Nghiên cứu quy trình công nghệ oxy hóa glucose thành gluconic acid và chế tạo các muối kali-natri và canxi gluconat - Chuyên đề

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

CHƯƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHCN TRỌNG ĐIỂM QUỐC GIA
PHÁT TRIỂN CÔNG NGHIỆP HOÁ DƯỢC ĐẾN NĂM 2020



BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

“Nghiên cứu quy trình công nghệ oxy hóa glucose thành
gluconic acid và chế tạo các muối kali-, natri- và calci gluconat ”

Mã số: CNHD.ĐT.007/09-11



Chủ nhiệm đề tài : PGS.TS. Trần Thị Như Mai
Cơ quan chủ trì đề tài: Trường ĐHKHTN - ĐHQG Hà Nội





9801-1

HÀ NỘI – 2012

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

CHƯƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHCN TRỌNG ĐIỂM QUỐC GIA
PHÁT TRIỂN CÔNG NGHIỆP HOÁ DƯỢC ĐẾN NĂM 2020

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

“Nghiên cứu quy trình công nghệ oxy hóa glucose thành
gluconic acid và chế tạo các muối kali-, natri- và calci gluconat ”

Mã số: CNHD.ĐT.007/09-11

Chủ nhiệm đề tài Cơ quan chủ trì đề tài




PGS.TS. Trần Thị Như Mai


BAN ĐIỀU HÀNH CHƯƠNG TRÌNH HÓA DƯỢC






HÀ NỘI - 2012
BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN


CHƯƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHCN TRỌNG ĐIỂM QUỐC GIA
PHÁT TRIỂN CÔNG NGHIỆP HOÁ DƯỢC ĐẾN NĂM 2020

ĐỀ TÀI: Nghiên cứu quy trình công nghệ oxy hóa Glucose thành Gluconic acid
và chế tạo các muối Kali, Natri và Calci Gluconat

Mã số: CNHD.ĐT. 007/09-10, 10-11


BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: TỔNG QUAN TÀI LIỆU


Chủ nhiệm đề tài





PGS.TS. Trần Thị Như Mai
Người thực hiện





PGS.TS. Trần Thị Như Mai

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI





Hà nội, 7 – 2009
CHUYÊN ĐỀ 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1.Axit gluconic và các muối gluconat - Tính chất lý hóa và các tính chất dược
dụng
1.1.1. Một số tính chất hóa lý của axit gluconic
Axit gluconic là một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử C
6
H
12
O
7
, công
thức cấu tạo HOCH
2
(CHOH)
4
COOH, và tên danh pháp IUPAC là (2R,3S,4R,5R)-
2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanoic acid. Trong dung dịch nước ở pH gần trung tính,
axit cacboxylic này tạo ra các ion gluconat và các muối của axit gluconic gọi chung
là các gluconat. Cấu trúc hoá học của axit gluconic bao gồm một chuỗi sáu cacbon
với năm nhóm hydroxi và kết thúc bằng một nhóm chức của axit cacboxylic (-
COOH). Trong dung dịch nước, axit gluconic tồn tại trong cân bằng động với dạng

este vòng là glucono delta lacton (C
6
H
10
O
6
).


(a) (b)
Hình 1: (a) Mô hình của axit gluconic và (b) dạng cân bằng của nó

Axit gluconic là axit không bay hơi, không độc, là một axit yếu, sự phân ly của nó
trong nước được đặc trưng bằng giá trị pKa nằm trong khoảng 3.5 đến 3.8. Do đó
sự phân ly của các gluconat trong nước được dự đoán là hoàn toàn. Glucono-delta-
lacton thuỷ phân chậm trong dung dịch nước đến khi đạt cân bằng với axit
gluconic. Ở nồng độ 10% thì trạng thái cân bằng axit gluconic/lacton là 80/20.
Axit gluconic và các dẫn xuất của nó là các chất có mặt trong t
ự nhiên. Axit
gluconic có mặt trong các loại quả, mật ong, trà kombucha (nấm hồng trà) và rượu
vang. Trong cơ thể động vật có vú, cả axit D-gluconic và 1,5-lacton của nó đều là
các chất trung gian quan trọng trong quá trình chuyển hóa cacbohydrat [119,126,
133].
Một số thông số vật lý, hoá học quan trọng của axit gluconic, glucono-delta-lacto
và một số muối gluconat được dẫn ra ở bảng 1:

Bảng 1: Các thông số vật lý, hoá học quan trọng của axit gluconic
và một số dẫn xuất
Chất Nhiệt độ
nóng chảy

(
0
C)
Nhiệt độ
sôi
(
0
C)
Khối lượng
riêng (g/cm
3
)
(ở 20
0
C)
Độ tan
trong nước
g/l ở 25
0
C
pKa
Axit gluconic 131 417.1 1.23 1000

3.70
Glucono-delta-
lacton
153 398.5 1.68

590

3.70
Natri gluconat 205-209
(phân huỷ ở
≥ 210°C)
613.1 1.789 590

3.70
Canxi gluconat 120 731.1 0.3-0.65 35 3.70
Kali gluconat 174-176
(phân huỷ ở
180°C)
613.1 0.8

450-1000

3.70

Trong công nghiệp thì axit gluconic được sản xuất bằng quá trình oxi hoá D-
Glucozơ với sản lượng khoảng 1.000.000 tấn/năm [133].

