Đồ án tốt nghiệp NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG PHÂN HỦY SINH HỌC CỦA POLYME TỪ TINH BỘT SẮN LÀM MÀNG PHỦ SINH HỌC

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG PHÂN
HỦY SINH HỌC CỦA POLYME TỪ TINH BỘT SẮN LÀM MÀNG
PHỦ SINH HỌC

Họ và tên sinh viên: Lê Thanh Tùng
Lớp: CNKTHH

Khóa: 05

Khoa: TP&HH
Giảng viên hướng dẫn: Th.S Dương Thị Thanh

Năm 2018


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong đồ án tốt nghiệp này là các
kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi với sự hướng dẫn của Th.S
Dương Thị Thanh, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu nào của các
tác giả khác.
Nội dung nghiên cứu có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các
nguồn tài liệu đã được liệt kê trong danh mục các tài liệu tham khảo.

Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.

SINH VIÊN THỰC HIỆN
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Thanh Tùng

GV hướng dẫn: Ths. Dương Thị Thanh

SV thực hiện: Lê Thanh Tùng


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô giáo ThS. Dương Thị
Thanh, người đã dành rất nhiều thời gian, tâm sức, nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo và
giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện hoàn thành đồ án này.
Em cũng xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn chân thành đến các thầy, cô giáo
trong khoa Thực Phẩm và Hóa Học, BGH nhà trường, những người đã truyền đạt,
cung cấp kiến thức và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em học tập trong suốt 4 năm học
vừa qua.
Do hạn chế về thời gian, điều kiện cũng như trình độ hiểu biết nên đề tài nghiên
cứu này chắc không tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được sử chỉ bảo, đóng góp
của các thầy, các cô để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hài Dương, ngày ... tháng ... năm 2018
Sinh viên

Lê Thanh Tùng

GV hướng dẫn: Ths. Dương Thị Thanh

SV thực hiện: Lê Thanh Tùng


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài:...................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu...............................................................................................2
3. Phạm vi nghiên cứu................................................................................................2
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN...................................................................................3
1.1. Polyme phân hủy sinh học...................................................................................3
1.1.1. Polyme..........................................................................................................3
1.1.2. Polyme có khả năng tự phân hủy, phân hủy sinh học....................................3
1.1.3. Những yếu tố quyết định tới sự phân hủy sinh học polymer.........................3
1.1.4. Tác nhân gây phân hủy sinh học...................................................................4
1.1.5. Môi trường cho quá trình phân hủy sinh học.................................................6
1.1.6. Các quá trình phân hủy polyme.....................................................................7
1.1.7. Một số polyme tự nhiên phân hủy sinh học...................................................8
1.1.8. Phương pháp xác định khả năng phân hủy của polymer sinh học...............10
1.1.9. Dung môi và phụ gia trong quá trình sản xuất polymer sinh học.................11
1.1.10. Ứng dụng polymer phân hủy sinh học.......................................................12
1.2. Tinh Bột Sắn......................................................................................................14
1.2.1. Cấu tạo củ sắn.............................................................................................14

1.2.2. Những ứng dụng của tinh bột sắn trong tinh bôt thực phẩm và ngành công
nghiệp khác...........................................................................................................16
1.2.3. Thành phần hóa học của tinh bột.................................................................16
1.2.4. Một số tính chất chức năng của tinh bột......................................................18
1.2.5. Tính chất vật lý của tinh bột........................................................................19
1.3. Lịch sử nghiên cứu trong và ngoài nước............................................................20
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới..............................................................20
1.3.2. Nghiên cứu ở Việt Nam...............................................................................20
CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...........22
2.1. Vật liệu nghiên cứu............................................................................................22
2.1.1. Tinh bột sắn.................................................................................................22
2.1.2. Nhựa PVA...................................................................................................23
2.1.3. Hóa chất Glycerol.......................................................................................23
GV hướng dẫn: Ths. Dương Thị Thanh

SV thực hiện: Lê Thanh Tùng


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

2.1.4. Nhựa thông..................................................................................................24
2.2. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất thí nghiệm...........................................................24
2.3. Nội dung nghiên cứu.........................................................................................24
2.4. Phương pháp nghiên cứu...................................................................................25
2.4.1. Nghiên cứu tài liệu......................................................................................25
2.4.2. Phương pháp thực nghiệm...........................................................................25
2.5. Bố trí thí nghiệm................................................................................................26
2.5.1. Quy trình sản xuất dự kiến..........................................................................26

2.5.2. Khảo sát tỷ lệ nhựa PVA /Glycerol..............................................................27
2.5.3. Khảo sát tỷ lệ giữa Tinh Bột Sắn và nhựa PVA...........................................29
2.5.4. Khảo sát ảnh hưởng khi cho phụ gia Nhựa thông........................................31
2.6. Khảo sát khả năng phân hủy của polymer sinh học từ tinh bột sắn....................33
2.6.1. Phương pháp đo độ hấp thụ nước của vật liệu.............................................33
2.6.2. Phương pháp xác định độ tổn hao khối lượng trong các môi trường...........33
2.6.3. Khảo sát phân hủy trong các môi trường.....................................................34
2.7. Phương pháp đánh giá cảm quan sản phẩm (theo TCVN 3215-79):..................39
2.8. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm............................................................42
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...............................................................43
3.1. Kết quả khảo sát tỷ lệ nhựa PVA hòa tan hết trong Glycerol.............................43
3.2. Kết quả khảo sát tỷ lệ giữa Tinh bột sắn và nhựa PVA thích hợp......................45
3.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng khi cho phụ gia Nhựa thông.................................48
3.4. Kết quả khả năng phân hủy của polymer sinh học từ tinh bột sắn.....................50
3.5. Đề xuất quy trình công nghệ..............................................................................58
KÊT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ..............................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................61

GV hướng dẫn: Ths. Dương Thị Thanh

SV thực hiện: Lê Thanh Tùng


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Nhiệt độ hồ hóa của một số loại tinh bột.....................................................19
Bảng 2.1. Các chỉ tiêu chất lượng của tinh bột sắn......................................................22

Bảng2.2. Bố trí thí nghiệm tìm hàm lượng dung môi Glycerol tối ưu.........................28
Bảng 2.3. Bố trí thí nghiệm tìm tỷ lệ Tinh bột sắn và nhựa PVA tối ưu.......................30
Bảng 2.4.Bố trí thí nghiệm tìm hàm lượng Nhựa thông tối ưu.....................................32
Bảng 2.5. Bố trí thí nghiệm phân hủy polymer từ Tinh bột sắn trong môi trường không
khí, đất ẩm, rác thải và pH...........................................................................................34
Bảng 2.6. Thành viên đánh giá cảm quan....................................................................39
Bảng 2.7. Bảng phân cấp chất lượng...........................................................................39
Bảng 2.8. Bảng các hệ số quan trọng cho các chỉ tiêu.................................................40
Bảng 2.9.Thang điểm cảm quan sản phẩm polymer từ tinh bột sắn và Cách đánh giá chất lượng
cảm quan....................................................................................................................... 41
Bảng 2.10. Phiếu đánh giá cảm quan...........................................................................42
Bảng 3.1. Đánh giá cảm quan đối với các tỷ lệ nhựa PVA hòa tan trong Glycerol......43
Bảng 3.2. Bảng điểm đánh giá chất lượng cảm quan tỷ lệ nhựa PVA/Glycerol...........44
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát các tỷ lệ Tinh bốt sắn/nhựa PVA......................................46
Bảng 3.4. Kết quả độ tổn hao khối lượng các mẫu tỷ lệ TBS/PVA trong không khí....47
Bảng 3.5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng khi cho Nhựa thông........................................49
Bảng 3.6. Kết quả khảo sát phân hủy polymer từ tinh bột sắn trong không khí...........51
Bảng 3.7. Kết quả khảo sát phân hủy polymer từ tinh bột sắn trong đất ẩm................52
Bảng 3.8. Kết quả khảo sát phân hủy polymer từ tinh bột sắn trongmôi trường rác thải..........54
Bảng 3.9. Kết quả khảo sát phân hủy polymer từ tinh bột sắn trongmôi trường pH....56
Bảng 3.10. Bảng điểm đánh giá cảm quan khả năng phân hủy trong các môi trường.........57
Bảng 3.11. Bảng tính giá thành sản phẩm polymer từ tinh bột sắn..............................59

