (5) ............................................................................................ 24
4.2.7. Tối ưu hóa theo Full Factorial Design (6) .................................................. 24
4.2.8. So sánh kết quả mơ hình lý thuyết và thực tế thu được .............................. 24
4.2.9. Thử nghiệm tạo xơ sợi theo phương pháp Visco (7) .................................. 25
4.2.10.Thí nghiệm khảo sát cơng thức dung dịch bể phun: ................................... 27
4.2.11.Phun tạo xơ sợi và xử lý xơ sợi thu được sau phun .................................... 27
4.2.12.Kiểm tra đặc điểm hình dạng xơ sợi tạo thành ........................................... 28
V. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................................ 28
5.1. Tuyển chọn chủng vi khuẩn Gluconacetobacter spp. từ các nguồn có sẵn
làm đối tượng tạo chỉ cellulose vi sinh: ................................................................. 28
5.2. Tối ưu hóa mơi trường ni cấy tạo cellulose dựa trên lượng sinh khối
cellulose tạo thành. ................................................................................................. 31
5.2.1. Khảo sát nguồn đường, nitơ, tác động đơn yếu tố quan trọng ảnh hưởng
đến sinh khối .......................................................................................................... 31
5.2.2. Sàng lọc các yếu tố quan trong bằng thí nghiệm Plackett – Burman ......... 33
5.2.3. Tối ưu hóa theo Full Factorial Design ........................................................ 36
5.3. Tạo dung dịch visco từ cellulose vi sinh (7) ............................................... 39
5.3.1. Chuẩn bị nguyên liệu cellulose vi sinh cho khâu tạo xơ............................. 39

5.3.2. Nguyên lý xây dựng quy trình tạo dung dịch visco từ cellulose vi sinh..... 39
5.3.3. Xử lý sơ bộ màng cellulose thơ................................................................... 43
5.3.4. Khảo sát quy trình tạo dung dịch visco từ cellulose vi sinh ....................... 45
5.3.5. Khảo sát công thức dung dịch bể phun. ...................................................... 53
5.3.6. Phun tạo xơ sợi (8). ..................................................................................... 55
5.3.7. Xử lý xơ sợi thu được sau phun (9). ........................................................... 55

2


5.3.8. Nghiên cứu các đặc điểm về hình dạng, kích thước của xơ sợi tạo thành .. 55
VI. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................................. 62
VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 65

3


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1 - Thành phần hóa học của một vài loại vật liệu có chứa cellulose [] ................14
Bảng 2 - So sánh giữa cellulose thực vật và cellulose vi sinh .......................................15
Bảng 3 - So sánh cellulose tinh thể với các loại vật liệu khác [] ...................................15
Bảng 4 - Bảng phân loại các loại sợi nhân tạo theo BISFA [32] ..................................17
Bảng 5 - Bảng phân loại các loại sợi thiên nhiên theo BISFA [32] ..............................18
Bảng 6 - Sơ đồ các bước thí nghiệm .............................................................................22
Bảng 7 - Các yếu tố được lựa chọn theo thí nghiệm Placket Burman ..........................24
Bảng 8 – Các yếu tố trong thí nghiệm Plackett – Burman: ...........................................34
Bảng 9 - Ma trận thí nghiệm Plackett Burman với 11 yếu tố........................................34
Bảng 10 – Các yếu tố trong thí nghiệm Full Factorial Design ......................................36
Bảng 11 - Ma trận thí nghiệm Full Factorial Design với 4 yếu tố ................................ 36
Bảng 14 – Bố trí thí nghiệm Placket Burman thời gian lần 1 .......................................48

4


DANH SÁCH HÌNH
Hình 1 - So sánh cellulose vi sinh và cellulose thực vật. ..............................................13
Hình 2 - Cấu trúc cellulose I (Cellulose I) và I (Cellulose II) [] ..............................14
Hình 3 – Quy trình chế tạo sợi visco từ gỗ [] ................................................................ 21
Hình 4 – Dung dịch visco khơng kết dính (A), cellulose chưa phản ứng hết (B) .........26
Hình 5 – Cốc đo độ nhớt BEVS 1108/8 theo tiêu chuẩn DIN 53211 ...........................27
Hình 6 – Spinneret 1 lỗ (A) và 1000 lỗ (B) ...................................................................27
Hình 7 – 03 chủng có khả năng tổng hợp cellulose tốt nhất trên môi trường H5 .........28
Hình 8 – Hiệu suất sinh tổng hợp cellulose trên HS, GY* và H5 .................................29
Hình 9 – Hình dạng tế bào dưới kính hiển vi 1000x (A) và khuẩn lạc BC-B0007 trên
môi trường GY (B) ........................................................................................................29
Hình 10 – Khảo sát ngưỡng pH .....................................................................................31
Hình 11 – Khảo sát nguồn đường ..................................................................................31
Hình 12 – Khảo sát ngưỡng đường sucrose từ 10 đến 190 g/l ......................................32
Hình 13 – Khảo sát ngưỡng đường từ 10 đến 400 g/l ...................................................32
Hình 14 – Khảo sát nguồn nitơ ......................................................................................33
Hình 15 – Khảo sát ngưỡng hỗn hợp pepton và cao nấm men (tỷ lệ 1:1).....................33
Hình 16 – Kết quả thí nghiệm Plackett Burman ...........................................................35
Hình 17 – Kết quả thí nghiệm Full Factorial Design ....................................................37
Hình 18 – Xác định ngưỡng tối ưu theo phương trình lý thuyết ...................................37
Hình 19 – So sánh sinh khối tạo thành trên H10, HS, MT nước dừa............................38
Hình 20 - Bao bì sản phẩm BC NUTRI 02 ...................................................................39
Hình 21 - Màng cellulose vi sinh nuôi cấy trên môi trường BC NUTRI 02 từ chủng G.
nataicola BC-B0007 trước ép (A) và sau ép (B)...........................................................43
Hình 22 – Thí nghiệm tẩy trắng màng cellulose ...........................................................44
Hình 23 – Màng sau ngâm NaOH 3 nồng độ 5, 10, 20% và sau xử lý với CS2 ............46

Hình 24 – Màng cellulose sau nghiền (a), sau ép loại nước (b) ....................................46
Hình 25 – Cellulose kiềm sau đánh tơi ở bước 10 (A), sau phơi ở bước 11 (B)...........47
Hình 26 – Dung dịch visco (A), dung dịch visco trên đĩa thủy tinh sau ép (B), màng
cellulose tái tạo (C) ........................................................................................................47
Hình 27 – Kết quả thí nghiệm thời gian ở các khâu lần 1 .............................................49
Hình 28 – Bảng phân tích số liệu thí nghiệm Placket Burman 5 yếu tố thời gian ở các
bước ...............................................................................................................................50
Hình 29 – Sơ đồ bố trí thí nghiệm Blacket Burman thời gian lần 2 ..............................51
Hình 30 – Kết quả phân tích thí nghiệm Blackett Burman lần 2 ..................................51
Hình 31 - Ảnh hưởng của nồng độ NaOH hòa tan tạo dung dịch visco........................52
Hình 32 – Hệ thống lọc visco. .......................................................................................53
Hình 33 – Hình chụp kính hiển vi điện tử bề mặt màng cellulose theo 5 công thức bể
phun. ..............................................................................................................................55
Hình 34 – Xơ cellulose vi sinh kích thước 60 micron sau xử lý (A), dưới kính hiển vi
điện tử (B). .....................................................................................................................56
Hình 35 – Sợi cellulose dưới kính hiển vi điện tử (A), sau xử lý (B), hình dạng ngồi
(C) và mặt cắt ngang dưới kính hiển vi điện tử quét (D) ..............................................57
Hình 36 – Cấu trúc xơ bị bọt khí dưới kính hiển vi điện tử (A), sợi bị bọt khí dưới kính
hiển vi soi nổi (B), sợi bị bọt khí nhìn ngang (C), hiện tượng bong bóng bên trong cấu
trúc sợi (D) .....................................................................................................................58

5


TÓM TẮT
Đề tài “Khảo sát khả năng tạo chỉ cellulose vi sinh từ chủng Gluconacetobacter
spp.” được thực hiện trong 02 năm (2015 – 2016), tập trung trả lời câu hỏi: “liệu có thể
sử dụng cellulose vi sinh do các chủng thuộc chi Gluconacetobacter spp. (nay là
Komagataeibacter spp.) tổng hợp làm nguyên liệu chế tạo xơ, sợi, chỉ cho ngành dệt
may được hay không”.