1.1.2. Các ứng dụng và tính chất dược dụng của axit gluconic
Axit gluconic là chất không ăn mòn, không bay hơi, không độc, và là axit hữu
cơ êm dịu. Do có mùi thơm mát đặc trưng nên nó được áp dụng nhiều trong công
nghiệp thực phẩm, chế biến đồ uống giải khát, rượu, nước trái cây [111, 119]…
Axit gluconic và muối natri gluconat có khả năng tạo phức vòng càng (chelator) rất
hiệu quả trong môi trường pH kiềm, được đánh giá là tốt hơn cả các cấu tử tạo
phức truyền thống như EDTA, NTA và các chất tạo phức khác. Đặc trưng này được
khai thác trong các ứng dụng làm sạch kim loại, trong các quá trình gia công nhôm
và sắt, đặc biệt là các vật liệu bao bì đự
ng thực phẩm, dược phẩm và làm chất tẩy

rửa. Sản phẩm muối natri gluconat thô hoặc sản phẩm phụ của quá trình oxi hóa
còn được sử dụng làm phụ gia chậm đông của betong dùng trong xây dựng .
Trong các ngành công nghiệp thực phẩm, axit gluconic được sử dụng là phụ gia
điều chỉnh độ chua, ức chế sự lên men. Dung dịch đậm đặc của axit gluconic có
tính khử trùng rất hiệu quả, đặc biệt là khả n
ăng hạn chế sự tạo thành nấm mốc
trong thực phẩm. Axit gluconic được xếp vào danh sách các chất phụ gia thực
phẩm được phép sử dụng ở Châu Âu (E574). Tại Mỹ, Cục quản lý Thực phẩm và
Thuốc USA-FDA chấp nhận coi axit gluconic và natri gluconat là phụ gia an toàn
sử dụng cho thực phẩm với lượng không hạn chế [52, 106].
Dạng vòng của axit gluconic, sản phẩm glucono-delta lacton được sử dụng làm
phụ gia trong chế biến bánh nướ
ng, chất làm đông protein trong sữa đậu nành, sữa
chua, phomát, sản xuất bánh mỳ…[126]
Các muối của axit gluconic, cũng giống như axit tự do, tạo nên các phức với
các ion kim loại và độ bền của các phức này tăng lên đáng kể khi tăng pH. Các ứng
dụng điển hình của các chất này có thể được phân loại thành dạng phân tán và
không phân tán, phụ thuộc vào khả năng của các gluconat có thể phân tán trong
môi trường. Các ứng dụng không phân tán chủ yếu là các
ứng dụng làm sạch công
nghiệp, xử lý bề mặt kim loại, làm chất ổn định tẩy trắng dùng trong công nghiệp
dệt, và các ứng dụng trong quá trình gia công nhôm, làm chậm đông cứng xi măng,
… những ứng dụng này thường sử dụng các sản phẩm công nghiệp thô Ngược lại,
các gluconat tinh khiết là thành phần của các sản phẩm chăm sóc sức khoẻ con
người, thực phẩm và dược phẩm,
Các ứng dụng làm phụ gia thực phẩm và chất hỗ trợ gia công thưc phẩm:
Với vai trò là một tác nhân càng hoá, natri gluconat được ứng dụng rộng rãi
trong các dung dịch làm sạch trong công nghiệp thực phẩm, bình sữa tươi, …. Natri
và canxi gluconat còn được sử dụng như các chất phụ gia dinh dưỡng trong các sản
phẩm xúc xích và dùng để làm tăng các tính chất liên kết nước của các sản phẩm

này. Mười năm trở lại đây đã có một nghiên c
ứu đáng ghi nhận ở Nhật Bản sử dụng
natri gluconat để bổ sung cho natri clorua trong các protein chiết từ thịt của cá.
Natri gluconat được sử dụng như chất thay thế các photphat trong quá trình gia
công Surimi (thịt cá đã thái nhỏ) để làm tăng độ trắng và tính đàn hồi của sản phẩm
cá.
Một quá trình nhằm cải thiện độ mềm của thịt đã được phát triển bởi các nhà
khoa học trong trung tâm nghiên cứu thịt độ
ng vật US. Quá trình làm mềm hoạt
hoá canxi sử dụng các sản phẩm đã tiêm canxi để hoạt hoá các enzym làm mềm.
Trước kia người ta thường dùng canxi clorua, nhưng những nghiên cứu gần đây đã
cho thấy canxi gluconat cũng cho hiệu quả tương tự. Natri và kali gluconat có ảnh
hưởng độc đáo lên vị giác: các tính chất không làm đắng khi sử dụng cùng chất làm
ngọt nhân tạo, chẳng hạn như saccarit, đường hoá học và aspartam.
Natri gluconat đôi khi còn được sử dụng nh
ư một sản phẩm thay thế đường và
dùng trong các đồ uống ăn kiêng. Các chất làm ngọt nhân tạo, Aspartam, khi được
dùng một mình có nhược điểm là làm ngọt lâu và có xu hướng lưu lại lâu trên lưỡi,
chất lượng vị giác của nó có thể được cải thiện để giống đường mía hơn bằng cách
thêm natri gluconat. Kali gluconat cho thấy là làm mất vị ngọt của lactozơ đã thuỷ
phân mà không gây ra vị đắng hay làm mất hương vị
.
Các ứng dụng thực phẩm là một lĩnh vực tiềm năng góp phần vào việc phân bố
các gluconat và glucono-delta-lacton vào thực tế, khi những sản phẩm này được
thêm dưới dạng bột hay tinh thể vào thành phần thức ăn như thịt, sữa hay nước đậu
nành với lượng dưới 5% w/w. Tuy nhiên, từ khi sản phẩm cuối cùng gây hại với
con người và hầu hết đều được ăn vào bụng thì không có khả năng cụ thể nào để
phân bố trong môi trường của các gluconat từ ứng dụng này.
- Các ứng dụng dược phẩm:
Các muối natri, kali và canxi gluconat được sử dụng làm chất bổ sung