GV hướng dẫn: Ths. Dương Thị Thanh

SV thực hiện: Lê Thanh Tùng


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân của polyme.......................................7
Hình 1.2. Công thức cấu tạo của Chitin và Chitosan..................................................................9
Hình 1.3. Công thức cấu tạo của Xenlulozơ...............................................................................9
Hình 1.4. Công thức cấu tạo của PVA......................................................................................10
Hình 1.12. Cấu trúc hóa học của (A) PVA và (B)Glycerol.......................................................11
Hình 1.5. Ứng dụng polymer trong nống nghiệp......................................................................13
Hình 1.6. Ứng dụng polymer trong Công nghiệp.....................................................................14
Hình 1.8. Những sản phẩm từ sắn củ........................................................................................15
Hình 1.9. Hình dạng của tinh bột sắn qua kính hiển vi.............................................................16
Hình 1.10. Công thức cấu tạo của tinh bột...............................................................................17
Hình 1.11. Công thức cấu tạo của amilozơ và amilopectin......................................................18
Hình 1.13. Sơ đồ chế tạo polymer blend LDPE-TB có chất trợ tương hợp: EAA,PCL...........21
Hình 2.1. Tinh bột sắn nhà máy Phúc Thịnh.............................................................................22
Hình 2.2. Nhựa PVA -205 Nhật Bản.........................................................................................23
Hình 2.3. Glycerol.....................................................................................................................23
Hình 2.4. Nhựa thông................................................................................................................24
Hình 2.5. Sơ đồ quy trình chế tạo polymer phân hủy sinh học từ Tinh bột sắn........................26
Hình 2.6. Sơ đồ quy trình khảo sát tỷ lệ nhựa PVA hòa tan hết trong Glycerol.......................27
Hình 2.7. Sơ đồ quy trình thí nghiệm khảo sát tỷ lệ giữa Tinh Bột Sắn và nhựa PVA.............29
Hình 2.8. Sơ đồ quy trình chế tạo polymer phân hủy sinh học từ Tinh bột sắn có bổ sung nhựa
thông.........................................................................................................................................31
Hình 2.9. Sơ đồ quy trình phân hủy polymer từ Tinh bột sắn trong môi trường......................35
không khí..................................................................................................................................35
Hình 2.10. Sơ đồ quy trình phân hủy polymer từ Tinh bột sắn trong môi trường đất ẩm........36
Hình 2.11. Sơ đồ quy trình phân hủy polymer từ Tinh bột sắn trong môi trường rác thải.......37
Hình 2.12. Sơ đồ quy trình phân hủy polymer từ Tinh bột sắn trong môi trường pH..............38
Hình 3.1. Kết quả thí nghiệm kháo sát tỷ lệ nhựa PVA hòa tan hết trong Glycerol.................45

Hình 3.2. Biểu đồ biểu diễn sự hấp thụ nước của sản phẩmpolymer từ TBS/PVA..................46
Hình 3.3. Kết quả khảo sát tỷ lệ giữa Tinh bột sắn và nhựa PVA.............................................48
Hình 3.4. Biểu đồ biểu diễn sự hấp thụ nước của polymer từ tinh bột sắnbổ sung nhựa thông
...................................................................................................................................................49
Hình 3.5. Kết quả khảo sát ảnh hưởng khi cho phụ gia Nhựa thông........................................50
Hình 3.6. Biểu đồ biểu diễn độ tổn hao khối lượng của polymer từ tinh bột sắn trong không
khí.............................................................................................................................................51
Hình 3.7. Kết quả phân hủy polymer từ tinh bột sắn trong môi trường không khí..................52
Hình 3.8. Biểu đồ biểu diễn độ tổn hao khối lượng của polymer từ tinh bột sắn trong môi
trường đất ẩm............................................................................................................................53
Hình 3.9. Kết quả phân hủy polymer từ tinh bột sắn trong môi trường đất ẩm........................54
Hình 3.10. Kết quả phân hủy polymer từ tinh bột sắn trong môi trường rác thải.....................55
Hình 3.11. Kết quả phân hủy polymer từ tinh bột sắn trong môi trường pH............................57
Hình 3.12. Sơ đồ quy trình sản xuất polymer phân hủy sinh học từ tinh bột sắn.....................58

GV hướng dẫn: Ths. Dương Thị Thanh

SV thực hiện: Lê Thanh Tùng


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Giải thích

TBS

Tinh bột sắn

PVA

Polyvinylancol

PHSH

Phân hủy sinh học

KLPT

Khối lượng phân tử

VK

Vi khuẩn

VSV

Vi sinh vật

NT

Nhựa thông

G

Gram

ml

Mililit

GV hướng dẫn: Ths. Dương Thị Thanh

SV thực hiện: Lê Thanh Tùng


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài:
Vật liệu polyme thiên nhiên vốn có sẵn trong cơ thể người và sinh vật đã được
loài người khai thác sử dụng từ xa xưa để phục vụ cho cuộc sống của mình.Vật liệu
polymer tổng hợp thì mãi tới cuối thế kỷ 19 mới được phát hiện và dần phát triển
mạnh mẽ từ thế kỷ 20. Do những ưu điểm đặc biệt của nó cả về các tính năng cơ lý, kỹ
thuật và giá thành, loại vật liệu này đã nhanh chóng có mặt ở khắp các lĩnh vực kinh
thế, kỹ thuật, từ các vật dụng phục vụ cho cuộc sống hàng ngày cho con người.
Chính vì thế đã xuất hiện các loại sản phẩm, vật dụng từ polymer dẫn tới sự tồn
tại khá lớn phế liệu, chất thải sau sử dụng. Ước tính 20 đến 30 triệu tấn/năm (toàn Thế
Giới). Những vật liệu này sau khi đã được sử dụng, bị thải ra môi trường ở dạng rác,
thường bị chôn vùi trong đất, rất khó phân hủy. Chúng tồn tại trong đất đến vài chục
năm, có loại đến hàng trăm năm và rất khó phân hủy. Chúng tồn tại trong đất một mặt
làm giảm độ phì nhiêu của đất, một mặt gây ô nhiễm nặng nề cho nguồn nước và đất.
Vì vậy trong những năm gần đây, các nhà khoa học trên thế giới đã tập trung
nghiên cứu điều chế và ứng dụng vật liệu polyme dễ phân hủy khi thải ra môi trường,