Đề tài đã tuyển chọn được chủng Komagataeibacter nataicola BC-B0007 làm
đối tượng tạo cellulose, phát triển môi trường ni cấy BC NUTRI 01, BC NUTRI 02
để có thể sản xuất cellulose vi sinh ở quy mô lớn, không phụ thuộc vào nguồn nước dừa
tự nhiên, cải tiến quy trình kỹ thuật nhân ni sinh khối để từng bước tự động hóa quy
trình này.
Ngồi ra, đề tài đã tạo thành công mẫu xơ sợi từ cellulose vi sinh, bước đầu chứng
minh cellulose vi sinh có khả năng sử dụng làm nguyên liệu chế tạo xơ, sợi trong lĩnh
vực dệt may, đưa ra quy trình tổng quát để sản xuất xơ sợi từ cellulose vi sinh.
Tuy nhiên, do thời gian có hạn, một số khâu trong quy trình tổng qt vẫn chưa
được nghiên cứu kỹ, thiết bị chưa đồng bộ và cần tiếp tục cải tiến.
Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm nghiên cứu nhận được sự hỗ trợ rất lớn về
tinh thần và vật chất của Ban giám đốc Trung tâm Cơng nghệ Sinh học Thành phố Hồ
Chí Minh, sự giúp đỡ của các anh chị em trong Phòng Vi sinh, sự hỗ trợ và tư vấn từ
Phân viện Dệt may Thành phố Hồ Chí Minh, Phân khoa Dệt may – Đại học Bách Khoa
thành phố Hồ Chí Minh và Đại học Y khoa Mátxcơva.
Đề tài đăng ký 01 bằng sáng chế về quy trình sản xuất xơ sợi nhân tạo visco từ
xenluloza vi sinh (đã được chấp nhận về mặt hình thức), 01 kiểu dáng cơng nghiệp, 01
nhãn hiệu, hướng dẫn luận văn tốt nghiệp cho 01 sinh viên chuyên ngành công nghệ
sinh học (em Nguyễn Ngọc Linh Phương – Đại học Tôn Đức Thắng). Trong thời gian
thực hiện đề tài có sự tham gia trong một khoảng thời gian của hai cán bộ phịng Cơng
nghệ Vi sinh là Bùi Văn Tân và Đạo Nữ Diệu Hồng.

6


THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

I.

I.1. Tên đề tài: Khảo sát khả năng tạo chỉ cellulose vi sinh từ chủng Gluconacetobacter

spp. (Mã số: VS03/15-16)
I.2. Cơ quan quản lý: Trung tâm Cơng nghệ Sinh học TP.HCM
I.3. Đơn vị chủ trì: Phịng Cơng nghệ vi sinh
I.4. Cơ quan phối hợp chính: khơng
I.5. Chủ nhiệm đề tài: TS. Phan Mỹ Hạnh
I.6. Cán bộ/Nhóm thực hiện:
Phan Mỹ Hạnh
Trần Chí Hiếu
Lê Thị Thùy Nhi
I.7. Thời gian thực hiện: 24 tháng (Từ tháng 01/2015 đến tháng 01/2017)
I.8. Kinh phí được duyệt: 400.000.000 VNĐ
I.9. Kinh phí đã sử dụng: 400.000.000 VNĐ
I.10. Các nội dung nghiên cứu đã thực hiện được so với đề cương đăng ký

ST
T

1

2

3

Nội dung đăng ký

Nội dung 1:
Tuyển chọn 1
chủng vi khuẩn
Gluconacetobacte
r spp. từ các

nguồn có sẵn làm
đối tượng tạo chỉ
cellulose vi sinh.
Nội dung 2:
Tối ưu hóa mơi
trường ni cấy
tạo cellulose dựa
trên lượng sinh
khối cellulose tạo
thành.
Nội dung 3:
Bước đầu khảo sát
khả năng tạo chỉ
cellulose vi sinh

Thời
gian
(bắt
đầu –
kết
thúc)
03/201
5
06/201
5

Kết quả
dự kiến

1 chủng

Gluconacetobacte
r spp. làm đối
tượng tạo chỉ

Kết quả đạt được

Đán
h giá

Chủng
Gluconacetobacte
r nataicola BCB0007
(Komagataeibacte
r nataicola)

Đạt

Đạt

Đạt

06/201
5
09/201
5

2 Môi trường tối
ưu hóa theo sinh
khối

Tìm được mơi
trường H10, phát
triển sản phẩm BC
NUTRI 01, BC
NUTRI 02

10/201
5
10/201
6

Mẫu xơ, chỉ theo
phương pháp
visco

Quy trình tổng
quát chế tạo xơ sợi
từ cellulose vi
sinh, mẫu xơ, sợi

7


4

Nghiên cứu các
đặc điểm lý hóa
của xơ sợi
cellulose tạo thành

11/201
6
12/201
6

Hình chụp SEM,
Đặc điểm lý hóa
kính hiển vi điện
của các xơ, sợi thu tử xơ sợi, kiểm tra
được
khả năng tạo màng
từ dung dịch visco

Đạt
3/4

I.11. Các sản phẩm đã đạt so với đề cương đăng ký
STT Sản phẩm đăng ký (đề cương)

Sản phẩm của đề tài

Đánh giá

1

Mẫu xơ, sợi từ cellulose vi sinh

Đạt

Mẫu chỉ

Ngồi ra sản phẩm đề tài cịn có:
- 01 bằng sáng chế về quy trình sản xuất xơ sợi nhân tạo visco từ xenluloza vi
sinh (đã được chấp nhận về mặt hình thức)
- 01 kiểu dáng cơng nghiệp (khay BC NUTRI)
- 01 nhãn hiệu (BC NUTRI)
- 01 luận văn thạc sĩ đạt loại khá
- 01 luận văn tốt nghiệp đại học đạt loại giỏi.

8


II.

ĐẶT VẤN ĐỀ
II.1. Tính cấp thiết của đề tài

Cellulose vi khuẩn được S. Hestrin và M. Schramm nhắc đến lần đầu tiên năm
1954 khi phát hiện chủng Acetobacter xylinum (nay được gọi là Komagataeibacter
xylinus hay Gluconacetobacter xylinus) có khả năng sinh tổng hợp lớp màng cellulose
trong mơi trường có glucose và oxy (S. Hestrin và M. Schramm, 1954). Ngoài
Komagataeibacter xylinus cịn có 10 lồi thuộc chi Komagataeibacter spp. có khả năng
tạo màng cellulose thô khi nuôi cấy tĩnh.
Theo Bielecki (2005), cellulose vi sinh có những tính chất vơ cùng độc đáo như
có độ tinh khiết rất cao, độ tinh thể hóa cao, mật độ đạt 300-900 kg/m3, độ bền kéo đứt
lớn, khả năng hấp thụ, khả năng giữ nước cao, đồng thời có độ co giãn, đàn hồi và độ
dẻo tốt. Ngồi ra, cellulose vi sinh hồn tồn khơng độc hại, là một polymer phân hủy
sinh học, trơ đối với các q trình trao đổi chất của con người.
Chính vì thế, hiện nay trên thế giới, một loạt ứng dụng của cellulose vi sinh đã
và đang được nghiên cứu, một số sản phẩm đã được bán thương mại trên thị trường như

Nata de Coco (Thạch dừa), sản phẩm của công ty Xylos Corp. (Mỹ) - Prima CelTM, sản
phẩm BiofillTM và BioprocessTM của công ty Fzmb GmbH Đức (P.R. Chawla và cs,
2009), BASYC® (Bacterial Synthesised Cellulose) của Friedrich Schiller University
Jena (Đức), Cellulon® của Weyerhaeuser Co. (Tacoma, Washington, Mỹ) và Cetus Co.
(Emeryville, California, Mỹ) v.v.
Tuy có nhiều ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau nhưng cellulose vi sinh vẫn
chưa được nghiên cứu nhiều trong lĩnh vực dệt may, đặc biệt trong khâu tạo xơ sợi. Các
hướng nghiên cứu chủ yếu tập trung sử dụng NMNO để hòa tan cellulose vi sinh tạo sợi
Lyocell, ví dụ như nghiên cứu sử dụng NMNO để hòa tan cellulose vi sinh tạo sợi (Patent
WO 2010031154); sử dụng NMNO hòa tan cellulose vi sinh cùng chitosan, sau đó phun
hỗn hợp thu được bằng phương pháp phun ướt (Lu, X., Tang và cs, 2013) vv. Cho đến
nay vẫn chưa có sản phẩm thương mại nào từ các nghiên cứu này.
Ngoài Lyocell, một trong những loại xơ sợi nhân tạo phổ biến nhất hiện nay là
Rayon. Rayon được tạo ra từ vật liệu có nguồn gốc cellulose thực vật (như bột gỗ, vải
vụn vv), qua quá trình xử lý hóa học thành dung dịch đồng nhất có thể phun qua lỗ nhỏ
để tạo tơ, tơ này tiếp tục được xử lý hóa học để tạo thành xơ sợi nhân tạo. Xơ sợi rayon
cho cảm nhận và kết cấu của lụa tơ tằm, len, cotton và vải lanh. Loại vải Rayon này rất
dễ nhuộm màu, mềm, trơn, lạnh, thoải mái và có khả năng thấm nước cao nhưng khơng
cách nhiệt do vậy rất phù hợp để làm vật liệu may mặc tại các vùng có khí hậu nóng ẩm.
Cho đến nay, các sản phẩm từ xơ sợi Rayon đã có mặt khắp nơi trên thế giới.
Trong các công nghệ tạo xơ sợi rayon thì cơng nghệ visco là lâu đời nhất và đây
cũng là công nghệ nền thúc đẩy ngành công nghiệp dệt may phát triển một loạt các sản
phẩm xơ sợi dệt nhân tạo từ cellulose thực vật. Quy trình sản xuất màng cellulose từ
visco được ba nhà bác học là Charles Frederick Cross, Edward John Bevan và Clayton
Beadle khám phá ra từ những năm 1898, tuy nhiên, mãi đến năm 1913 các sản phẩm
thương mại từ xơ sợi cellulose mới được sản xuất tại nhà máy the 'La Cellophane SA
factory, Bezons, Pháp khi tiến sĩ Jacques Brandenberger phát triển phim cellulose mỏng
trong suốt (Vijay Kumar Thakur, 2015).
Nguyên liệu dùng chế tạo xơ sợi Rayon theo quy trình visco là cellulose thực vật,
chủ yếu dùng bột gỗ và gần đây có thêm bột tre. Loại gỗ dùng trong chế tạo xơ sợi nhân