khoáng chất trong các dung dịch tiêm trong dược phẩm với nồng độ lên đến 55 g/l.
Là thành phần chủ yếu trong các thuốc điều trị các bệnh về tim mạch, nộ
i tiết, các
bệnh về xương, cơ, …Ngoài ra canxi gluconat còn được sử dụng trong điều trị
bỏng gây ra bởi axit flohidric. Còn kali gluconat được dùng để chữa huyết áp cao,
làm thuốc lợi tiểu với ưu điểm: có vị tự nhiên, sẵn có bề mặt sinh học, hoạt tính
sinh học, và có tính chất chịu nén trực tiếp tốt.
Có thể thấy, axit gluconic và muối của nó tham gia vào nhiều lĩnh vực, đặc
biệt là dượ
c phẩm và các quá trình công nghệ ứng dụng. Do vậy, nhu cầu sản xuất
axit gluconic trong công nghiệp là rất lớn.
Ứng dụng quan trọng nhất của axit gluconic và các muối gluconat là
trong lĩnh vực y dược. Axit gluconic và các muối gluconat rất dễ tan trong nước,
nên thuận tiện cho các mục đích sử dụng trong dược phẩm cả dạng uống và tiêm.
Mặt khác khả năng tương hợp tốt của các sản phẩm này với nhũ tương làm cho
chúng dễ được hấp thu hơn. Các ứng dụng dược phẩm của axit gluconic và một số
muối gluconat được thống kê trong bảng 2:

Bảng 2. Các ứng dụng trong dược phẩm của axit gluconic và dẫn xuất
Hợp chất Ứng dụng trong dược phẩm
Axit gluconic
Là tiền chất để tổng hợp vitamin C và các dẫn xuất gluconat. Là
thành phần của dung dịch thuốc tiêm.
Một số thuốc trên thị trường: Gluconic DMG, Gluco- Solution,
Muối natri
gluconat
Là chất cân bằng điện giải cho người, thành phần của thuốc
chống cao huyết áp. Bổ sung khoáng chất dạng tiêm với nồng độ
lên đến 55g/l. là thành phần chính cùng với sắt gluconat trong
dung dịch làm sạch tĩnh mạch, …

Một số thuốc trên thị trường: Chamber Brite, Sodium gluconate
solution, …
Muối kali
gluconat
Là chất cân bằng điện giải cho người. Bổ sung khoáng chất dạng
tiêm với nồng độ lên đến 55g/l.
Thành phần của thuốc lợi tiểu, thuốc chữa viêm loét miệng, hỗ
trợ chống ung thư ruột kết, …
Một số thuốc trên thị trường: Kaligluconat 595
Muối canxi
gluconat
Muối canxi gluconat là liệu pháp canxi cho bệnh thiếu canxi
thông qua các liều thuốc bổ xung canxi, chống giòn xương, chữa
bệnh cứng cơ, chữa còi xương, suy dinh dưỡng, thuốc trợ tim,
thuốc điều trị bỏng gây ra bởi axit flohidric. Đặc biệt hiện nay,
một số nghiên cứu còn chỉ ra khả năng sinh kháng thể chống ung
thư ruột kết, trực tràng của muối này [61].
Một số thuốc trên thị tr
ường: Siro Davita Solusol, Canvit-D,
Calcium gluconate 10 %
Muối sắt
gluconat
Thành phần của thuốc chữa bệnh thiếu máu do thiếu sắt, bổ xung
sắt cho cơ thể.
Một số thuốc trên thị trường: Ferovit
Muối kẽm
gluconat
Là thành phần của thuốc cảm thông thường, chữa các vết thương
sâu, và các bệnh liên quan đến thiếu kẽm cho người.



























Hình 2: Một số thuốc có thành phần chính là các muối canxi-, natri- và kali- gluconat

Có thể thấy, axit gluconic và muối của nó tham gia vào nhiều lĩnh vực, đặc biệt là
dược phẩm, thực phẩm và các quá trình công nghệ ứng dụng. Nhu cầu sử dụng các
muối trên thế giới hàng năm riêng cho dược phẩm và thực phẩm chức năng là:
500000-700000 tấn natri gluconat, 8000-10000 tấn canxi gluconat, và 1000-2000
tấn kali gluconat [119, 129] và ngày càng tăng. Do vậy, nhu cầu sản xuất axit
gluconic trong công nghiệp là rất lớn.

1.2.Quá trình Oxi hóa D-glucozơ
1.2.1.Các quá trình cổ điển oxi hóa glucozơ
:
Con đường oxi hoá glucozơ theo phương pháp cổ điển, thường sử dụng các
tác nhân oxi hoá mạnh, bằng quá trình oxi hoá đồng thể như dung dịch đậm đặc
Kali-permanganat KMnO
4
, Kali-perclorat KClO
4
… [41]. Một phương pháp oxi hóa
glucozơ khác là dùng nước brom trong một dung dịch đệm với một giá trị pH từ 5-
6. Sản phẩm là các axit andonic, thí dụ D-glucozơ cho axit D-gluconic. Ở andozơ,
nhóm andehit là vị trí nhạy cảm nhất nên phản ứng thường tạo thành các sản phẩm
chuyển hoá ở vị trí này.
Tương tự các axit
γ
và
δ
-hidroxicacboxylic, các axit onic nêu trên dễ tách
nước để tạo thành các
γ