nhằm mục đích ngăn ngừa sự ô nhiễm môi trường. Polyme dễ phân hủy được dùng
chủ yếu để sản xuất các vật dụng như: bao bì, túi đựng, màng mỏng che phủ đất, bầu
ươm cây giống...các vật dụng này sau khi không sử dụng sẽ bị phân hủy không gây ô
nhiễm môi trường sống. Polyme dễ phân hủy cũng được dùng trong lĩnh vực bảo quản
thực phẩm kể cả ở điều kiện tự nhiên cũng như làm lớp bao phủ thực phẩm bảo quản ở
nhiệt độ thấp (trong tủ lạnh). Ngoài ra polyme dễ phân hủy do môi trường còn được sử
dụng trong một số lĩnh vực khác như y tế (chất mang thuốc).
Để tạo nên các vật liệu polyme tự phân hủy, người ta có thể tổng hợp các polyme
mới hoặc tổ hợp các polyme có sẵn (trong đó phải có một polyme phân hủy nhanh).
Với điều kiện nước ta hiện nay, trong số các polyme dễ phân hủy sẵn có, được sử dụng
nhiều nhất là tinh bột (Sắn, ngô, khoai...). Polyme tinh bột có ưu điểm là nhanh chóng
bị vi sinh vật phân hủy. Tuy nhiên, màng mỏng làm từ chúng nếu không có các phụ
liệu khác, sẽ rất giòn và kém chịu nước. Vì lẽ đó, cần tổ hợp nó với các vật liệu khác
để tạo ra loại màng có đầy đủ các tính năng.
Tinh bột là chất độn chính sản xuất polymer phân hủy. Khi chôn xuống đất, các
vi sinh vật sẽ ăn hết phần tinh bột, tạo thành lỗ thủng trên màng khiến chúng dễ bị
phân hủy, đồng thời các nguyên tố kim loại hiếm trong đất giúp tạo thành các phức,
xúc tiến quá trình phân hủy màng polyme nhanh hơn.
Tinh bột sắn được sản xuất từ củ sắn là một trong những loại cây lương thực và
công nghiệp. Cây sắn đã có những thay đổi vì lợi ích và giá trị mà nó mang lại cho các
ngành công nghiệp chế biến như: sản xuất tinh bột (85%), thức ăn gia súc, đường, bột
ngọt, nhiên liệu sinh học… Việt Nam đứng thứ mười về sản lượng sắn (7,71 triệu tấn)
trên thế giới. Tại Việt Nam, sắn được canh tác phổ biến ở hầu hết các tỉnh vùng sinh
GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

9

SV thực hiện: Lê Thanh

Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

thái. Diện tích sắn trồng nhiều nhất ở Đông Nam Bộ và Tây Nguyên. Năm 2014, diện
tích trồng sắn toàn quốc đạt 551,30 ngàn ha, năng suất củ tươi bình quân 18,55 tấn/ ha,
sản lượng 10,2 triệu tấn.
Với mong muốn bước đầu có thể tạo ra một loại polyme dễ phân hủy sinh học đi
từ tinh bột sắn – một loại tinh bột có sẵn, khá rẻ và dễ dàng phân hủy trong điều kiện
tự nhiên. Polyme tạo ra có thể ứng dụng trong sản xuất, có khả năng tự phân hủy trong
môi trường góp phần làm giảm ô nhiễm là mục tiêu nghiên cứu của đề tài: “Nghiên
cứu, chế tạo và thử nghiệm khả năng phân hủy sinh học của polymer từ tinh bột
sắn làm màng phủ sinh học”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Chế tạo và thử nghiệm khả năng phân hủy sinh học của polymer từ tinh
bột sắn.
- Khảo sát các đặc tính cơ lý của polymer sản xuất từ tinh bột.
- Khảo sát khả năng phân hủy sinh học trong các điều kiện môi trường
khác nhau.
3. Phạm vi nghiên cứu
- Thời gian nghiên cứu từ ngày 01/03/2018 đến 18/05/2018
- Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm tại phòng thí nghiệm khoa Thực Phẩm và
Hóa Học Trường Đại Học Sao Đỏ.

GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

10

SV thực hiện: Lê Thanh


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN

1.1. Polyme phân hủy sinh học.
1.1.1. Polyme
Polyme là những chất có khối lượng phân tử lớn, có kích thước cồng kềnh nhưng
cấu trúc phải được lặp đi lặp lại của những đơn vị cấu trúc ban đầu (monome). Các
thành phần lặp đi lặp lại gọi là các mắt xích của polyme.
Danh từ polymer dùng cho những hợp chất có khối lượng phân tử lớn của mạch
phân tử, bởi vì những phân tử có khối lượng phân tử lớn, có cấu trúc phức tạp không
phải do lặp đi lặp lại những đơn vị cấu tạo monomer không được gọi là polymer.
1.1.2. Polyme có khả năng tự phân hủy, phân hủy sinh học.
Polyme tự huỷ (polyme phân huỷ sinh học) là một polyme được chuyển đổi hoàn
toàn thành khí cacbondioxit, nước, khoáng vô cơ và sinh khối do vi sinh vật hoặc trong
trường hợp giảm cấp sinh học yếm khí thì polyme sẽ chuyển đổi thành khí
cacbondioxit, metan và mùn mà không tạo ra chất độc hại cho môi trường.
Theo quan niệm chung, polymer có khả năng tự phân hủy bao hàm tất cả các loại
vật liệu polymer do những tác động của các yếu tố như nhiệt độ, ánh sang hay vi
khuẩn trong môi trường sau một thời gian nhất định bị phá vỡ cấu trúc đại phân tử
thành các hợp chất có khối lượng phân tử thấp hơn và cuối cùng thành khí cacbonic và
nước. Quá trình phân hủy có thể xảy ra cả trong môi trường tự nhiên và cả trong môi
trường cơ thể sống của con người. Để có thể ứng dụng được trong thực tế, các loại
polymer có khả năng tự phân hủy phải thỏa mãn những yêu cầu nhất định. [1]
Polyme được gọi là polyme phân hủy sinh học khi chúng thỏa mãn các yêu cầu
sau đây:

- Giữ nguyên được cấu trúc và tính chất giống như các polyme thông thường
trong thời gian sử dụng.
- Sau khi đã qua sử dụng, polyme bị phân hủy thành các chất có KLPT thấp dưới
tác động của các chất sinh lý, hóa tồn tại trong tự nhiên.
- Sản phẩm cuối cùng chuyển sang dạng CO2 và H2O
Mức độ phân hủy của vật liệu: Tùy theo điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,... mà
mức độ phân hủy có thể đạt từ 70 – 90% trong vòng 3 - 4 tháng hoặc có thể lâu hơn.
1.1.3. Những yếu tố quyết định tới sự phân hủy sinh học polymer.
Vật liệu polymer có thể bị phân hủy do nhiều nhân tố tác động khác nhau như:
Các yếu tố sinh học, các yếu tố hóa học và các yếu tố vật lý.
* Về mặt hóa học:
- Thành phần hóa học của vật liệu
- Cấu trúc nối tiếp trong những polymer
GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

11

SV thực hiện: Lê Thanh


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

- Sự có mặt của các nhóm chứa ion
- Những khuyết tật trên mạch polymer
- Những hợp phần có khối lượng phân tử thấp
- Điều kiện gia công
- Sự tạo hình mẫu

