polymer phân hủy sinh học

POLYMER PHÂN HỦY SINH HỌC


ĐỀ TÀI GỒM CÓ BỐN PHẦN

TỔNG QUAN VỀ POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC
MỘT SỐ POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC
SẢN XUẤT POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC TRÊ CƠ SỞ BLEND
ỨNG DỤNG POLYME PHÂN HỦY SINH HỌC


TỔNG QUAN VỀ POLYME PHÂN HỦY SINH
HỌC
Polyme phân hủy sinh học là gì?
Polyme phân hủy sinh học là những polyme có khả
năng phân hủy thành những phân tử đơn giản như
CO2, nước, CH4 , các hợp chất vô cơ hoặc sinh khối,
dưới tác động của một số yếu tố, trong đó chủ yếu
bởi vi sinh vật khi chôn, ủ trong môi trường tự nhiên.
Có số mắt xích cơ bản trong một phân tử polyme
nhỏ hơn 5000.


Tại sao cần nghiên cứu và phát triển
polyme phân hủy sinh học?


Sự khác nhau giữa polyme phân hủy
sinh học và polyme không phân hủy
sinh
học

Polyme phân hủy sinh học
Polyme không phân hủy sinh học
- Phân hủy được.
- Sản xuất từ nguyên liệu thân thiện
môi trường: tinh bột, xenlulozo…
- Cơ tính không cao, chịu nhiệt, hóa
chất, môi trường kém.
- Không tái chế được…etc

- Không phân hủy được.
- Chủ yếu từ các nguồn tài nguyên
không tái tạo được
- Cơ tính tốt, chịu nhiệt, hóa chất, môi
trường tốt.
- Có thể tái chế được…etc


Quá
Quá trình
trình phân
phân hủy
hủy polyme
polyme phân
phân
hủy
hủy sinh
sinh học
học diễn
diễn ra
ra như

như thế
thế nào?
nào?
Vi sinh vật

Phân tử
polyme

ez
ym

Mạch bị
cắt đứt
Yếu tố môi
trường
Ánh sáng,nhiệt…

emzym

Quá trình
phân hủy
xảy ra


Tác nhân gây phân hủy sinh học trong
polyme
1.Vi sinh vật.
Đây là tác nhân chính đóng góp trong sự phân hủy của
polymer phân hủy sinh học.
Nấm: Là vi sinh vật rất quan trọng gây ra sự phân hủy của

vật liệu. Chúng xuất hiện trong môi trường có độ ẩm cao,
nhiệt độ khoảng 50-550C, có không khí và hơn hết là sự có
mặt của vật liệu cung cấp thức ăn. Chúng thâm nhập vào
polymer, sản sinh ra emzym, rồi phá vỡ các hợp chất hữu
cơ và tiêu thụ nó. Chủng nấm Fusarium L203 là chủng nấm
đã được thử nghiệm cho hiệu quả phân hủy polymer tối ưu
nhất trong hơn 8000 chủng nấm đã được nghiên cứu để
phân hủy polymer.


Vi khuẩn: Chúng thuộc nhóm sinh vật đơn bào, thuôc loại kí
sinh trùng, là loài có số lượng đông nhất trong tự nhiên.
Các vi sinh vật phân hủy hợp chất hữu cơ xuất hiện chủ yếu
trong môi trường đất và nước, chúng được phân ra làm 2
loại; yếm khí và hiếu khí. Vi khuẩn yếm khí phân hủy hợp
chất hữu cơ khá khí metan và một số ít các khí khác như
H2S..Vi khuẩn hiếu khí phân hủy hợp chất hữu cơ ra chủ yếu
là CO2 và H2O. Khi thâm nhập vào vật liệu chúng sản sinh
ra emzym, các emzym tấn công phá vỡ cấu trúc mạch
phân tử, rồi tiêu thụ các chất hữu cơ.
 


2. Một số tác nhân khác.
Ngoài các loại vi sinh vật giúp polyme sinh học phân hủy
thì còn một số tác nhân khác cũng có thể làm phân hủy hay
đóng góp vào quá trình phân hủy polyme cùng với vi sinh
vật: ánh sáng-phân hủy quang, nhiệt độ….

• Phân Hủy quang- sinh học

Bẻ gãy quang học


Polyme phân hủy
sinh học tự nhiên
1. Tinh bột.
a) Sự tạo thành tinh bột.
- đây là polymer rất phổ biến trong
tự nhiên, là sản phẩm của quá trình
quang hóa trong tự nhiện
Trùng ngưng
C6H12O6 => (C6H12O6)n + 3nH2O.
- Được biết đến như là nguồn thực
phẩm dinh dưỡng quan trọng cho con
người và các loài sinh vật.