hoặc
δ
-lacton, với sự ưu tiên tạo thành
γ
-lacton. Sự dễ bị
oxi hóa của các andozơ đã được sử dụng cho nhiều phương pháp phân tích đường
cổ điển được áp dụng phổ biến trước đây, như thuốc thử Felinh, thuốc thử Tolen.
Với các tác nhân oxi hóa mạnh hơn, thí dụ axit nitric HNO
3
đậm đặc, không
chỉ nhóm andehit mà cả nhóm ancol bậc một cũng bị oxi hóa thành nhóm cacboxyl
tạo sản phẩm là axit D-glucaric. Quá trình decacboxyl hoá thành các phân tử mạch
ngắn hơn, quá trình quay cấu hình, các phản ứng trùng hợp, … cũng xảy ra. Hỗn
hợp sản phẩm phản ứng được xác định bằng LC-MS gồm có: axit gluconic
(15,8%); gluconolacton (15,69%); sản phẩm của quá trình đime hóa là đisaccarit
(12,6%). Ngoài ra, lượng sản phẩm phụ khác chiếm tới 57,01% gồm các sản phẩm
oxi hoá sâu, chẳng hạn như axit glucaric (M
+
= 210), sản phẩm của quá trình
decacboxyl hoá, hidroxi malonic HOOC-CHOH-COOH (M
+
= 120) Trên thực
tế, những sản phẩm này chỉ được dùng như là phụ gia của vật liệu trong xây dựng,
làm chậm đông cứng bê tông.
Nhìn chung, phương pháp oxi hoá đồng thể cổ điển bằng tác nhân oxi hoá
mạnh bộc lộ hạn chế to lớn khó khắc phục là không có tính chọn lọc cao, hiệu suất
thấp, và rất khó khăn trong quá trình tách loại sản phẩm khi kết thúc phản ứng, sản
phẩm không thể
sử dụng cho thực phẩm và dược phẩm. Hơn nữa, sử dụng các tác
nhân oxi hoá đồng thể đắt tiền như KMnO

4
, KClO
4
lại sinh ra các phụ phẩm độc
hại như MnO
2
, HCl… Các quá trình này chỉ có ý nghĩa đánh giá tính chất phản
ứng và khả năng oxi hoá của các tác nhân mà không thể ứng dụng để triển khai
công nghệ.

1.2.2. Quá trình oxi hoá sinh học D-glucozơ với xúc tác enzym
Trong cơ thể động vật, D- glucose được chuyển hóa hoàn toàn nhờ emzym
thành glucono delta lacton và sau đó mở vòng trong sự có mặt của nước tạo thành
axit gluconic. Nhờ có quá trình chuyển hóa đường mà cơ thể có năng lượng hoạt
động và dự trữ.

Hình 3: Sự chuy
ển hóa glucozơ trong cơ thể người
(E-FAD: enzym flavin adenin dinucleotit)
Trong công nghiệp, từ lâu, xúc tác enzym đã được sử dụng cho quá trình oxi hoá
glucozơ tạo thành các sản phẩm cuối cùng như etanol, axit butyric, axit lactic, axit
xitric… đồng thời có giải phóng ra sản phẩm khí như H
2
, CO
2
. Một số quá trình sản
xuất sử dụng xúc tác vi sinh- enzym mang lại hiệu quả cao hiện nay như :
Quá trình lên men rượu tạo ra ancol etylic.

Quá trình lên men butyric tạo ra axit butyric



Quá trình lên men lactic tạo sản phẩm là axit lactic - thành phần của sữa chua.



Từ những năm 1970, một số nghiên cứu đã dùng men glucodaza nhằm thúc đẩy
quá trình oxi hoá glucozơ tạo axit gluconic chọn lọc hơn [39].






Từ đó, xu hướng sử dụng xúc tác enzym cho quá trình oxi hoá này v
ẫn tiếp tục
được phát triển đến nay với nhiều chủng enzym ngày càng hoàn thiện hơn.
Sự oxi hoá glucozơ tạo axit gluconic bởi nấm sợi ( filamenous fungi) sử dụng chất
xúc tác là enzym Glucozơ oxidaza (E.C.1.1.3.4). Enzym này là một Flavo-protein,
lần đầu tiên được Muler tách chiết từ nước trái cây ép sử dụng men Penicillium
C
6
H
12
O
6
2 C
2

H
5
OH + CO
2
enzym
Axit butyric
enzym
C
6
H
12
O
6
CH
3
-CH
2
-CH
2
-COOH + 2CO
2
+ 2H
2
C
6
H
12
O
6
Lactobacillus bacteria

2 CH
3
-CHOH-COOH
Axit lactic
H
C
O
C
C
C
C
C
OH
HH
OHH
HOH
HOH
HOH
HO
C
O
C
C
C
C
C
OH
HH
OHH
HOH

HOH
HOH
Glucodaza
glaucum. Quá trình này đã được phát triển thành quy trình công nghệ oxi hóa sinh
học sản xuất axit gluconic lớn nhất hiện nay – Quy trình Aspergillus Niger cung
cấp hơn 60% lượng axit gluconic. (Hình 4 )
Trong quy trình này, enzym này được đưa vào dung dịch có nồng độ D-glucozơ
cao, môi trường pH khoảng 5.5, nhiệt độ 45
0
C và điều kiện phản ứng dư oxi. Ở
điều kiện này, enzym Glucozơ oxidaza hoạt động tốt và cho hiệu suất của quá trình
khoảng 45% với sự chọn lọc 100% axit gluconic. Tuy nhiên, khi nhiệt độ phản ứng
lên trên 50
0
C, enzym mất hoạt tính xúc tác nhanh chóng. Mặt khác, quá trình sản
xuất axit gluconic theo con đường này luôn tạo ra sản phẩm phụ là hydroperoxit
H
2
O
2
, chính là chất kìm hãm hoạt tính của enzym [106].