- Quá trình khử trùng
* Về mặt hình thái học:
- Tiền sử của polymer (quá trình gia công, bảo quản,..)
- Cách thức cấy, ghép
- Chất kết dính hoặc hợp chất kết dính
- Sự trao đổi ion, độ mạnh của ion, giá trị pH
- Sự biến đổi hệ số khuếch tán
- Cơ chế thủy phân (H2O, emzim)
a. Ảnh hưởng cấu trúc polymer
Các phân tử polymer gốc tự nhiên như protein, xenlulo và tinh bột nói chung bị
phân hủy trong môi trường sinh vật do bị thủy phân và oxy hóa.
Một polymer đồng thời chứa cả hai nhóm ưa nước và kỵ nước cho thấy khả năng
PHSH mạnh hơn so với những polymer chỉ chứa một loại cấu trúc.
b. Ảnh hưởng của hình thái polymer
Một trong những sự khác biệt cơ bản giữa protein và polymer tổng hợp là dọc
theo các mạch polypeptit, protein không có các mắt xích lặp lại tương tự. Sự thiếu trật
tự này là nguyên nhân làm cho mạch protein kém tạo kết tinh hơn. Rất có thể là tính
chất này làm cho protein dễ bị PHSH.
Mặt khác, các polymer tổng hợp nói chung có mắt xích ngắn và độ trật tự cao đã
làm tăng khả năng kết tinh, làm cho các nhóm có khả năng thủy phân khó tiếp cận với
enzym.
c. Ảnh hưởng của chiếu xạ và xử lý hóa học
Quá trình quang phân polymer bằng tia UV và tia γ tạo ra gốc tự do và ion thông
thường dẫn đến đứt mạch liên kết ngang. Phản ứng oxy hóa cũng xảy ra làm cho tinh
thể phức tạp thêm do bên cạnh ánh sang luôn luôn có mặt của oxy.
d. Ảnh hưởng của khối lượng phân tử polymer
Polyme có khối lượng phân tử càng lớn, càng khó phân hủy.[2]
1.1.4. Tác nhân gây phân hủy sinh học.
a. Vi sinh vật
Có hai loại vi sinh vật gây phân hủy sinh học đáng quan tâm nhất, đó là nấm và

vi khuẩn.
GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

12

SV thực hiện: Lê Thanh


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

* Nấm
Nấm là những vi sinh vật rất quan trọng gây ra sự phân hủy vật liệu. Nấm là loại
cơ thể dạng nhân rỗng không có chất diệp lục, sinh sản vô tính hoặc hữu tính. Phần
lớn chúng có cấu trúc dạng sợi, thành tế bào có dạng của chitin hoặc xenlulozo.
Nấm có mặt ở khắp mọi nơi. Tầm quan trọng của chúng làm nhân tố gây suy
giảm vật liệu là kết quả tác động của enzyme do chúng sản xuất ra. Enzym đã phá vỡ
hợp chất sống (hữu cơ) để cung cấp thức ăn có trong thành phần của polyme. Điều
kiện môi trường nhất định, như độ ẩm cao cũng như sự có mặt của vật liệu cung cấp
thức ăn là rất quan trọng cho sự phát triển tối ưu của nấm.
Nhóm nấm cho mục đích thử nghiệm trong lĩnh vực polyme tự nhiên và chọn để
sử dụng trong quy trình thử nghiệm polyme tổng hợp là thuộc nhóm dị thể, không có
sự giống nhau giữa chúng (ví dụ: dựa theo hình thái). Nhiều loại trong chúng được
chọn đầu tiên vì các lỗ xốp tái sinh của chúng được sản ra bằng vô tính và sự thay đổi
do sự khuếch tán các nguyên tố hữu tính được tối thiểu hóa.
* Vi khuẩn
Sehyzomyceles, một loại vi khuẩn có vai trò quyết định trong mối quan hệ với
nấm, làm suy giảm polyme. Vi khuẩn có thể là tế bào đơn chiếc, khuẩn cầu hoặc

khuẩn sợi xoắn…những loại khác có dạng mạch hoặc dạng sợi tóc. Vi khuẩn có thể là
ưa khí hoặc yếm khí, ngược lại nấm cần thiết phải có không khí. Phần lớn vi khuẩn
không có chất diệp lục. Hoạt động phân hủy của chúng cũng chỉ đơn thuần là sản xuất
ra enzyme, phá hủy các hợp chất không ăn được để tạo ra thức ăn. Chất nền tạo ra sự
điều chỉnh tối ưu tại vùng hoạt hóa vi khuẩn tồn tại trong đất là tác nhân quan trọng
làm suy giảm vật liệu, đặc biệt ảnh hưởng đến tuổi thọ cây bông, sản phẩm gỗ, phân
hủy sợi.
b. Enzym
Enzym thực chất là xúc tác hóa học, khi giảm năng lượng hoạt hóa xuống, chúng
có thể tăng tốc độ phản ứng. Khi có mặt của enzyme, tốc độ phản ứng có thể tăng lên
108 - 1020 lần. Đa phần enzyme là những protein có mạch polypeptit cấu trúc dạng
phức ba chiều. Hoạt động của enzyme liên quan mật thiết với cấu trúc, cấu hình.
Cấu trúc ba chiều của enzym có dạng gấp khúc và dạng túi, tạo ra các vùng trên
bề mặt với cấu trúc bậc một đặc trưng (nghĩa là có đuôi aminoaxit đặc trưng) tạo nên
bề mặt hoạt động. Tại bề mặt hoạt động có sự tương tác giữa enzym và hợp chất nền,
dẫn tới phản ứng hóa học tạo sản phẩm đặc biệt.
Để có được sự hoạt động tối ưu, một enzym cần phải kết hợp với các yếu tố bổ
trợ, ví dụ ion kim loại: Na+, K+ ,…các yếu tố bổ trợ hữu cơ cũng được gọi là coenzyme
và chúng có thể thay đổi về cấu trúc, một số chúng xuất phát từ các B-vitamin khác
nhau (thiamin, biotin…) một số khác là những hợp chất quan trọng trong chu kỳ trao
đổi chất như nicotiamit ademin dinucleotit (NAD*), Adenosin triphotphat (ATP)…một
GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

13

SV thực hiện: Lê Thanh


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

enzym cùng với một đồng tương tác gọi là holoenzym, không có đồng tương tác gọi là
apoenzym.
Sự tiếp xúc ban đầu với enzyme tạo nên khả năng liên kết cực đại enzym – hợp
chất của vật liệu. Thông thường đồng tương tác tạo ra những thay đổi này khi gắn với
enzym.[1]
1.1.5. Môi trường cho quá trình phân hủy sinh học.
a. Chôn ủ
Polyme phân hủy sinh học bằng phương pháp chôn ủ sẽ phân hủy sinh học và
phân rã trong một hệ chôn ủ (thường 12 tuần) ở nhiệt độ cao hơn 30 oC. Phần thu được
phải đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng về hàm lượng kim loại nặng, độ độc sinh thái cà
không nhìn thấy rõ mảnh polyme dư. Polyme chôn ủ là một dạng của polyme phân
hủy.
Hiệp hội tiêu chuẩn thử nghiệm và vật liệu Mỹ (ASTM) định nghĩa nhựa chôn ủ
như sau: “Đó là polyme có khả năng xảy ra phân hủy sinh học ở môi trường ủ như
một phần của chương trình sẵn có, rằng polyme sau đó không thể phân biệt bằng mắt
trần được nữa, phân hủy thành CO2, nước, hợp chất vô cơ và sinh khối với tốc độ phù
hợp với vật liệu ủ ( ví dụ như xenlulozơ ) “.
Vật liệu chôn được chuẩn bị trong phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn, thông
thường dùng loại phân thường. Mẫu đất thường để ở điều kiện chuẩn 4 tuần trước khi
dùng và có thể được bổ sung thêm phân nhằm tăng khả năng hoạt động của vi sinh
vật. Độ bền kéo đứt của chúng có thể giảm 90% trong vòng 10 ngày chôn trong đất.
Hàm lượng ẩm thông thường 20 – 30%. Nên giữ cho đất không quá ướt cũng không
quá khô để duy trì hoạt động tối ưu của vi sinh vật. Mẫu được lấy lên để đánh giá sự
thay đổi tính chất cơ học hoặc sự hư hỏng bề mặt. Sau cùng, các mẫu có thể dùng làm
mồi cho vi sinh vật tham gia vào quá trình phân hủy.
b. Thủy phân - phân hủy sinh học và Quang – phân hủy sinh học
Polyme thủy phân - phân hủy sinh học là những polymer có khả năng tan trong

nước ở giai đoạn đầu, sau đó mới xảy ra hiện tượng phân hủy sinh học. Những loại
polymer này khi tổng hợp, có những nhóm chức một đầu gắn với mạch, còn một đầu
ngấm nước nên dễ bị chương phồng, làm đứt mạch hoặc thay đổi hóa, lý tính, làm cho
vi sinh vật dễ tấn công để phân hủy.
Polyme quang - phân hủy sinh học là loại polymer trong mạch có một cấu tử
hoặc một nhóm cấu tử có khả năng hấp thụ ánh sang. Khi ánh sang truyền qua nhóm
cấu tử này, mạch polymer bị bẻ gãy, tạo tiền đề cho phân hủy sinh học.
Bẻ gãy sinh học: Nhiều loại polymer được thông báo “phân hủy sinh học” nhưng
thực chất là bẻ gãy sinh học hoặc phân hủy không có tác động của vi sinh vật, ít nhất ở
giai đoạn đầu. Người ta cũng nói đây là quá trình gãy vô sinh (lão hóa nhiệt) hoặc bẻ
gãy quang (lão hóa bằng UV). [4]
GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