9


tạo từ cellulose tái sinh là những cây gỗ có tuổi đời từ 5 - 75 năm, ví dụ: vân sam, thông
(gỗ mềm); bạch dương, cây phong (gỗ cứng). Để loại lignin và hemicellulose thường sử
dụng phương pháp sulphite hóa, dùng chủ yếu HSO3- và SO2. Theo đó, gỗ sau khi đưa
về nhà máy được bóc vỏ, bào nhỏ, nấu, rửa, làm trắng, hoàn thiện (V. B. Gupta và V.
K. Kothari, 1997).
Cơng nghệ tạo dung dịch visco có thể tóm gọn theo các bước phản ứng (V.B.
Gupta và V.K. Kothari, 1997): chuyển cellulose thực vật thành cellulose kiềm bằng
NaOH, sunfua hóa nhờ thêm CS2 để tạo thành cellulose xanthate, sau đó hịa tan
cellulose xanthate trong NaOH để tạo dung dịch visco. Dung dịch visco được phun vào
bể có chứa H2SO4, đẩy CS2 ra khỏi cấu trúc phân tử đồng thời nối các mạch cellulose lại
với nhau nhờ đó mà tạo ra loại xơ sợi mới.
Việc sử dụng các cây lâu năm có tuổi đời từ 5 – 75 năm gây lãng phí nguồn tài
ngun rừng, cơng nghiệp chế tạo bột giấy cũng là một trong những nguyên nhân dẫn
đến tình trạng chặt phá rừng, ngồi ra trong q trình khử lignin và tẩy trắng gỗ sử dụng
một lượng lớn hóa chất, các chất này ít được thu hồi, thải ra nguồn nước và khơng khí,
cũng là tác nhân gây ơ nhiễm mơi trường. Do vậy, cần có một loại ngun vật liệu thay
thế, có đặc tính vật lý phù hợp để làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp chế tạo xơ
sợi Rayon, thân thiện với mơi trường, có khả năng tái sinh và có thể sản xuất ở quy mơ
cơng nghiệp.
Về đặc điểm, cấu trúc cellulose vi sinh rất giống với cấu trúc cellulose thực vật,
tuy nhiên chúng khác biệt ở số lượng đơn phân D-glucose trong một chuỗi dẫn đến khác
biệt về mức độ polymer hóa. Ví dụ, cellulose trong sợi bơng có mức độ polymer hóa
trên thành tế bào bậc một khoảng 2000 - 6000, bậc hai – 13000 – 14000 đơn phân;
cellulose trong gỗ – 8000 – 10000 đơn phân trong khi cellulose từ vi khuẩn K. xylinus –
2000 – 6000 đơn phân (Bielecki S. 2005). Khả năng ngậm nước của cellulose vi sinh
cao từ 96-98,2%. Cellulose vi sinh có chứa đến gần 60% là I trong khi ở thực vật chỉ

tầm 30% (Sugiyama J., 1999). Trong thành phần màng thơ sau ni cấy có 96-97% là
nước, cịn lại là cellulose tinh khiết, khơng chứa lignin hay hemicellulose. Như vậy,
cellulose vi sinh có tiềm năng thay thế cellulose thực vật làm nguyên liệu chế tạo xơ sợi
Rayon theo nhiều phương pháp khác nhau, trong đó có cơng nghệ visco. Sử dụng
cellulose vi sinh sẽ tránh được khâu xử lý ban đầu gây ơ nhiễm, ngồi ra có thể đơn giản
hóa quy trình tạo dung dịch visco.
Hiện chưa có nghiên cứu chuyên sâu nào sử dụng cellulose vi sinh tạo xơ sợi theo
công nghệ visco mặc dù công nghệ này có tuổi đời từ rất lâu và đang được áp dụng rộng
rãi trong lĩnh vực dệt may, tại Việt Nam cũng chưa có nghiên cứu chuyên sâu nào về
vấn đề này. Về mặt bản chất, các bước trong quy trình visco khơng thay đổi nhưng
cellulose vi sinh khác với cellulose thực vật do vậy cần quy trình riêng tương ứng để có
thể áp dụng ở quy mơ cơng nghiệp.
II.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Chính vì thế, mục tiêu tổng quát của của đề tài là bước đầu khảo sát khả năng tạo
tạo mẫu chỉ cellulose từ Gluconacetobacter spp. ở quy mơ phịng thí nghiệm theo
phương pháp visco.
Mục tiêu cụ thể:
-

Tuyển chọn 1 chủng vi khuẩn Gluconacetobacter spp. có khả năng tạo
cellulose vi sinh hiệu quả.

10


-

Chọn được môi trường nuôi cấy tối ưu tạo nhiều cellulose vi sinh từ chủng
tuyển chọn.

-

Bước đầu tạo xơ sợi cellulose vi sinh bằng phương pháp visco

-

Khảo sát một số đặc điểm hình thái, lý hóa của xơ, chỉ cellulose vi sinh tạo
thành.
II.3. Ý nghĩa và tính mới về khoa học và thực tiễn

Cellulose vi sinh là loại vật liệu thân thiện với mơi trường, có thể sản xuất hàng
loạt ở quy mô lớn, giá thành rẻ, không phụ thuộc vào tự nhiên. Nguồn cellullose thực
vật để sản xuất xơ sợi Rayon chủ yếu là các cây lâu năm, do vậy, sử dụng cellulose vi
sinh để thay thế cellulose thực vật sẽ thay đổi bản chất của quy trình tạo xơ sợi nhân tạo
visco, hạn chế bớt phần nào tình trạng chặt phá rừng, bảo vệ bầu khí quyển xanh của
trái đất.
Ngoài ra, việc sử dụng cellulose vi sinh giúp loại bỏ hồn tồn các cơng đoạn xử
lý khi sử dụng cellulose thực vật như các khâu xử lý lignin và hemicellulose bằng
phương pháp sulphit hóa và sulfat hóa. Đây là những khâu gây ơ nhiễm do trong q
trình khử lignin và tẩy trắng gỗ sử dụng một lượng lớn hóa chất, các chất này ít được
thu hồi, thải ra nguồn nước và khơng khí, là tác nhân gây ơ nhiễm môi trường.
Hơn nữa, sử dụng cellulose vi sinh làm thay đổi cơ bản quy trình tạo xơ sợi nhân
tạo visco vốn được áp dụng cho cellulose thực vật, giúp cắt giảm nhiều khâu trong quy
trình đồng thời rút ngắn thời gian và đơn giản hóa thiết bị, cơng nghệ. Theo đó, tồn bộ
quy trình chế tạo dung dịch visco từ cellulose thực vật kéo dài từ 1-2 tuần có thể rút
ngắn chỉ còn 1-3 ngày, các bước tiến hành ở điều kiện nhiệt độ phịng, khơng u cầu
thiết bị, máy móc phức tạp, khơng tạo ra các phụ phế phẩm như lignin, vỏ cây v.v..
Khái niệm “chỉ sinh học từ cellulose vi sinh” hay “chỉ cellulose vi sinh” là khái
niệm mới tại Việt Nam và thậm chí trên thế giới. Đây là nghiên cứu tạo tiền đề cho lĩnh
vực này tại Việt Nam.