Hình 4: Quy trình Aspergillus Niger sản xuất axit gluconic

Quá trình sản xuất axit gluconic sử dụng enzym gluco-oxidaza như đã trình bày ở
trên có ưu điểm là tăng đáng kể hiệu suất và độ chọn lọc sản phẩm axit gluconic so
với các phương pháp oxi hoá cổ điển bởi các tác nhân hoá chất khác [41]. Tuy
nhiên, quy trình công nghệ sản xuất này đặt ra một loạt các vấn đề không nhỏ cho
các nhà công nghệ hoá học là điều khiển qúa trình phản ứng và tách lo

ại hoàn toàn
enzym khỏi các sản phẩm sau phản ứng bởi enzym còn dư lẫn trong sản phẩm khi
đưa vào cơ thể có khả năng gây ra các biến đổi sinh học trong tế bào.
Để điều khiển được quá trình phản ứng phải tuân thủ một cách nghiêm ngặt các
điều kiện nhiệt độ, pH và phải sử dụng các chủng enzym đặc hiệu. Trong khi đó, để
tách enzym khỏi sản phẩm một cách thuận lợi thì enzym phả
i được cố định ổn định
trên các chất nền thích hợp [105].
Hiện nay, sự cố định các enzym trên các chất nền polyme là một lĩnh vực
đang phát triển. Ý tưởng này là sự dị thể hoá xúc tác đồng thể nhằm kết hợp các ưu
điểm của xúc tác đồng thể và dị thể. Các xúc tác đồng thể thì thuận lợi cho thực
hiện phản ứng nhưng lại khó tách sản phẩm và khôi phụ
c xúc tác. Khi các enzym
được “neo” trên các chất nền thì chúng hoạt động tốt và tách sản phẩm dễ dàng.
Thực tế đã có những nghiên cứu gần đây sử dụng các màng polime như
poly[bis(aryloxy)phosphazen] để cố định các enzym. Việc cố định enzym trên các
màng này khiến việc phân tách các sản phẩm khỏi enzym dễ dàng hơn. Nếu việc cố
định enzym này được thực hiện trong một chất trung gian có mao quản như
alumina silica, thì các chất phản ứng sẽ tiếp xúc v
ới enzym lâu hơn. Ví dụ như một
màng mỏng polyphosphazen được ngưng tụ trên bề mặt của alumina silica độ xốp
cao. Các nhóm phenoxy của polyphosphazen được nitrat hoá bằng axit nitric đặc,
bị khử bởi natri thiosunfat (Na
2
S
2
O
3
), và enzym sau đó được ghép đôi với glutaric
điandehit CHO(CH

2
)
4
CHO. Cặp ghép đôi này được ngưng tụ với cả amin của
polyme và amin trên enzym. Enzym trypsin và glucozơ 6-photphat dehydrogenaza
được cố định theo kiểu này.
Trong những năm cuối của thế kỷ 20, việc phát minh ra vật liệu mao quản
trung bình M41S (1992) và SBA-15 (1998) là một bước ngoặt trong lĩnh vực vật
liệu xúc tác. Các vật liệu này có diện tích bề mặt riêng lớn, kích thước mao quản >
20Å được sử dụng làm chất nền để phân tán hoặc thế đồng hình các c
ấu tử hoạt
động. Những nghiên cứu gần đây thấy rằng sự thích hợp về mặt kích thước của
mao quản vật liệu và kích thước enzym dẫn đến khả năng sử dụng vật liệu mao
quản trung bình để cố định các enzym nhằm tạo ra các hệ xúc tác dị thể gần đồng
thể áp dụng cho nhiều quá trình hoá học, đặc biệt là trong tổng hợp chọn lọc lập
thể. Về sự tương đồng kích thước, MCM-41 có thể “neo” các enzyme như
Cytochrome –aza, Lipase, Trypsinaza trong khi SBA-15 thích hợp để cố định các
enzyme kích thước lớn hơn như Penicillin Acylase, Chloroperoxidase,
Horseradishperoxidase [Hình 5].
Hình 5: Kích thước mao quản của vật liệu và khả năng cố
định các enzym

Hiện nay, trên thế giới đã có các thông báo về việc thử nghiệm ở quy mô pilot
Công nghệ ôxy hóa glucozơ bằng xúc tác enzym được cố định trên màng thẩm
thấu DOWEX (MBR, Hãng Millipore) [35].

1.2.3.Phản ứng oxi hóa D-glucozơ với xúc tác dị thể
Song song với công nghệ enzym, thế giới đang hướng đến công nghệ sử dụng xúc
tác dị thể. Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu nhằm tìm kiếm phương pháp chế tạo
các xúc tác có độ chọn lọc cao và bền hoạt tính cho quá trình oxi hóa glucozơ với
tác nhân oxi không khí nhưng vẫn chưa thu được nhiều kết quả như mong muốn.