14

SV thực hiện: Lê Thanh


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

1.1.6. Các quá trình phân hủy polyme.
Đầu tiên polyme sẽ trải qua sự suy thoái hóa học bằng cách thủy phân và oxi hóa
tương ứng. Điều này dẫn đến sự tan rã thể chất của polyme và giảm đáng kể trọng
lượng phân tử của nó. Các chất xúc tác và các chất phụ gia được sử dụng để đẩy mạnh
quá trình phân huỷ. Các chất xúc tác, phụ gia có nhiều loại và được phổ biến rộng rãi
trong thiên nhiên, được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp .
Polyme chuyển đổi thành cacbondioxide, nước và sinh khối. Chúng phân huỷ tạo

ra metan trong điều kiện yếm khí. Chúng có thể được làm từ nguồn tài nguyên nông
nghiệp như: sắn,ngô, lúa mì, mía…
Quá trình phân hủy polyme là một quá trình phức tạp. Trong điều kiện môi
trường, polyme có thể bị tác động bởi một hay đồng thời nhiều quá trình phân hủy
khác nhau.
Yếu tố sinh học

Yếu tố hóa học

Yếu tố lý học/ cơ học

Vi khuẩn, nấm

Quá trình thủy phân

Quá trình thẩm thấu

Động vật

Quá trình oxy hóa

Ánh sáng mặt trời

Điều kiện thời tiết

Sinh vật cấp cao

Quá trình phân hủy
sinh học

Quá trình phân hủy
không sinh học

Sức căng cơ học

Hình 1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân của polyme
Người ta phân quá trình phân hủy polyme ra làm 2 quá trình: Phân hủy sinh học
và không sinh học.
- Phân hủy sinh học: Trong quá trình phân hủy sinh học, vi khuẩn, nấm, sinh vật
cấp cao có vai trò quan trọng. Người ta phân biệt ra phân hủy sinh học trong môi
trường không khí và phân hủy sinh học trong môi trường kị khí. Các vi khuẩn, vi sinh
hấp thụ năng lượng hóa học cho việc duy trì sự sống của các tế bào qua sự phân hủy.
- Phân hủy không sinh học: Quá trình phân hủy không sinh học bị tác động bởi
nhiều yếu tố hóa học như : thủy phân, oxy hóa, yếu tố cơ lý như thời tiết, ánh sáng, sức
căng cơ học .v.v. Đối với polyme, trong các yếu tố đó quá trình oxy hóa và quá trình
phân hủy dưới tác động của tia UV ( thủy phân quang học ) là quan trọng nhất.[5]
GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

15

SV thực hiện: Lê Thanh


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

1.1.7. Một số polyme tự nhiên phân hủy sinh học.
a. Polysacarit

Để ứng dụng chế tạo vật liệu, các polyxacarit chủ yếu là xenlulozơ và tinh bột,
nhưng người ta cũng ngày càng quan tâm nhiều đến các polyme hydrocacbon phức tạp
hơn do các vi khuẩn, nấm, mốc chế tạo, đặc biệt là các polysacarit như xanthan,
pullulan. Những polyme này nói chung chứa từ hai loại mắt xích hydrocacbon trở lên.
Ví dụ, tinh bột là sự phối hợp giữa polyme mạch nhánh và mạch thẳng, nhưng nó chỉ
chứa một loại mắt xích hydrocacbon, đó là glucozơ. Cả hai xenlulozơ và tinh bột đều
cấu tạo từ hàng trăm hoặc hàng ngàn mắt xích glucopyranozit. Trong tinh bột, vòng
glucopyranozit ở dạng α, trong khi đó, ở xenlulozơ các mắt xích ở dạng β.
Do sự khác biệt này mà các enzym xúc tác phản ứng thủy phân axetal trong quá
trình phân hủy sinh học cho từng loại polyxacarit trên là khác nhau và không trao đổi
cho nhau được.
b. Tinh bột
Tinh bột là một loại polyme tạo thành từ cây thực vật, thông dụng nhất là khoai
tây, lúa mì, mạch, lúa, ngô, sắn…Trong tất cả những loại thực vật trên tinh bột đều ở
dạng hạt có kích thước khác nhau và khác nhau không lớn lắm về thành phần, tùy
thuộc vào loại cây. Tinh bột đã được dùng rộng rãi làm nguyên liệu đầu để sản xuất
màng, lý do là các loại nhựa thông thường ngày càng khan hiếm và có giá thành ngày
càng cao.
Màng tinh bột có độ xuyên thấm thấp, do vậy rất hấp dẫn để chế tạo các loại
các loại bao gói thực phẩm. Tinh bột cũng được dùng để chế tạo màng che phủ đất ứng
dụng trong nông nghiệp, vì nó có thể phân hủy thành sản phẩm không độc khi nó tiếp
xúc với đất. Nghiên cứu về tinh bột bao gồm cả nghiên cứu về khả năng hấp thụ nước
của nó, biến tính phân tử bằng phương pháp hóa học, đặc tính của nó lúc khuấy ở nhiệt
độ cao và độ bền của nó đối với biến dạng trượt cơ nhiệt. Tuy tinh bột là một loại
polyme, nhưng độ bền của nó với ứng xuất thì không lớn. Vì vậy, tinh bột có thể phân
tán trong nước nóng và cán thành màng, là nguyên nhân làm cho màng tinh bột bị
giòn.
Trong ứng dụng làm chất dẻo phân hủy sinh học, tinh bột có thể trộn vật lý ở
dạng tự nhiên, giữ nguyên hạt hoặc làm chảy mềm và tạo blend ở mức độ phân tử với
các polyme thích hợp. Ở dạng nào cũng vậy, phần tinh bột trong hỗn hợp đều bị phân

hủy. Polyme phân hủy sinh học trên cơ sở tinh bột có thể có hàm lượng tinh bột từ
10% đến hơn 90%. Các polyme trên cơ sở tinh bột có thể đi từ ngô, khoai, sắn, mì,…
Hàm lượng tinh bột cần lớn hơn 50% trước khi xảy ra phân hủy. Khi hàm lượng tinh
bột tăng lên polyme trở lên dễ phân hủy sinh học hơn và để lại phần dư không tan ít
hơn. Thông thường các polyme trên cơ sở tinh bột được tạo và trộn với các polyme có
tính chất tốt hơn.(ví dụ polyeste mạch no và PVA ), để tạo ra các tính chất tốt cần thiết
cho các ứng dụng khác nhau. [6]
GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

16

SV thực hiện: Lê Thanh


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

c. Chitin và Chitosan
Chitin được tổng hợp chủ yếu từ côn trùng, tôm cua, nấm sợi, là một loại
composit bền vững tạo bộ khung ngoài bảo vệ cho chúng. Chitin khi khử nhóm acetyl
sẽ tạo thành Chitosan. Chitin và Chitosan là 2 loại polyme có đặc tính cơ học phù hợp
để tạo dạng màng và dạng sợi.
Chitin có thể bị chitinaza phân hủy. Sợi chitin đã được dùng để làm da nhân tạo
và chỉ khâu hấp thụ ở dạng tự nhiên không hòa tan nhưng chitosan – dạng axetyl hóa
không hòa tan thì tan trong nước. Vật liệu tương hợp sinh học tốt và có hoạt tính
kháng vi sinh vật và khả năng hấp thụ ion kim loại mạnh. Chúng cũng được ứng dụng
trong công nghiệp mỹ phẩm do tính giữ ẩm tốt.