Nếu thành công, tạo được mẫu chỉ trong phịng thí nghiệm có thể tiến tới tạo các
sản phẩm thương mại khác như chỉ, dây thừng, vải, màng sinh học, vải địa kỹ thuật, vải
không dệt vv, biến cellulose vi sinh trở thành nguồn vật liệu mới cho ngành dệt may.
Đồng thời, nếu thành công, Việt Nam sẽ nắm công nghệ nguồn trong lĩnh vực này.

11


III.

TỔNG QUAN TÀI LIỆU
3.1.

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước liên quan đến đề tài:

Ứng dụng cellulose vi sinh trong lĩnh vực may mặc hiện vẫn chưa được nghiên
cứu tại Việt Nam. Việt Nam là nước xuất khẩu hàng dệt may thuộc loại lớn trên thế giới,
kim ngạch ước đạt hơn 27,1 tỉ đô la Mỹ trong năm 2015, tăng hơn 10% so với năm 2014,
tuy nhiên chủ yếu là làm gia công, nguyên liệu sản xuất phải nhập phần lớn từ nước
ngồi, ảnh hưởng khơng nhỏ đến khả năng cạnh tranh, vấn đề về nguồn nguyên liệu có
nguồn gốc trong nước và phát triển các ngành công nghiệp phụ trợ trở thành mối quan
tâm rất lớn.
Liên quan đến nguồn nguyên liệu đầu vào, hiện có 03 nhóm nguyên liệu chính
đang được sử dụng: 1, cotton, 2, tơ tằm, 3, sợi nhân tạo từ polymer có nguồn gốc dầu
mỏ, theo đó có 03 nhà máy khá nổi tiếng trong lĩnh vực này tương ứng cho từng loại
nguyên liệu: Nhà máy Sợi Nam Định, nhà máy tơ tằm Bảo Lộc, nhà máy sợi Đình Vũ.
Các nhà máy đang hoạt động khá khó khăn và chưa thể đáp ứng đủ nhu cầu nguyên liệu
sản xuất cho ngành dệt may trong nước.
Các sản phẩm từ visco rayon hiện được bày bán khá phổ biến trên thị trường, giá
thành cao hơn sản phẩm từ cotton tuy nhiên khơng có đơn vị nào tại Việt Nam đang sản

xuất loại xơ sợi này, chủ yếu là mua nguyên liệu sợi, vải visco từ Ấn Độ, Trung Quốc
về gia công thành sản phẩm. Do vậy, các nghiên cứu nếu có đều tập trung vào hướng
sợi pha (pha sợi visco với một loại sợi khác) hoặc đi sâu vào quá trình nhuộm màu của
vải visco như “Nghiên cứu cơng nghệ dệt nhuộm hồn tất vải dệt kim có hiệu ứng 2 lớp
sợi tơ tằm và visco trên máy dệt kim tròn đan ngang một giường kim” (đề tài của Phân
Viện Dệt may, 2012), “Nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý kiềm đến độ giảm khối lượng
vải visco” (Lại Hồng Hà, 2016) vv. Năm 2011, Nguyễn Kim Thanh và cộng sự thực
hiện đề tài “Nghiên cứu quy trình sản xuất sợi từ nguyên liệu xơ tre tạo ra sản phẩm
phục vụ ngành dệt may”. Trong nghiên cứu, nhóm tác giả sử dụng xơ tre được tạo bằng
công nghệ visco nhập ngoại để nghiên cứu xây dựng quy trình kéo sợi từ loại xơ tre
visco này. Đây là nghiên cứu duy nhất liên quan trực tiếp đến công nghệ visco tại Việt
Nam, tuy nhiên đề tài tập trung vào khâu xe chập, xử lý xơ tre visco để tạo sợi chứ khơng
phải làm cách nào để tạo xơ, ngồi ra vật liệu sử dụng là xơ tre visco, bản chất vẫn là
cellulose thực vật.
Trên thế giới, công nghệ visco vẫn đang được nghiên cứu, phát triển và hoàn
thiện. Hai quốc gia sản xuất xơ, sợi visco nhiều nhất là Ấn Độ, Trung Quốc. Vấn đề của
công nghệ visco là lượng khí CS2 có thể phát tán vào mơi trường và cách tái chế các
chất hóa học hình thành trong quá trình sản xuất xơ sợi visco, đây là hướng nghiên cứu
được quan tâm chú ý. Nguyên liệu sử dụng vẫn là bột gỗ từ các loại cây lâu năm.
Liên quan đến việc sử dụng cellulose vi sinh để tạo các dạng xơ, sợi có thể kể
đến hướng nghiên cứu sử dụng NMNO để hòa tan cellulose vi sinh tạo sợi Lyocell [1,
2]; sử dụng NMNO hòa tan cellulose vi sinh cùng chitosan, sau đó phun hỗn hợp thu
được bằng phương pháp phun ướt [3]. Cellulose vi sinh với DP 2700 được hịa tan vào
NMNO và phun khơ thành sợi trong phịng thí nghiệm. Sợi tạo ra có độ bền tương đối
thấp 0.06–0.2 g/den và độ giãn dài 3–8 % chủ yếu là do các sợi định hướng kém trong
quá trình phun [4]. Ở một nghiên cứu khác, cellulose được hòa tan với NMMO/nước ở
120 oC trong 2,5 giờ, sau đó được phun khơ vào bồn chứa nước, methanol, isopropanol,
ethanol, hoặc hỗn hợp nước/NMMO (10 %) ở 20 oC [5] v.v.

12

Việc nghiên cứu chế tạo xơ sợi cellulose bằng phương pháp khác cũng được quan
tâm, ví dụ phương pháp nén, ép, đập dập, chải để tạo các sợi cellulose vi sinh ở trạng
thái ướt sau đó được xử lý ép thành sợi [6], tuy nhiên cho đến nay vẫn chưa có sản phẩm
thương mại nào từ các nghiên cứu này, các nghiên cứu cịn rất ít và mới vừa cơng bố
trong thời gian gần đây. Riêng sử dụng cellulose vi sinh để chế tạo xơ sợi viscose vẫn
chưa tìm thấy nghiên cứu liên quan.
3.2.

Đặc điểm của cellulose vi sinh:

Cellulose vi sinh rất hiếm gặp ở tế bào prokaryote. Trong cấu trúc tế bào vi khuẩn,
thành phần cơ bản của thành tế bào thường gặp là peptidoglucan (gram dương) và
lipopolysaccharide (gram âm). Cellulose là thành phần chính của thành tế bào thực vật,
tảo vv được cấu tạo từ các đơn phân D-glucose, nối với nhau bằng liên kết 1,4-βglucoside tạo thành mạch thẳng không phân nhánh [7].
Cấu trúc cellulose vi sinh rất giống với cấu trúc cellulose thực vật, tuy nhiên
chúng khác biệt ở số lượng đơn phân D-glucose trong một chuỗi dẫn đến khác biệt về
mức độ polymer hóa (degree of polymerization). Ví dụ, cellulose trong sợi bơng có mức
độ polymer hóa trên thành tế bào bậc một khoảng 2000 - 6000, bậc hai – 13000 – 14000,
cellulose từ Gluconacetobacter xylinus – 2000 - 6000; cellulose trong gỗ – 8000 – 10000
đơn phân [16].
Phân tích cấu trúc bằng tia X cho thấy phân tử cellulose vi sinh có dạng vi sợi,
các vi sợi này kết hợp với nhau tạo thành các bó sợi, các bó sợi kết hợp tạo các thớ sợi
có đường kính từ 1,5-2nm với chiều dài microfibrill tầm 50-100 µm. Các sợi macrofibrill
cellulose có kích thước nhỏ hơn nhiều nếu so với kích thước của các sợi cellulose thực
vật (Hình 1). Độ kết tinh là một trong những tính chất quan trọng của cellulose.

Hình 1 - So sánh cellulose vi sinh và cellulose thực vật.
а – cellulose vi sinh; b – cellulose thực vật [8]

Khả năng ngậm nước của cellulose vi sinh cao từ 96-98,2%. Khi nuôi cấy ở môi
trường tĩnh sẽ tạo màng, nuôi cấy lắc sẽ tạo thành các hạt với kích thước tùy thuộc tốc
độ khuấy. Các sợi cellulose có thể ở dạng I và I, đây là loại cellulose có trong thành
tế bào thực vật và tảo. Màng thu được bằng phương pháp ni cấy tĩnh có chứa nhiều
I hơn là ni cấy lắc [9] (Hình 2). Cellulose I tạo cấu trúc bền hơn I. Cellulose vi
sinh có chứa đến gần 60% là I trong khi ở thực vật chỉ tầm 30%. Ở thực vật cellulose
I chiếm phần lớn [10].