Hình 6: Sự oxi hoá ở các vị trí khác nhau trong quá trình
chuy
ển hoá glucozơ

Vị trí C oxi hoá, sự định hướng các sản phẩm và các quá trình oxi hoá thứ cấp phụ
thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất - hoạt tính của xúc tác, điều kiện phản ứng nhiệt
độ, môi trường pH của dung dịch phản ứng. Trong đó, bản chất xúc tác giữ vai trò
quyết định đến sự định hướng sản phẩm, độ chọn lọc và hiệu suất của quá trình oxi
hoá glucoz
ơ (Hình 6,7,8).

Hình 7. Các hướng chuyển hoá glucozơ

Thậm chí trong những điều kiện và xúc tác đặc biệt, quá trình chuyển hoá D-
glucozơ còn đồng thời cho cả sản phẩm khử hoá là sorbitol và sản phẩm oxi hoá là
axit gluconic (Phản ứng Cannizaro)




Hình 8. Chuyển hoá glucozơ theo phản ứng Cannizaro

1.2.4.Xúc tác dị thể trên cơ sở các kim loại chuyển tiếp
Hiện nay, các kim loại được sử d
ụng làm xúc tác chỉ giới hạn trong 12
nguyên tố nhóm VIII và nhóm IB trong bảng tuần hoàn. Các kim loại được sử dụng
+
2
rộng rãi nhất là các kim loại thuộc phân lớp 3d như Fe, Co, Ni và Cu; các kim loại
thuộc nhóm 4d như Rh, Pd, Ag, và các kim loại thuộc nhóm 5d như Pt, Ru (4d) và
Ir (5d) chỉ được sử dụng giới hạn trong một số quá trình. Os không được sử dụng
làm xúc tác bởi oxit của nó là một chất độc. Au (5d) được coi là một xúc tác có
hoạt tính rất kém [44].

Hình 9: Các kim loại chuyển tiếp được sử dụng làm
chất xúc tác cho các quá trình công nghiệp

Tính chất xúc tác đ
áng quý của các kim loại nhóm VIII có được do nó chứa tối đa
các obitan hóa trị trống ở phân lớp 3d. Các nguyên tố nhóm IB gồm Cu, Ag và Au
mặc dù đã bị chiếm đầy hóa trị ở phân lớp d nhưng do có thế năng ion hóa thấp,
Cu và Ag dễ dàng mất các điện tử ở phân lớp d để tạo thành các obitan trống trên
phân lớp này. Trong khi đó, Au có thế năng ion hóa cao (Au: 890 kJ/mol; Cu: 745
kJ/mol; Ag: 731 kJ/mol) nên về phương diện tạo thành các liên kết trong phân tử
thì Au kém hơn so với Cu và Ag.
Trên thự
c tế, các xúc tác trên cơ sở kim loại nhóm VIII và IB đã được sử
dụng làm xúc tác cho các quá trình phản ứng khác nhau trong công nghệ hóa học.
Chẳng hạn, Pd là xúc tác hiệu quả cho phản ứng axetoxyl hoá olefin tạo vinylaxetat
và các phản ứng hidro hoá.
Các nghiên cứu mới nhằm tìm ra các quá trình sạch với mục đích hạn chế tối
đa lượng sản phẩm phụ. Hệ xúc tác Pd/chất mang sử dụng chất xúc tiến là các kim
loại nặng như Pb, Bi, đã được thực hiện trong công nghệ sản xuất axit gluconic từ
glucozơ. Tuy nhiên, tính độc của Bi, Pb thường gây e ngại trong việc sử dụng sản
phẩm của quá trình cho thực phẩm và dược phẩm. Hệ xúc tác trên cơ
sở kim loại
quý Pt/C có thêm hợp chất kiềm được sử dụng trong quá trình oxi hóa glucozo cho
sản phẩm axit gluconic và axit lactic với lượng gần tương đương (Hình 10)

HÌnh 10. Quá trình oxi hóa glucozo trên xúc tác Pt/C

Xúc tác trên cơ sở Ag đã được biết đến từ xa xưa, AgNO3/NH3 từ lâu đã được
sử dụng làm tác nhân oxi hóa D-glucozo thành muối gluconat (Hình phản ứng),

C
5
H
11
O
5
CHO + Ag
2
O

→ C
5
H
11
O
5
COOH + 2 Ag↓
Glucozơ Axit gluconic
Quá trình này dùng cho công nghệ tráng bạc, không có ý nghĩa cho việc chế tạo
axit gluconic. Bạc còn được sử dụng để điều trị các bệnh ngoài da. Vào thế kỷ IV
trước Công nguyên, Ag được biết đến là chất có khả năng kháng khuẩn tốt. Bạc có
khả năng diệt vi khuẩn, virus và nấm. Một số thí nghiệm cho thấy Ag giết chết
mầm bệnh chỉ trong vài phút. Trong một thời giàn dài, người ta dùng thuố
c có chứa

Ag để điều trị các bệnh nhiễm trùng trước khi có thuốc kháng sinh. Ngoài ra, bạc
còn được dùng để điều trị bỏng, vết cắt da, loét và vết do côn trùng cắn. Trong dân
gian bạc còn được dùng để cạo gió, trị cảm,
Xúc tác Ag kim loại cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng trong các công
nghệ hiện đại như làm xúc tac cho các phản ứng oxi hóa etilen thành etilen oxit hay
oxi-dehiđro hoá etanol thành axetalđehit. Bạc cũng được hãng BASF sử dụng làm
xúc tác cho phản ứng tổng hợp focmanđehit [50]. Đây cũng là xúc tác có độ chọn
lọc cao phù hợp cho ph
ản ứng oxi hoá chọn lọc etilen để tạo hợp chất epoxi (etilen
oxit) ở pha khí.