Hình 1.2. Công thức cấu tạo của Chitin và Chitosan
d. Xenlulozơ
Xenlulozơ lần đầu tiên được tách ra nó khác với các polyxacarit thực vật khác ở
chỗ KLPT rất lớn và có một mắc xích xenlobiozo. Xenlulozơ ở dạng tinh thể, từ các
thành phần của tế bào, xenlulozơ được tách ra dạng vi sợi bằng phương pháp chiết hóa
học. Trong tất cả các dạng thì xenlulozơ có độ kết tinh cao, khối lượng phân tử lớn,
không nóng chảy, không tan trong phần lớn các dung môi thông thường. Do tính
không nóng chảy và không tan của chúng, thường người ta chuyển xenlulozơ thành
những dẫn xuất dễ xử lý và dễ gia công hơn. Các vi khuẩn cũng sẽ sản ra cả enzym nội
bào và ngoại bào, một trong số đó sẽ tạo ra các phức làm phân hủy xenlulozo, tạo ra
phức ăn cacbuahydrat cho các VSV dùng. Môi trường đất có khí nói chung có chứa
quần hợp các loại VK và nấm phân hủy khác nhau và hoạt động tương trợ nhau. nếu
nó tồn tại trong đất với hàm lượng lớn, những sản phẩm cuối cùng của sự phân hủy có
khí là CO2 và nước.

Hình 1.3. Công thức cấu tạo của Xenlulozơ
GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

17

SV thực hiện: Lê Thanh


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

e. Vật liệu PVA
Đơn vị cấu trúc của Polyvinylancol ( PVA ):

Hình 1.4. Công thức cấu tạo của PVA
PVA có tính chất quan trọng nhất là khả năng tan trong nước, dễ tạo màng, chịu
dầu mỡ, nó có độ bền kéo cao, chất lượng kết dính tuyệt vời và khả năng hoạt động
như một tác nhân phân tán - ổn định.
Khả năng tan của PVA trong nước phụ thuộc vào độ thủy phân, độ trùng hợp,
nhiệt độ. Chỉ một vài loại hợp chất hữu có có thể là dung môi đối với các loại PVA. Ví
dụ: các hợp chất là các hợp chất chưa nhiều nhóm hydroxyl như glycerol, etylen glycol
và một số loại glycol polyetylen thấp hơn, các amin như atenolamin, etanol axetamit.
Hoạt động dung môi lên PVA dường như được hỗ trợ bởi các nhóm hydroxyl,
amino và amit. Hầu hết các dung môi đều cần nhiệt để hòa tan thậm chí một lượng nhỏ
PVA thủy phân hoàn toàn.
(Ví dụ: PVA thủy phân hoàn toàn có thể được hòa tan trong glycerin nếu gia
nhiệt tới 120 - 150oC, nhưng hỗn hợp tạo gel khi làm nguội tới nhiệt độ phòng)
Khi khối lượng PVA giảm, độ nhạy nước hay khả năng tan trong nước tăng. Khi tăng
khối lượng phân tử thì thu được độ bền kéo, độ bền xé, độ giãn dài, độ mềm dẻo cao
hơn.
Một trong các ứng dụng của PVA là dùng để liên kết hoặc cán mỏng hai bề mặt,
trong các ứng dụng làm chất kết dính, nó dùng để liên kết một số loại hạt, sợi hay các
vật liệu khác.
PVA có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp cũng như trong đời sống, dùng
làm chất kết dính hay chất tạo nhũ, được dùng trong sản xuất bao gói, trong mỹ phẩm
hay được dùng làm xơ sợi trong dệt may…
Sản phẩm từ PVA đang là vật liệu cần cho cuộc sống hiện đại. Bởi nó ngày càng
trở nên an toàn hơn, nhỏ gọn hơn, trong hơn, sạch hơn, mềm mại hơn, bền hơn, rẻ hơn.
[7]
1.1.8. Phương pháp xác định khả năng phân hủy của polymer sinh học
Một số phương pháp thực nghiệm truyền thống để xác định độ phân hủy sinh học
của polymer có thể tổng hợp lại như sau:
1 – Quan sát bằng mắt về sự phát triển nấm dạng sợi trên bề mặt polymer

GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

18

SV thực hiện: Lê Thanh


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

2 – Xác định lượng phát triển của vi sinh vật ( dùng đĩa Petri của Đức )
3 – Xác định sự tổn hao khối lượng của polymer trong các môi trường theo thời
gian thử nghiệm
4 – Xác định độ ổn định (độ hấp thụ nước) của vật liệu
5 – Phân tích cấu trúc bề mặt vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét ( SEM)
6 – Xác định sự thay đổi của tính chất bền cơ của vật liệu
Ví Dụ: Độ bền kéo trên máy Housfield (Anh)
Độ bền va đập trên máy Olsen Tinus (Mỹ)
7 – Xác định hoạt tính chuyển hóa của vi sinh vật thông qua việc đo độ hấp thụ
oxy hoặc sự gia tăng lượng CO2 thải ra qua máy Tempo.
1.1.9. Dung môi và phụ gia trong quá trình sản xuất polymer sinh học.
a. Dung môi Glycerol
Glycerol, được tạo ra bởi quá trình thủy phân chất béo trung tính, chủ yếu được
sản xuất trong quá trình sản xuất xà phòng hóa hoặc diesel sinh học. Nó xảy ra như
một chất lỏng trong suốt, không màu, không mùi, nhớt và hút ẩm với vị ngọt. Glycerol
ngày càng trở nên hấp dẫn do có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm
(chất làm dẻo, chất ổn định và chất nhũ hoá) và là chất giữ ẩm trong công thức mỹ
phẩm. Ngoài ra, nó đã được chứng minh là có vai trò quan trọng như một chất làm dẻo

cho việc tạo ra các cấu trúc phân nhánh.
Tuy nhiên, một vài nghiên cứu trước đây đã nghiên cứu việc sử dụng glycerol
như một tác nhân liên kết ngang để điều chỉnh mật độ của mạng polymer để đạt được
hành vi giải phóng bền vững như nhựa PVA.