13


Hình 2 - Cấu trúc cellulose I (Cellulose I) và I (Cellulose II) [11]
Cellulose trong thành tế bào thực vật chiếm khoảng 32 - 56% tổng trọng lượng
tế bào, tuy nhiên trong thành phần tế bào thực vật cịn có hemicellulose, lignin và các
chất khác (Bảng 1) [12], còn polymer thu nhận bằng phương pháp nuôi cấy tĩnh các vi
khuẩn nhóm Gluconacetobacter chỉ chứa cellulose ở dạng tinh chất. Đây là một trong
những yếu tố quan trọng ứng dụng cellulose cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Bảng 1 - Thành phần hóa học của một vài loại vật liệu có chứa cellulose [13]
Nguồn
Tên tiếng việt
Gỗ cứng
Gỗ mềm
Bã mía
Xơ dừa
Bắp ngơ
Thân ngô
Cotton
Lanh (đã giầm)
Lanh (chưa
giầm)

Cây gai dầu
Cây thùa sợi
Sợi thùa
Sợi đay
Cây dâm bụt
Cây gai
Cây xizan
Cây lục lạc
Rơm lúa mì

Thành phần polymer trong các loại vật liệu có
chứa cellulose (%)

Tên tiếng anh
Hardwood
Softwood
Bagasse
Coir
Corn cobs
Corn stalks
Cotton
Flax (retted)
Flax (unretted)

Cellulose
43-47
40-44
40
32-43
45

35
95
71
63

Hemicellulose
25-35
25-29
30
10-20
35
25
2
21
12

Lignin
16-24
25-31
20
43-49
15
35
1
2
2

Dịch chiết
2-8
1-5

10
4
5
5
0,4
6
6

Hemp
Henequen
Istle
Jute
Kenaf
Ramie
Sisal
Sunn
Wheat straw

70
78
73
71
36
76
73
80
30

22
4-8

4-8
14
21
17
14
10
50

6
13
17
13
18
1
11
6
15

2
4
2
2
2
6
2
3
5

14

Cellulose vi sinh có khả năng hút nước mạnh, trơ về mặt hóa học, độ bền vật lý
cao (khi độ ẩm khơng q 30%) [14], hình dạng linh hoạt. Độ trong suốt của cellulose
vi sinh được xác định chủ yếu dựa vào lượng cellulose Iα có trong cấu trúc, làm cho
màng cellulose vi sinh trông đục hơn so với cellulose thực vật.
Màng thu được trên môi trường nuôi cấy tĩnh có mạng lưới các sợi đan xen nhau,
các bó sợi microfibrill này có chiều dài khoảng 500 nm và độ dày 10 nm. Các bó sợi
này được cấu tạo từ các vi sợi có đường kính cắt ngang 16 x 58 Å [15], dày 3-4 nm [16]
với đường kính 24-86 nm [17]. Kích thước đường kính fibrils trong khoảng từ 72-175
nm và 70-130 nm.
Cellulose vi sinh được cấu tạo từ các sợi cellulose có kích thước nano, do vậy
tính chất của sản phẩm thu được phụ thuộc vào cấu trúc của sợi nano, cũng chính vì lý
do này mà polymer cellulose vi sinh còn được gọi là nanocellulose [18]. Theo tính chất,
cellulose vi sinh khác biệt so với cellulose thực vật như trong Bảng 2.
Bảng 2 - So sánh giữa cellulose thực vật và cellulose vi sinh
Tính chất

Cellulose thực
vật

Cellulose vi sinh

Bề ngang của sợi

1,4-4,0x 10-2 mm

70-80 nm

Độ kết tinh

56-65%

65-79%

Mức độ polymer hóa 13000-14000

2000-6000

Young’s module

lá 15-30 GPa

% Nước

Cotton
Pa

5,5-13

Đay

27 GPa

Lanh

28 Gpa

sợi ̴ 120 GPa

60%

tinh thể ̴ 138
GPa
98,5%

So sánh cellulose vi sinh dạng tinh thể với các vật liệu khác cho thấy cellulose tinh
thể rất cứng và hồn tồn có tiềm năng thay thế một số loại vật liệu từ kim loại đang
được sử dụng rộng rãi hiện nay.
Bảng 3 - So sánh cellulose tinh thể với các loại vật liệu khác [19]
Vật liệu

Modulus (GPa)

Mật độ (Mg m-3)

Tỷ trọng riêng
(GPa Mg-1 m3)

Nhôm

69

2,7

26

Thép

200

7,8

26

Thủy tinh

69

2,5

28

Cellulose kết
tinh

138

1,5

92

Theo Bielecki (2002), cellulose vi sinh có những tính chất vơ cùng độc đáo như nó
có độ tinh khiết rất cao, độ tinh thể hóa cao, mật độ đạt 300-900 kg/m3, độ bền kéo đứt
lớn, khả năng hấp thụ, khả năng giữ nước cao, đồng thời có độ co giãn, đàn hồi và độ

15


dẻo tốt. Ngồi ra, cellulose vi sinh hồn tồn khơng độc hại, là một polymer phân hủy
sinh học, trơ đối với các quá trình trao đổi chất của con người.

3.3.

Các chủng sinh tổng hợp cellulose vi sinh

Năm 1886, Brown phát hiện vi khuẩn aceti (hiện được biết với tên Acetobacter
xylinum, Gluconacetobacter xylinum hay Komagataeibacter xylinus) có khả năng sinh
tổng hợp một lớp màng cellulose tinh khiết cứng màu vàng [20]. Vi khuẩn này lúc đó
cịn được gọi là “nhà máy sản xuất dấm”, vì chúng được sử dụng để sản xuất acid acetic.
Hiện nay chúng ta đã biết cellulose vi sinh do một số chi vi khuẩn sinh tổng hợp trong
đó có chi Gluconacetobacter spp. là chi nổi tiếng nhất. Việc tạo cellulose còn được phát
hiện ở những chi vi khuẩn sau: Acetobacter, Agrobacterium, Rhizobium, Sarcina,
Pseudomonas, Achromobacter, Alcaligenes, Aerobacter, Azotobacter, Zooglea [21], chi
Gluconacetobacter spp. có các lồi: G. kombuchae, G. intermedius, G. swingsii, G.
rhaeticus, G. nataicola [22], G. oboediens, G. europaeus, G. hansenii, G. Entanii [23]
và G. cyanobacteria [24].
Gluconacetobacter xylinus, Gluconacetobacter nataicola và Gluconacetobacter
hansenii là các chủng tổng hợp cellulose hiệu quả và có khả năng tổng hợp cellulose
ngoại bào ở dạng các sợi dài đan xen nhau dày đặc và mạch thẳng [25]. Các chủng thuộc
các chi khác như Achromobacter, Aerobacter, Agrobacterium, Alcaligenes và
Rhizobium cũng tổng hợp cellulose nhưng ở dạng sợi fibrils, các chủng thuộc chi
Pseudomonas, Sarcina và Zoogloea ở dạng cấu trúc vơ định hình [16].
Trong các tài liệu khoa học cũng có một số quan điểm về vai trò sinh lý của
cellulose vi sinh trong các hoạt động sống của vi khuẩn. Trong môi trường sống tự nhiên
phần lớn vi khuẩn sinh tổng hợp polysacharides ngoại bào tạo thành lớp vỏ bao bọc bên
ngoài tế bào [26]. Giả thiết khác là vi khuẩn tổng hợp polymer ngoại bào để giữ cố định
tế bào trong môi trường hiếu khí. Các tế bào vi khuẩn sinh tổng hợp cellulose được giữ
cố định trong mạng lưới polymer, mạng lưới này dễ dàng di chuyển đến khu vực khơng
gian có sự giao nhau giữa pha khí và lỏng [27]. Đây cũng là lý do tại sao các vi khuẩn
này có thể sống được trong môi trường nước thải [28].
Một nguyên nhân khác có thể là vì vấn đề dinh dưỡng: tạo ra một mạng lưới cần

thiết giúp hấp thụ chất dinh dưỡng từ mơi trường và giữ lại ở đó. Như vậy, vi khuẩn sẽ
dễ dàng tiếp cận nguồn dinh dưỡng hơn do nồng độ các chất trong mạng lưới sẽ tăng lên
nhiều lần nếu so với khu vực xung quanh nhờ khả năng hấp thụ của mạng cellulose [28,
26].
Một số tác giả cho rằng cellulose do A. хylinum sinh tổng hợp cịn đóng vai trị là
chất dự trữ và có thể sẽ được vi khuẩn sử dụng nếu rơi vào tình trạng bị chết đói. Trong
trường hợp này, việc phân hủy sẽ diễn ra nhờ enzyme exoglucanase và endoglucanase,
người ta đã phát hiện sự tồn tại của các enzyme này trong dịch nuôi cấy của một vài
chủng sinh tổng hợp cellulose [29].
Một vai trò sinh lý khác của cellulose theo giả thuyết là ngăn chặn các đối thủ
tiềm năng nhờ độ kết dính và tính ưa nước của màng cellulose. Ma trận polymer giúp
tăng khả năng chống chọi của các tế bào vi khuẩn đối với những thay đổi không mong
muốn (như mất nước, thay đổi pH môi trường, xuất hiện chất độc, có các vi sinh vật gây
bệnh vv.): trong mơi trường này các tế bào vẫn có thể sinh sôi nảy nở và phát triển trong
ma trận.