1.2.5. Tính chất của xúc tác Au
Vàng được con người biết đến sớm nhất vì vẻ đẹp của nó. Thời Ai Cập cổ
đại, các thầy thuốc đã biết dùng Au để chữa bệnh viêm khớp và các vết loét ở da. Y
học hiện đại cũng dùng Au để chữa trị chứng viêm khớp dạng thấp. Vàng giúp tạo
sự cân b
ằng trong hoạt động của các tế bào thần kinh não, có tác dụng tốt trong
điều trị sự căng thẳng thần kinh, sợ hãi, lo âu, …Vàng cải thiện tuần hoàn máu, hồi
phục chức năng của não và hệ tiêu hóa, tuy nhiên do quá đắt nên không được dùng
rộng rãi. Mặt khác, trong suốt một thời gian dài, vàng được cho là trơ về mặt hóa
học và không có hoạt tính xúc tác. Vì vậy nó là một trong những kim loại được ứng
dụng rất lớn trong các công nghệ
đòi hỏi kỹ thuật cao như mạ các thiết bị điều
khiển tự động, công nghệ điện, điện tử và mới đây là công nghệ tinh vi như thiết bị
cảm biến sinh học ứng dụng trong y sinh. Nguyên nhân có thể là do các nguyên tử
trên bề mặt hạt Au có độ linh động chưa cao và đặc tính về độ âm điện của nó còn
chưa được chú ý nhiều. C
ả hai điều đó xuất phát tử cấu trúc obitan điện tử phân lớp
d đã lấp đầy electron của nguyên tử Au. Những nghiên cứu về bề mặt và các tính
toán về lý thuyết của Haruta đã cho thấy rằng không có sự hấp phụ và phân ly của

H
2
và O
2
trên bề mặt hạt Au nhẵn ở nhiệt độ dưới 473 K. Điều đó cho thấy Au
không có hoạt tính đối với quá trình oxy hóa và hydro hóa. Trên thực tế các xúc tác
vàng mang trên chất mang thông thường như các oxit kim loại có hoạt tính rất kém
so với các xúc tác kim loại nhóm Pt. Tuy nhiên có thể nhận thấy rằng hầu hết các
xúc tác của Au đã biết đều không có sự phân tách cao trên chất mang so với các
kim loại khác. Khi điều chế bằng phương pháp tẩm, các hạt Au thường có kích
thước lớn hơn 30 nm, trong khi đó Pt thường chỉ có kích thước khoảng 5nm.
Nguyên nhân của sự khác nhau này là do nhiệt độ nóng chảy của Au thấp hơn
nhiều so với Pt và Pd (Au: 1336K, Pt: 2042K, Pd:1823K) [87, 96, 100]. Do ảnh
hưởng của hiệu ứ
ng kích thước hạt, nhiệt độ nóng chảy của Au có đường kính dưới
2nm thấp hơn 573 K. Và những hạt vàng kích thước nhỏ này có khuynh hướng co
cụm lại thành tập hợp đám (cluster) dễ dàng hơn nhiều so với các hạt Pd và Pt trong
quá trình làm việc ở nhiệt độ trên 573K. Theo Schwank, hầu hết các xúc tác Au
trên chất mang trước đây đều có chứa các ion Cl
-
hoặc Na, lượng các ion này phụ
thuộc vào hàm lượng Au. Sự có mặt các ion này làm giảm rất nhiều tác dụng xúc
tác của Au [96].
Về mặt xúc tác Au bắt đầu được quan tâm từ những năm đầu của thế kỉ 21
khi phát hiện vàng ở trạng thái nano có tính chất xúc tác vượt trội. Những phát hiện
tính chất xúc tác của Au nano từ những nghiên cứu của Haruta và các cộng sự đã
phát hiện ra rằng trái ngược với tính trơ củ
a kim loại vàng dạng khối, kích thước
lớn, khi Au được tạo thành dưới dạng các hạt hình cầu kích thước nano trên các
chất mang có hoạt tính xúc tác đặc biệt cao đối với phản ứng oxi hóa CO, ngay cả

ở nhiệt độ thấp 179K, tính chất này không thể tìm thấy ở bất cứ kim loại nào khác
cho đến nay. Bởi vậy, nano Au được sử dụng làm xúc tác trong mặt nạ phòng độc
cho công nhân trong hầm lò để tránh ngộ độc CO, với kích thước < 3nm có thể oxi
hóa CO thành CO
2
ngay ở 0
o
C. Sự phát hiện này đã dần dần thu hút được sự chú ý,
quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học trong lĩnh vực xúc tác trên thế giới
trong những năm gần đây. Sự góp mặt của Au kim loại nano trong lĩnh vực xúc tác
trong các nghiên cứu mới nhất đã mở ra hướng đi mới cho khoa học vật liệu xúc
tác. Hệ xúc tác mới này mang lại cho ngành công nghiệp sản xuất xúc tác một diện
mạo mới và hế
t sức quan trọng như đạt độ chọn lọc rất cao, không độc hại đối với
sản phẩm phản ứng cũng như độ bền của xúc tác. Vì thế, các hệ xúc tác dị thể trên
cơ sở Au đang là những xúc tác thích hợp và có hiệu quả cao cho các quá trình
chuyển hoá chọn lọc các hợp chất hữu cơ nói chung và glucozơ nói riêng.
Tinh thể Au ở dạng khối có cấu trúc lập phương tâm diện (fcc), hằng số tế bào
mạng nhỏ hơn so với Ag cùng nhóm. Kim loại Au có khả năng dát mỏng tuyệt v
ời,
1g vàng có thể dát mỏng thành tấm có diện tích bề mặt 1 m
2
với bề dày nhỏ hơn
đường kính của 250 nguyên tử, hay kéo thành sợi dài 165 m với đường kính nhỏ
hơn 20 µm. Ở trạng thái cấu trúc tinh thể khối, Au thể hiện tính chất đặc trưng của
kim loại do cấu hình electron 4f
14
5d
10
6s