Hình 1.5. Cấu trúc hóa học của (A) PVA và (B)Glycerol
Glycerol sẽ làm giảm cường độ của hydro liên kết các phân tử PVA,nó cho thấy
Glycerol có tác dụng làm dẻo cho PVA. Đó là bởi vì Glycerin hình thành mạnh mẽ liên
kết hydro với PVA, diễn ra của hydro liên kết giữa nhóm hydroxyl của các phân tử
PVA.
Glycerol được chứng minh là có hiệu quả dẻo cao cho PVA bởi tất cả các kết quả
trong bài viết của chúng tôi. Glycerin có thể tương tác với các phân tử PVA và thay thế
liên kết hydro trong phân tử PVA. Sự kết tinh của PVA bị gián đoạn và cường độ liên
kết hydro trong PVA giảm theo cách này. Glycerol có thể cải thiện tính tương thích của
PVA, và PVA dẻo đã xuất hiện nhiều hơn liên tục hơn các PVA thuần túy.
GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

19

SV thực hiện: Lê Thanh


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

Sự ổn định nhiệt và nhiệt độ chuyển tiếp giảm khi bổ sung Glycerin. Tính chất cơ
học của PVA được cải thiện đáng kể. Nó có thể cũng được kỳ vọng rằng Glycerol có
thể đóng một vai trò quan trọng trong polyme như cellulose chứa nhiều hydroxyl các

nhóm. [13]
b. Chất tương hợp nhựa thông
Nhựa thông hay còn gọi là Colophan là chất được lấy từ cây thông. Đây là một
vật rắn, cứng, có màu vàng trong đến đỏ sẫm màu theo kích thước của khối nhựa.
Colophan thực chất không phải là nhựa thông nguyên chất mà chỉ là một thành
phần của nhựa thông, thành phần khác quý giá hơn đó là tinh dầu thông.
Nhựa thông là nhựa cây thông, dạng lỏng. Nhựa này trải qua quá trình chưng cất
để thu hồi tinh dầu thông phục vụ cho y học và mỹ phẩm… và thành phần còn lại là
Colophan được đóng rắn sử dụng để phục vụ mục đích công nghiệp.
Nhựa thông hay Colophan rắn, cứng được sử dụng để hòa vào dung môi hữu cơ
làm tan ra, dung dịch này được xem như một loại keo dán, vật liệu hàn trong lĩnh vực
sản xuất các linh kiện, thiết bị điện tử,… tại các mối hàn, các vết nối giữa những linh
kiện, dây dẫn.
Ngoài ra nhựa thông hay colophan còn được dùng để sản xuất keo, sử dung trong
sản xuất cao su, hay chất tương hợp tăng độ dẻo độ bền cho một số polymer công
nghiệp. [8]
c. Chất tương hợp Polyetylen acrylic axit (EAA)
Polyetylen acrylic axit có khả năng tăng tương hợp của LDPE với tinh bột thực
hiện theo phương pháp như: hoạt hóa LDPE, biến tính tinh bột.
Polyetylen acrylic axit là một trong những chất tương hợp được sử dụng nhiều
nhất. Khi trộn hỗn hợp tinh bột với EAA, cấu tử amylase và amylopectin kết hợp với
EAA tạo ra cấu trúc phức hợp vùi lẫn dạng chữ V. EAA tạo cầu liên kết hydro với
nhóm hydroxyl của tinh bột. Để đạt được các tính năng cơ lý thỏa mãn yêu cầu sử
dụng, thì tỷ lệ của chất tương hợp phải cao. Nhưng ngược lại, EAA lại làm giảm quá
trình phân hủy sinh học của tinh bột [14].
d. Chất tương hợp Polyetylen (PE) ghép Maleic anhydrite (MA)
Khi sử dụng Polyetylen ghép Maleic anhydrite làm chất tương trợ thì cho thấy,
tinh bột được phân tán nhỏ và đều hơn trong LDPE. Đặc biệt, ở PE-g-MA có chứa
anhydrite thì độ bền kéo của hệ blend ngay cả khi có nhiều tinh bột vẫn duy trì được ở
mức độ như của LDPE. Chất tương hợp không ảnh hưởng nhiều đến khả năng phân

hủy sinh học của hệ blend. Tuy nhiên, độ bền kéo đứt lại giảm đi khi tỷ lệ tinh bột tăng
lên. Đây cũng là một hạn chế của chất tương hợp PE-g-MA [14].
1.1.10. Ứng dụng polymer phân hủy sinh học
a. Ứng dụng trong nông nghiệp - Màng phủ đất.
GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

20

SV thực hiện: Lê Thanh


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

Màng phủ đất là màng chất dẻo giúp cây phát triển và sau đó phân hủy trên cánh
đồng mà không cần phải gom nhặt sau vụ thu hoạch. Cần sử dụng màng chất dẻo vì
nó giữ ẩm, giảm lượng hạt giống phải gieo, giữ nhiệt độ cho đất, cải thiện tốc độ phát
triển cây trồng. Ví dụ, cứ 6 hecta trồng dưa sẽ tăng sản lượng gấp hai hoặc gấp ba và
dưa sẽ chín sớm hơn hai tuần nếu ta dùng màng phủ PE màu đen. Việc giảm được
lượng giống và tránh không để đất bị nén chặt nên khi dùng màng phủ đất sẽ giảm
được công sức chăm bón, không làm hỏng dễ cây và tránh được làm cây chết và cũng
giảm được lượng phân và lượng nước cần dùng.
PE trong lại càng có hiệu quả hơn về khả năng giữ nhiệt so với màng màu đen
hoặc xám. Nhiệt độ của đất có thể tăng thêm 5,50C nếu dùng màng trong so với việc
dùng màng đen chỉ tăng 1,7- 2,7 0C. Tổn thất nhiệt bức xạ ban đêm, khi đất bị làm lạnh
sẽ ít hơn nếu dùng màng polyme. Trong một số trường hợp người ta thông báo hạt
giống cần được kiểm tra do màng PE giữ nhiệt nhưng nếu màng PE ở lại trên đồng
ruộng, nó sẽ gây khó khăn cho việc thu hoạch. Các chất dẻo cho mục đích này thường

chứa phụ gia nhạy ánh sáng, gây phân hủy quang. Sự phân hủy sinh học được điều
chỉnh sao cho xong một thời vụ thì màng polyme cũng bắt đầu phân hủy. [11]

Hình 1.6. Ứng dụng polymer trong nống nghiệp
b. Ứng dụng trong công nghiệp - Bao bì
Màng polyme tự phân hủy. Có thể nói đây là sản phẩm đầu tiên thuộc loại này
của ngành sản xuất vật liệu polyme ở Việt Nam. Ưu điểm chính của nó là không gây ô
nhiễm môi trường giống như màng và túi đựng bằng nhựa dẻo (PP, PE, PVC) hiện nay.
Vật liệu chính dùng trong sản xuất màng polyme tự phân hủy là nhựa LDPE (low
density polyetylen – polyetylen tỷ trọng thấp) và tinh bột sắn.
Đặc tính vật lý của polyme làm bao bì nói chung bị chi phối bởi cấu trúc hóa học,
khối lượng phân tử, mức độ kết tinh và điều kiện gia công. Các đặc tính vật lý cần có
đối với polyme để làm bao bì phụ thuộc vào mặt hàng được bao gói và môi trường bao
bì được cất giữ. Mặt hàng được cất giữ trong điều kiện làm lạnh sâu cần có bao gói đặc
biệt. Thực phẩm đòi hỏi điều kiện bao gói khắt khe hơn so với mặt hàng khác không
thối hỏng.
GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

21

SV thực hiện: Lê Thanh


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

Hình 1.7. Ứng dụng polymer trong Công nghiệp
c. Ứng dụng trong y học.