16


Ngồi ra, cellulose cịn có thể có một vai trị rất quan trọng – bảo vệ tế bào khỏi
tia bức xạ cực tím. Những nghiên cứu của Koo và cs (1991) trên môi trường nuôi cấy
A. хylinum cho thấy cellulose bảo vệ tế bảo khỏi ảnh hưởng của tia cực tím nhờ khả
năng ngăn ánh sáng [30]. Các nghiên cứu cũng chứng minh rằng khi các vi khuẩn sinh
acid acetic bị chiếu tia cực tím trong vịng 1 giờ, các tế bào có màng cellulose bao xung
quanh có khả năng sống sót đến 23%, trong khi những tế bào có màng bảo vệ là
polysaccharides chỉ có khả năng sống sót đến 3% [31].
Cellulose vi sinh giúp giữ ẩm cho tế bào vi khuẩn. Ross và cs (1991) đã chứng
minh rằng trong các môi trường trên các cơ chất khô tự nhiên có ni cấy A. хylinum thì
độ ẩm của mơi trường đó sẽ cao hơn nhiều so với cùng loại nhưng khơng cấy A. хylinum
[31].

Như vậy, tổng hợp cellulose có vai trò sinh lý cực kỳ quan trọng và đa dạng, là
cơ chế sinh tồn tiến hóa của những chủng có khả năng sinh tổng hợp cellulose vi sinh.
Năm 2008, các nhà khoa học Malcolm Brown và David Nobles thuộc Đại học
bang Texas đã tạo ra chủng vi khuẩn lam (cyanobacteria) biến đổi gen, có khả năng sinh
tổng hợp cellulose mạch ngắn – là loại cellulose có thể dễ dàng chuyển hóa thành ethanol
và các nguồn nhiên liệu sinh học khác. Theo các nhà nghiên cứu này, nếu sử dụng chủng
để sản xuất ở quy mơ lớn có thể sẽ đáp ứng được đáng kể nhu cầu nhiên liệu trong nước
[24]. Hơn nữa, các gen sinh tổng hợp cellulose của chủng A. xylinum có thể được đưa
vào (tái tổ hợp) với những loại vi sinh vật khác, ví dụ như Е. сoli để sản xuất nguồn
nhiên liệu sinh học mới.
Có thể thấy cellulose vi sinh có tiềm năng ứng dụng rất lớn, khả năng tạo cellulose
có thể được điều chỉnh linh hoạt để phục vụ nhu cầu cụ thể của con người.
3.4.

Phân loại sợi quốc tế:

Bureau International pour la Standardisation des Fibres Artificielles (BISFA) là
Hiệp hội toàn cầu của các nhà sản xuất sợi nhân tạo. BISFA được thành lập vào năm
1928 có nhiệm vụ định nghĩa các thuật ngữ, tên gọi cho các dòng sợi nhân tạo, thống
nhất các tên gọi giữa các công ty, khách hàng và người tiêu dùng. BISFA thiết lập các
chuẩn kỹ thuật cho các dòng tơ, sợi nhân tạo cho các thành viên trong hội để tiện việc
giao dịch và hình thành các phương pháp kiểm nghiệm cho sợi nhân tạo và khung chuẩn
kỹ thuật giữa người mua và người bán các dòng sợi này [32]. Theo Bảng phân loại các
loại sợi BISFA hoàn tồn khơng có khái niệm chỉ từ cellulose vi sinh cũng như các
dẫn xuất từ chúng.
Bảng 4 - Bảng phân loại các loại sợi nhân tạo theo BISFA [32]
Tên sợi nhân tạo

Ký tự

Tên sợi nhân tạo

(BISFA 2009)
Acetate
Acrylic
Alginate
Aramid
Carbon
Ceramic
Chlorofibre

CA
PAN
ALG
AR
CF
CEF
CLF

(BISFA 2009)
Lyocell
Melamine
Metal
Modacrylic
Modal
Polyamide
Polyester

17

Ký tự
CLY
MF
MTF
MAC
CMD
PA
PES


CUP
EL
ED
EME
EOL
PTFE
GF

Cupro
Elastane
Elastodiene
Elastomultiester
Elastolefin
Fluorofibre
Glass

Polyethylene
Polyimide
Polylactide
Polypropylene

Triacetate
Visco
Vinylal

PE
PI
PLA
PP
CTA
CV
PVAL

Bảng 5 - Bảng phân loại các loại sợi thiên nhiên theo BISFA [32]
Tên sợi thiên nhiên Ký tự

Tên sợi lông thú

Ký tự

Alfa (Esparto grass)
Cotton
Mauritius fibre
Flax
Hemp
Henequen
Jute
Kapok
Kenaf
Coir (cocconut)
Abac (Manila hemp)

Phormium
Ramie
Roselle
Sisal
Sunn hemp
Urena

Alpaca
Angora
Camel
Rabbit hair
Kashgora
Kashmir
Llama
Mohair
Cow hair
Horse hair
Silk
Tussah silk
Vicuna
Wool
Yak
Goat hair

WP
WA
WK
WN
WSA
WS

WL
WM
HR
HS
SE
ST
WG
WO
WY
HZ

AL
CO
FI
LI
HA
HE
JU
KP
KE
CC
AB
NF
RA
JS
SI
SN
JR

Mức độ polymer hóa của CV là 250-700, CUP là 500-600, CA 220-300

3.5.

Quy trình sản xuất visco rayon:

Trong các công nghệ tạo xơ sợi Rayon thì visco rayon là lâu đời nhất và công
nghệ tạo xơ sợi nhân tạo visco là công nghệ nền thúc đẩy ngành công nghiệp dệt may
phát triển một loạt các sản phẩm xơ sợi dệt nhân tạo từ cellulose thực vật. Quy trình sản
xuất màng cellulose từ visco được ba nhà bác học là Charles Frederick Cross, Edward
John Bevan và Clayton Beadle khám phá ra từ những năm 1898, tuy nhiên, mãi đến năm
1913 các sản phẩm thương mại từ xơ sợi cellulose mới được sản xuất tại nhà máy the
'La Cellophane SA factory, Bezons, Pháp khi tiến sĩ Jacques Brandenberger phát triển
phim cellulose mỏng trong suốt [33, 34].
Nguyên liệu dùng chế tạo xơ sợi Rayon theo quy trình visco là cellulose thực vật,
chủ yếu dùng bột gỗ và gần đây có thêm bột tre. Loại gỗ dùng trong chế tạo xơ sợi nhân
tạo từ cellulose tái sinh là những cây gỗ có tuổi đời từ 5 - 75 năm, ví dụ: vân sam, thông
(gỗ mềm); bạch dương, cây phong (gỗ cứng). Dạng gỗ mềm được sử dụng nhiều hơn,
thành phần cellulose: hemicellulose: lignin theo tỷ lệ tương ứng là 41-42%: 28%: 27%;

18


gỗ cần được xử lý trước khi được sử dụng làm nguyên liệu tạo xơ sợi Rayon theo công
nghệ visco.
Công nghệ sản xuất xơ sợi nhân tạo visco có thể tóm gọn theo sơ đồ với các bước
như sau [35]:
Bước xử lý gỗ loại lignin và hemicellulose, gỗ được xử lý theo hai phương pháp:
sulphit hóa và sulfat hóa. Phương pháp sulphit hóa có giá thành rẻ hơn và tỷ lệ thu hồi
cao nên thường được sử dụng. Phương pháp sulphit hóa dùng chủ yếu HSO3- và SO2
bao gồm phản ứng sulfonat hoá để làm mềm lignin, thủy phân để phá vỡ các liên kết
giữa lignin và carbohydrat và các liên kết trong phân tử lignin giúp tạo các cấu tử nhỏ,