1
.
Tuy nhiên, khi tồn tại ở kích thước hạt rất nhỏ- kích thước nano, tính chất của các
phần tử vàng kim loại có sự thay đổi mạnh mẽ. Kích thước hạt vàng càng nhỏ thì
bản chất kim loại của nó càng biến đổi mạnh. Các hạt vàng có kích thước trong
khoảng 1 nm tương ứng với sự gói ghém của 30 nguyên tử, kích thước ~2 nm
tương ứng với khoảng 250 nguyên tử, 3 nm tương ứng với khoảng 800 nguyên tử
vàng [42]. Kích thướ
c hạt vàng càng nhỏ, số tâm xúc tác sẽ càng lớn, do đó, hoạt
tính xúc tác trở nên mạnh hơn rất nhiều so với các hạt có kích thước lớn. Trong
phản ứng oxi hoá CO ở nhiệt độ thấp, cấu trúc icosahedron tương ứng với cụm
cluster Au
13
sẽ có hoạt tính mạnh hơn so với cấu trúc cubo-octohedron tương ứng
với cụm Au
n
với n = 140 – 310 [42].






Mô hình quá trình hóa học xanh với xúc tác nano Au

Sự phát triển của vật liệu có kích thước nano và nano Au với những tính chất ưu
việt đã tạo nên những bước nhảy vọt trong sự phát triển của khoa học công nghệ,
góp phần thay đổi các quá trình công nghệ đặc biệt là quá trình xúc tác xanh, hóa
học xanh. Phản ứng diễn ra ở nhiệt độ thấp, dung môi là nước, chất oxi hóa là oxi
không khí, sản phẩm chọn lọc, tránh phản ứng phụ

, không sinh ra những chất độc
hại (Mô hình …). Đặc biệt trong hóa lập thể, phản ứng diễn ra không làm thay đổi
cấu hình tức là không quay cấu hình của đồng phân quang học hoặc không bị
raxemic hóa. Điều này rất quan trọng trong tổng hợp hóa dược và các chất có hoạt
tính sinh học. Nhiều công trình nghiên cứu về hoạt tính xúc tác của kim loại nano
Au phân tán trên chất nền C hoạt tính, áp dụng cho các quá trình khác nhau như:
oxi hoá ankan, anken, rượu đều cho thấy phản ứng x
ảy ra với tốc độ nhanh, độ
chọn lọc cao [50,61]. Quá trình oxi hóa glucozo phổ biến trên thế giới hiện nay
được thực hiện theo phương pháp Ôxy hóa dòng bán liên tục được thể hiện trên
dây truyền thiết bị công nghệ CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) của
hãng Cole-Parmer Instruments Company (USA). Theo quy trình công nghệ
này, phản ứng ôxy hóa glucozơ được thực hiện với xúc tác dị thể nano Au trên
nền chất mang nhôm oxít hoạt hóa Al
2
O
3
.

1.2.6.Các loại vật liệu nền để cố định xúc tác nano
Công nghệ nano là quá trình tổng hợp và kiểm soát các vật liệu ở kích thước
phần tỉ mét (10
-9
m). Một trong những khó khăn của vật liệu nano khi làm xúc tác là
sự không thuận lợi về nhiệt động học. Xu thế co cụm thành các hạt lớn rất dễ
xảy ra và vật liệu không có hoạt tính xúc tác. Vì vậy điều quan trọng là phải
"neo" hoặc "nhốt" các hạt nano này bằng các chất mang có hiệu ứng mao quản
hoặc có các hốc, rãnh, có bề mặt riêng lớn để cố định hạt nano tránh sự co cụm l
ớn
lên của hạt. Xúc tác nano Au, Ag phân tán bền vững và cố định trên chất mang là

xúc tác được quan tâm hiện nay. Đặc tính quan trọng của xúc tác vàng dạng hạt
nano, hoạt động trong một khoảng pH rộng (từ môi trường axit đến kiềm).
Nhiều vật liệu mang để "neo" nano đã được nghiên cứu là vật liệu cấu trúc
mao quản nano cacbon, mao quản nano silic làm pha nền mang các hạt nano Au.
Các công trình nghiên cứu cơ bản là chế tạo hệ xúc tác nano Au / chất mang Silic là
vật liệu c
ấu trúc mao quản trung bình trật tự(VLMQTB) như MCM-41, với kích
thước mao quản 4nm(sử dụng template là xetyl trimetyl amonibromua CTAB),
SBA-15 kích thước mao quản khoảng 10 nm (sử dụng template hữu cơ là P123
(EO)
20
(PO)
70
(EO)
20
trong đó (EO) là etilen oxit và (PO) là propylen oxit) đã và
đang được nghiên cứu nhằm "neo" nano Au, Ag vào trong mao quản, cố định nano
Au, Ag bảo vệ hạt nano trong quá trình phản ứng không bị co cụm. Các VLMQTB
này đều được phát minh từ những năm cuối của thế kỷ 20, việc chế tạo các hệ vật
liệu này sử dụng các templat đặc hiệu, rất đắt tiền, ứng dụng công nghệ là không
kinh tế.