Trong y học, polyme dễ phân hủy sinh học được ứng dụng làm vật liệu cấy trong
phẫu thuật chỉnh hình và mạch máu, chỉ khâu phẫu thuật, ứng dụng trong chữa mắt …
Gần đây cụm từ “Vật liệu sinh học” được hiểu là vật liệu ứng dụng chế tạo chi tiết
trong y học, tương tác trực tiếp với hệ sinh học.
Vật liệu sinh học nói chung được sử dụng với các mục đích như:
- Thay thế tế bào bị bệnh hoặc không hoạt động được nữa, ví dụ như thay khớp,
làm van tim nhân tạo, cấy lại răng, kính áp tròng...
- Thay thế toàn bộ hoặc từng phần chức năng của các cơ quan như: thẩm tách
máu (thay chức năng của thận), thở oxy (phổi), tâm thất hoặc trợ tim toàn phần…

Hình 1.7. Ứng dụng polymer trong y học
1.2. Tinh Bột Sắn
1.2.1. Cấu tạo củ sắn
Củ sắn thường thuôn dài ở hai đầu, tùy theo tính chất đất và điều kiện trồng mà
kích thước của củ dao động trong khoảng:
- Chiều dài từ 0,1 ÷ 0,5m.
- Đường kính củ từ 2 ÷ 8cm.
Củ thường có 4 phần chính gồm: vỏ gỗ, vỏ củ, thịt củ và lõi.
a. Vỏ gỗ (Vỏ lụa)
- Giữ vai trò bảo vệ củ. Có thành phần chủ yếu là cellulose và hemicellulose.
GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

22

SV thực hiện: Lê Thanh


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

- Không có chứa tinh bột, chiếm 0,5% ÷ 2% trọng lượng củ.
b. Vỏ củ (Vỏ thịt)
- Dày hơn vỏ gỗ, có cấu tạo từ các lớp tế bào thành dày, thành tế bào có cấu tạo
chủ yếu là cellulose, bên trong là hạt tinh bột, chất chứa Nitơ và dịch bào
(nhựa) có ảnh hưởng tới màu của tinh bột khi chế biến.
- Trong dịch bào có tanin, sắc tố, độc tố, các enzyme.
- Vỏ củ có chứa từ 5% ÷ 8% hàm lượng tinh bột khi chế biến.
c. Thịt củ
- Là thành phần chủ yếu của củ.
- Gồm các tế bào nhũ mô: vỏ tế bào là cellulose, pentozan; bên trong là hạt tinh
bột, nguyên sinh chất, các glucid hòa tan và nhiều chất vi lượng khác.
- Phân bố hàm lượng tinh bột trong thịt củ giảm dần từ phần thịt củ sát vỏ đến
lõi.
- Ngoài các lớp tế bào nhũ mô còn có các tế bào thành cứng không chứa tinh bột
(cấu tạo từ cellulose) cứng như gỗ gọi là xơ. Loại tế bào này thường thấy ở đầu cuống
của củ sắn lưu niên và những củ biến dạng trong quá trình phát triển.
d. Lõi sắn
- Thường ở tâm dọc suốt từ cuống tới đuôi củ, ở cuống to nhất rồi nhỏ dần tới đuôi
củ.
- Chiếm 0,3% ÷ 1% trọng lượng toàn củ, có thành phần chủ yếu là cellulose và
hemicellulose.
- Sắn có lõi lớn và nhiều xơ sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và năng suất nghiền khi chế
biến.
Ngoài các thành phần trên, củ sắn còn cuống và rễ đuôi.Các thành phần này có
cấu tạo chủ yếu là là cellulose nên gây khó khăn trong chế biến.

Hình 1.8. Những sản phẩm từ sắn củ
GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh

Tùng

23

SV thực hiện: Lê Thanh


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

1.2.2. Những ứng dụng của tinh bột sắn trong tinh bôt thực phẩm và ngành công
nghiệp khác:
Chất độn: làm tăng độ đặc trong súp và trái đóng hộp, kem và dược phẩm
Chất kết nối: làm quánh các sản phẩm, giúp thực phẩm không bị khô khi nấu,
như xúc xích, thịt hộp.
Chất ổn định: sử dụng khả năng giữ nước cao, như trong kem, bột nở, ngành dệt
- hồ chì để giảm đứt trên khung dệt (tinh bột biến đổi). Tinh bột dùng cho giai đoạn in
làm đặc chất nhuộm và giữ màu. Tinh bột dùng cho giai đoạn thành phẩm sẽ tăng độ
cứng và trọng lượng (tinh bột thường hoặc tinh bột oxi hóa).
Chất làm đặc: sử dụng đặc tính bột nhão, như trong súp, thức ăn cho trẻ em,
nước chấm, nước dùng
Làm giấy:
+ Tăng cường độ chắc, tăng sức chống nếp gấp.
+ Làm tăng bề mặt và độ bền, dùng cho giấy gợn sóng, giấy ép và giấy bìa cứng.
+ Chất kết nối trong công nghiệp + Giấy cứng làm trần nhà
+ Giấy thạch cao
Thức ăn (thủy sản, gia súc)
Những công dụng khác trong công nghiệp
+ Sản xuất bao plastic tự hoại.

+ Sản xuất vỏ xe…
Cấu trúc gel của tinh bột sắn có độ bền cao hơn so với nhiều loại ngủ cốc khác
nên được ứng dụng nhiều trong công nghiệp thực phẩm, đặc biệt với những sản phẩm
phải bảo quản trong thời gian dài.[12]

Hình 1.9. Hình dạng của tinh bột sắn qua kính hiển vi
1.2.3. Thành phần hóa học của tinh bột
Tinh bột sắn có hàm lượng amylopectin và phân tử lượng trung bình tương đối
cao, 215.00g/mol so với 30.500, 130.000, 224.500 và 276.000 tương ứng ở amylose
GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

24

SV thực hiện: Lê Thanh


Đồ án tốt nghiệp

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

của bắp, tinh bột lúa mì, tinh bột khoai tây và tinh bột sáp. Hàm lượng amylose nằm
trong khoảng 8-28%, nhưng nói chung đa số các giống khoai mì có tỷ lệ amylose 1618%. Tinh bột sắn có những tính chất tương tự các loại tinh bột chứa nhiều
amylosepectin như độ nhớt cao, xu hướng thoái hóa thấp và độ bền gel cao. Hàm
lượng amylosepectin và amylose trong tinh bột khoai mì liên quan tới độ dính của củ
nấu chính và nhiều tính chất trong các ứng dụng công nghiệp.
Tinh bột không phải một hợp chất đồng thể mà gồm hai polysaccarit khác nhau:
amiloza và amilopectin. Tỉ lệ amiloza/amilopectin xấp xỉ ¼. Trong tinh bột loại nếp
(gạo nếp hoặc ngô nếp) gần như 100% là amilopectin. Trong tinh bột đậu xanh, dong
riềng hàm lượng amiloza chiếm trên dưới 50%.

Hình 1.10. Công thức cấu tạo của tinh bột
a. Thành phần cấu trúc của amiloza.
Trong vi hạt, tinh bột tồn tại dưới dạng hạt có kích thước trong khoảng từ 0,020,12nm. Hạt tinh bột của tất cả các hệ có dạng hình tròn, hình bầu dục hay hình đa
diện. Cấu tạo và kích thước của hạt tinh bột phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng
trọt cũng như quá trình sinh trưởng của cây.
Cấu tạo bên trong của vi hạt tinh bột khá phức tạp. Vi hạt tinh bột có cấu tạo lớp, trong
mỗi lớp đều có lẫn lộn các amiloza dạng tinh thể và amilopectin xắp xếp theo phương
hướng tâm.
Nhờ phương pháp hiển vi điện tử và nhiễu xạ tia X thấy rằng trong hạt tinh bột
“nguyên thuỷ” các chuỗi polyglucozit của amiloza và amilopectin tạo thành xoắn ốc
với ba gốc glucozơ một vòng.
Các mạch polysaccarit sắp xếp hướng tâm tạo ra độ tinh thể: các mạch bên của
một phân tử amilopectin này nằm xen kẽ giữa các mạch bên của phân tử kia.
Hầu hết, các loại tinh bột đều chứa hai loại polyme khác nhau về khối lượng
phân tử và cấu trúc hóa học:
* Amiloza là loại mạch thẳng, chuỗi dài từ 500-2000 đơn vị glucozơ, liên kết
nhau bởi liên kết α−1,4 glicozit.
Amiloza “nguyên thủy” có mức độ trùng hợp không phải hàng trăm mà là hàng
ngàn. Có hai loại amiloza:
GV hướng dẫn: ThS. Dương Thị Thanh
Tùng

25

SV thực hiện: Lê Thanh