dễ hịa tan trong nước hơn. Theo đó, gỗ sau khi đưa về nhà máy được bóc vỏ, bào nhỏ,
nấu, rửa, làm trắng, hoàn thiện. Ở bước nấu (digestion), hơi nước được đưa vào bồn để
đẩy khí khỏi các khoang trong gỗ, hóa chất nấu là Na2SO3, NaHSO3 và SO2. Quá trình
nấu giúp loại lignin và hemicellulose, giúp các sợi cellulose có thể tách nhau ra. Q
trình phân rã hemicellulose diễn ra ở mức phân tử cellulose chưa bị phá hủy. Quá trình
nấu với muối natri diễn ra theo 2 bước với nhiệt độ và độ pH khác nhau. Khi độ nhớt
của bột giấy đạt thì dừng quá trình. Độ nhớt được ước tính dựa trên màu của dung dịch
đã nấu. Bước rửa để loại hóa chất dư, hịa tan lignin và hemicellulose (tuy nhiên chưa
thể loại hết). Tiếp theo, bột giấy qua khâu tẩy trắng, thường dùng H2O2 hoặc các hợp
chất chứa clo và hoàn thiện, ép thành các tấm cellulose đã khử lignin và hemicellulose
[35]. Các tấm cellulose đã khử lignin và hemicellulose này được sử dụng để làm nguyên
liệu chế tạo xơ sợi Rayon theo công nghệ visco.
Bước kiềm hóa: các tấm cellulose thực vật được xử lý với dung dịch NaOH nồng
độ từ 17 - 19% để chuyển từ cellulose I thành cellulose kiềm, từ đó giúp tăng khả năng
phản ứng với CS2 ở bước sau, đồng thời loại bỏ những nguyên liệu có mạch ngắn còn
lại trong bột gỗ (hemi-, cellulose mạch ngắn). Cách này giúp CS2 dễ thâm nhập vào cấu
trúc cellulose và phản ứng với nhóm OH- dễ hơn. Phản ứng xảy ra như sau:
C6H9O4OH + NaOH -> C6H9O4ONa + H2O
(cellulose)

(cellulose kiềm)

Bước ép: các tấm cellulose kiềm qua máy ép loại nước, lúc này hemicellulose
cùng với NaOH dư sẽ đi ra ngoài.
Bước xé nhỏ: các tấm cellulose kiềm đã loại bớt NaOH dư đi qua 2 trục nghiền
để xé nhỏ, mục đích làm tăng bề mặt phản ứng của cellulose kiềm.
Bước ủ: cellulose kiềm được để trong các bồn thống khí từ 1-3 ngày. Các
mạch cellulose kiềm bị cắt ngắn do phản ứng với oxy khơng khí, làm giảm mức độ
polyme hóa, từ đó tạo thành các đoạn ngắn để đạt độ nhớt phù hợp.
Bước xanthate hóa: đây thực chất là quá trình sunfua hóa nhờ thêm CS2 (lượng

CS2 chiếm khoảng 30-35% trọng lượng cellulose kiềm) để tạo thành cellulose xanthate
(cellulose natri xanthogenat). Trithiocarbamat (Na2CS3) tạo màu vàng đặc trưng cho
bột cellulose xanthate theo phản ứng.
C6H9O4ONa + CS2 ->
(cellulose kiềm)

C6H9O4OCSSNa + Na2CS3
(cellulose xanthat)

trithiocarbamat

Bước hòa tan xanthate trong dung dịch NaOH để tạo dung dịch visco, lúc
này các mạch cellulose bị tách nhau ra bởi nhóm xanthate làm giảm các liên kết hydro

19


giữa các mạch giúp cho xanthate hòa tan được trong dung dịch NaOH theo phương
trình:
C6H9O4OCSSNa + NaOH -> dung dịch visco
Bước ủ chín: giúp các nhóm xanthate phân bố lại. Q trình thủy phân các nhóm
xanthate sẽ giải phóng CS2, CS2 này hoặc tác dụng với các nhóm -OH khác trong phân
tử (ví dụ chuyển từ vị trí C2 và C3 sang vị trí bền nhiệt C6) hoặc bị tách ra như là 1 sản
phẩm phụ.
C6H9O4OCSSNa + H2O -> C6H9O4OH + CS2 + NaOH
Bước loại khí và lọc: mục đích của bước này để loại bọt khí và các mảnh nhỏ
không tinh khiết trong dung dịch visco để tránh gây tắc lỗ đầu phun.
Bước phun: dung dịch visco được phun vào bể phun chứa H2SO4. Xanthate
phản ứng với H2SO4 trong bể phun để tái tạo lại thành cellulose và khí CS2 bay ra. Dung
dịch phun thường chứa H2SO4, Na2SO4, ZnSO4 và các chất khác. Mức độ tái sinh phụ

thuộc vào thành phần của các chất trong bể phun, dẫn tới ảnh hưởng đến chất lượng xơ.
C6H9O4OCSSNa + H2SO4 -> C6H9O4OH + CS2 + Na2S04
Tơ cellulose tái sinh thu được sau đó được cuộn, tẩy giặt và tinh chế, xe chập để
ra các loại xơ sợi Rayon khác nhau.
Có thể thấy, việc sử dụng các cây lâu năm có tuổi đời từ 5 – 75 năm gây lãng phí
nguồn tài nguyên rừng, công nghiệp chế tạo bột giấy cũng là một trong những nguyên
nhân dẫn đến tình trạng chặt phá rừng, ngồi ra trong q trình khử lignin và tẩy trắng
gỗ sử dụng một lượng lớn hóa chất, các chất này ít được thu hồi, thải ra nguồn nước và
không khí, cũng là tác nhân gây ô nhiễm môi trường. Do vậy, cần có một loại nguyên
vật liệu thay thế, có đặc tính vật lý phù hợp để làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp
chế tạo xơ sợi Rayon, thân thiện với mơi trường, có khả năng tái sinh và có thể sản xuất
ở quy mô công nghiệp.
Về đặc điểm, cấu trúc cellulose vi sinh rất giống với cấu trúc cellulose thực vật,
tuy nhiên chúng khác biệt ở số lượng đơn phân D-glucoza trong một chuỗi dẫn đến khác
biệt về mức độ polyme hóa. Ví dụ, cellulose trong sợi bơng có mức độ polyme hóa trên
thành tế bào bậc một khoảng 2000 - 6000, bậc hai 13000 – 14000 đơn phân; cellulose
trong gỗ từ 8000 – 10000 đơn phân trong khi cellulose từ vi khuẩn K. xylinus 2000 –
6000 đơn phân (Bielecki S. 2005). Khả năng ngậm nước của cellulose vi sinh cao từ 9698,2%. Cellulose vi sinh có chứa đến gần 60% là I trong khi ở thực vật chỉ tầm 30%
(Sugiyama J., 1999). Trong thành phần màng thô sau ni cấy nước chiếm 96-97%, cịn
lại là cellulose tinh khiết, khơng chứa lignin hay hemicellulose. Như vậy, cellulose vi
sinh có tiềm năng thay thế cellulose thực vật làm nguyên liệu chế tạo xơ sợi Rayon theo
nhiều phương pháp khác nhau, trong đó có cơng nghệ visco. Sử dụng cellulose vi sinh
sẽ tránh được khâu xử lý ban đầu gây ô nhiễm, thay vì chặt cây, có thể ni cấy thu sinh
khối cellulose trong nhà máy, ngồi ra có thể đơn giản hóa quy trình tạo dung dịch visco.
Hiện chưa có nghiên cứu chuyên sâu nào sử dụng cellulose vi sinh tạo xơ sợi theo
công nghệ visco mặc dù công nghệ này có tuổi đời từ rất lâu và đang được áp dụng rộng
rãi trong lĩnh vực dệt may. Cellulose vi sinh khác với cellulose thực vật ở cấu trúc mạng
lưới, cách thức phân bố, không chứa lignin và hemicellulose, mức độ polyme hóa và
những đặc điểm lý hóa khác, do vậy có nhu cầu về quy trình riêng tương ứng cho
cellulose vi sinh để có thể áp dụng ở quy mô công nghiệp.

20


Hình 3 – Quy trình chế tạo sợi visco từ gỗ [36]

21


IV.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

4.1.

Nội dung thực hiện

Nội dung 1: Tuyển chọn chủng vi khuẩn Gluconacetobacter spp. từ các
nguồn có sẵn làm đối tượng tạo chỉ cellulose vi sinh.
- Công việc 1: Tuyển chọn một chủng vi khuẩn Gluconacetobacter spp. tạo
sinh khối lớn từ bộ chủng của Trung tâm Công nghệ sinh học TP.HCM thuộc
đề tài cấp nhà nước, đã nghiệm thu năm 2014
- Công việc 2: Khảo sát sơ bộ khả năng sinh tổng hợp cellulose trên HS, GY *,
H5
- Công việc 3: Tuyển chọn chủng Gluconacetobacter spp. có khả năng sinh
tổng hợp cellulose hiệu quả nhất, định danh.
Nội dung 2: Tối ưu hóa mơi trường ni cấy tạo cellulose dựa trên lượng
sinh khối cellulose tạo thành.
- Công việc 4: Khảo sát nguồn đường, nitơ, tác động đơn yếu tố quan trọng ảnh
hưởng đến sinh khối

- Công việc 5: Xác định các yếu tố khác có thể ảnh hưởng quan trọng bằng thiết
kế Plackett – Burman (11 yếu tố)
- Cơng việc 6: Tối ưu hóa theo Full Factorial Design
Nội dung 3: Bước đầu khảo sát khả năng tạo chỉ cellulose vi sinh
- Công việc 7: Chuẩn bị nguyên liệu cellulose vi sinh cho khâu tạo xơ
- Công việc 8: Thử nghiệm quy trình tạo dung dịch viscose.
- Công việc 9: Thử nghiệm dung dịch bể phun và phun thử tạo xơ sợi
- Công việc 10: Xử lý xơ sợi sau phun
Nội dung 4: Nghiên cứu các đặc điểm lý hóa của xơ sợi cellulose tạo thành
- Cơng việc 11: Nghiên cứu các đặc điểm về hình dạng, kích thước của xơ sợi
tạo thành
- Cơng việc 12: Kiểm tra các chỉ tiêu lý hóa của xơ, sợi thu được

21


Phương pháp nghiên cứu

4.2.

4.2.1. Sơ đồ các bước thí nghiệm:
Bảng 6 - Sơ đồ các bước thí nghiệm
Nội
dung
1:

Tuyển chọn một số chủng vi khuẩn Gluconacetobacter spp. (1)

Khảo sát sơ bộ khả năng sinh tổng hợp cellulose trên HS, GY*, H5 (2)

Chọn 1 chủng duy nhất làm đối tượng nghiên cứu cho các bước sau, định danh
(3)

Nội
dung
2:

Khảo sát nguồn carbon, nitơ, tác động đơn yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến
sinh khối (4)

Xác định các yếu tố khác có thể ảnh hưởng quan trọng bằng thiết kế Plackett –
Burman (12 yếu tố) (5)

Tối ưu hóa theo Full Factorial Design (6)

Nội
dung
3:

Tạo dung dịch visco từ cellulose vi sinh (7)

Phun tạo xơ sợi (8)

Xử lý xơ sợi thu được sau phun (9)

Nội
dung
4:

Nghiên cứu các đặc điểm về hình dạng, kích thước của xơ sợi tạo thành

(10)

Kiểm tra các chỉ tiêu lý hóa của xơ, sợi thu được (11)

22


4.2.2. Tuyển chọn một số chủng vi khuẩn Gluconacetobacter spp. (1):
Tuyển chọn 3 chủng đã được nghiên cứu kỹ từ trước, có khả năng tạo sinh khối
tốt để làm đối tượng cho các bước nghiên cứu sau từ đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công
nghệ vi sinh để sản xuất màng cellulose sinh học” cấp nhà nước của Trung tâm, nghiệm
thu năm 2014. Các chủng này hiện đang được lưu trữ tại Bộ chủng giống của Trung tâm
Công nghệ sinh học Tp Hồ Chí Minh
4.2.3. Khảo sát sơ bộ khả năng sinh tổng hợp cellulose trên HS, GY*, H5
(2):
Các chủng được chọn lựa từ Bộ chủng giống vi sinh của Trung tâm Công nghệ
Sinh học sẽ được nuôi cấy thử trên cả ba môi trường này (HS, GY*, H5) ở nhiệt độ 28°C,
thời gian 7 ngày để so sánh lượng sinh khối tạo thành. Các thí nghiệm được lặp lại 3 lần.
Sau nuôi cấy thu sinh khối, xử lý màng trong NaOH 1M 80 oC, 20 phút để phá
vỡ tế bào và trung hịa lượng acid dư sau đó rửa qua nước 3 lần. Sấy đến khối lượng
không đổi.
4.2.4. Chọn 1 chủng duy nhất làm đối tượng nghiên cứu cho các bước sau
(3):
Dựa vào kết quả thí nghiệm ở bước 2, tiến hành chọn:
- Chủng tạo sinh khối nhiều nhất để giữ làm đối tượng nghiên cứu cho các bước
sau.
- Môi trường nuôi cấy tạo nhiều sinh khối nhất trong 3 môi trường HS, GY*, H5
sẽ được giữ lại và xem như mơi trường có thành phần chính cho bước tối ưu hóa.
4.2.5. Khảo sát nguồn carbon, nitơ, tác động đơn yếu tố quan trọng ảnh
hưởng đến sinh khối (4):

Đối với phương pháp tạo xơ vicose cần lượng lớn cellulose đầu vào do vậy tiêu
chí để chọn lựa là sinh khối. Sau 7 ngày thu sinh khối, rửa sạch, hong khô đến khối
lượng không đổi rồi so sánh khối lượng thu được.
Khảo sát ngưỡng pH: môi trường chuẩn là môi trường tạo nhiều sinh khối nhất ở
bước 2. Thay đổi các yếu tố pH: 1,5; 2; 3; 4; 5; 6; 7 và 8.
Khảo sát nguồn carbon: môi trường chuẩn là môi trường tạo nhiều sinh khối nhất
ở bước 2. Thay đổi nguồn carbon như sau: mannitol, glucose, fructose, sucrose với lượng
bổ sung là 70 g/l.
Khảo sát ngưỡng carbon: thay đổi nồng độ nguồn carbon ban đầu từ 10; 40; 70;
100; 130;160 và 190 (g/l).
Khảo sát nguồn nitơ: thay đổi nguồn nitơ: cao nấm men, pepton (lượng bổ sung
là 5 g/l), hỗn hợp cao nấm men và pepton (tỉ lệ 1:1) với lượng bổ sung là 6 g/l.
Khảo sát ngưỡng nitơ: thay đổi nồng độ nguồn ni tơ ban đầu: 2; 4; 6; 8 và 10
(g/l).
Tất cả các môi trường được tiệt trùng ở 115°C, 20 phút. Cấy chủng theo tỷ lệ
1/10. Chủng được ni cấy tĩnh trong vịng 7 ngày. Sau 7 ngày thu sinh khối, rửa sạch,
sấy đến khối lượng không đổi rồi so sánh khối lượng thu được. Xác định khoảng tối ưu

23


bằng phương pháp leo dốc. Xử lý thống kê bằng phần mềm JMP 10. Các thí nghiệm
được lặp lại 3 lần.
4.2.6. Xác định các yếu tố khác có thể ảnh hưởng quan trọng bằng thiết kế
Plackett – Burman (5):
Môi trường chuẩn là môi trường tạo được nhiều sinh khối nhất ở bước 2. Chọn thêm
8 yếu tố khác ngoài pH, sucrose, nhiệt độ để bố trí thí nghiệm Plackett – Burman. Mỗi
yếu tố sẽ có 2 mức giá trị (-1, +1), 20 nghiệm thức, 3 lần lặp lại. Dựa vào mơ hình hồi
quy bậc nhất thu được để xét xem cịn yếu tố nào quan trọng mà thí nghiệm đơn yếu tố
chưa đề cập đến. Thiết kế và kết quả nghiên cứu được phân tích bằng chương trình JMP

10.
Bảng 7 - Các yếu tố được lựa chọn theo thí nghiệm Placket Burman
Yếu tố

Mức thấp -1

Mức cao +1

Nhiệt độ, C (X1)

25

30

pH (X2)

4

6

Sucrose, g/l (X3)

70

100

Pepton, g/l (X4)

1

3

Cao nấm men, g/l (X5)

1

3

Na2HPO4, g/l (X6)

1

3

K2HPO4, g/l (X7)

1

3

(NH4)2SO4, g/l (X8)

1

3

Ethanol, mL (X9)

5

15

Vitamin B1, mg/l (X10)

1

3

Vitamin B6, mg/l (X11)

1

3

Dựa vào mơ hình hồi quy bậc nhất thu được xác định các yếu tố có ảnh hưởng quan
trọng, yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến khả năng tạo sinh khối, loại bỏ một số yếu tố
không quan trọng, từ đó chọn ra 3 yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất (có ý nghĩa nhất) để làm
tối ưu hóa ở bước sau.
4.2.7. Tối ưu hóa theo Full Factorial Design (6)
Sau khi đã chọn được các yếu tố quan trọng nhất theo Placket Burman thì tiến
hành bố trí thí nghiệm tối ứu hóa theo Full Factorial Design để xác định phương trình
hồi quy và giá trị tối ưu theo lý thuyết, mỗi yếu tố được khảo sát ở 2 mức (-1, +1) với
số nghiệm thức = 2n, trong đó n là số yếu tố quan trọng thu được theo Plackett Burman,
ngồi ra bố trí thêm 3 nghiệm thức trung tâm
Thiết kế thí nghiệm bằng chương trình JMP 10.
4.2.8. So sánh kết quả mơ hình lý thuyết và thực tế thu được
So sánh lượng cellulose thu được trên 4 môi trường: môi trường tối ưu (H10),
H5, HS và môi trường nước dừa già truyền thống.

24