- Về bản chất tinh bột là những hạt có cấu trúc tinh thể dạng hạt
d=15-100μm.
- Tinh bột bao gồm 2 thành phần chính là amilozo và amylopectin
với tỉ lên amilozo/amilopecitn = ¼, liên kết với nhau chủ yếu bằng
liên kết α-D-1,4 glucozit.
 amilozo: là polymer mạch thẳng, M= 105-106 g/mol, chiều dài
trung bình từ 500-2000 đơn vị glucozo. ở dạng tinh thể có cấu
trúc xoắn ốc.

 tính chất.
- dễ thoái hóa trong nước.
- tan trong formandehyt, cloralhydrat, nước.
- mềm dẻo.
- nhiều nhóm OH, tạo được liên kết hydro giữa các mạch, làm
giảm ái lực giữa amilozo với nước, kết tinh tốt.
 amylopectin: là plymer mạch nhánh, có khối lượng phân tử 107-109
g/mol , cấu trúc mạch nhánh được tạo nhờ liên kết α-D-1,6 glucozit, liên
kết chủ yếu trong amylopectin là α-D-1,4 gulcozit. Mỗi nhánh chứa 2030 mắt xích glucozo
 tính chất
- amylopectin do có mạch nhánh bởi vậy mà độ kết tinh của nó thấp
hơn nhiều so với amilozo.



• b) tính chất tinh bột.
 - có khả năng tạo màng, kéo sợi.
- có khả năng tương tác với chất khác như. : trương
nở trong nước.
- liên kết glucozit bị phân hủy ở nhiệt độ 2500C.Ở
nhiệt độ thấp xảy ra hiện tượng thoái biến: sự tổ chức
lại liên kết hydro và sắp xếp lại các mạch phân tử
trong quá trình nhiệt độ hạ xuống.- độ bền với ứng
suất không lớn.
- có nhóm –OH dễ tham gia phản ứng=> lợi dụng để
biến tính tinh bột.
=> màng tinh bột giòn, có độ xuyên thấm thấp.


• c. Ứng dụng.

- do tính chất giòn, chịu ứng suất kém nên dùng
nguyên tinh bột để chế tạo màng thì không có giá trị
thực tế bởi vậy tinh bột thường được dùng để tạo blend
với polymer khác để tạo polymer phân hủy sinh học.
d. Biến tính tinh bột.
1) Mục đích.
- Cải thiện khả năng tương hợp với một số
polymer nhân tạo khác như: PE, PVA…
- Tăng khả năng tạo cấu trúc sợi, màng, tăng tính
kị nước, dễ tan hơn trong các dung môi hữu cơ..



2.Chitin và chitosan
 Chitin là đại phân tử tìm thấy trong vỏ cua, tôm và các loại động vật
giáp xác khác. Nó bao gồm 2-axetamit-2-deoxy-β-D-glucozơ thông qua
liên kết β-(1-4)-glucozit

Chitin

chitosan
H.chitin và chitosan


 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.Vật liệu tương hợp sinh học tốt và có hoạt tính kháng vi sinh
vật và khả năng hấp thụ ion kim loại mạnh => ứng dụng trong
công nghiệp mỹ phẩm do tính giữ ẩm tốt.
 Chitin khi khử nhóm axetyl sẽ tạo thành Chitosan. Chitosan đã

được biến tính để cho những tính chất hóa học và sinh học khác
nhau. Người ta điều chế N-cacboxyl metylchitosan và N-cacboxyl
bytyl chitosan để sản xuất mỹ phẩm và dùng để chữa bỏng.
3.Alginat
 Alginat là polymer dị thể, mạch thẳng, kép, chứa 1,4-liên kết α-Lgluromic axit và β-D-mannuronic axit. Alginat được nghiên cứu
nhiều do có khả năng tạo gel khi có mặt các cation hóa trị (II).
Alginat lần đầu tiên được Stanford tách ra từ tảo nâu bằng dung
dịch kiềm.


β-D
mannuronic
axit

α-L gluronic
axit

Gel alginate được dùng rộng rãi cho hệ chuyển tải và nhả
thuốc. Các alginat được dùng để bọc thuốc diệt cỏ, diệt vi
sinh vật và tế bào. Alginat được dùng để sản xuất thực phẩm


4.Gelatin.
 Cấu trúc của gelatin có thể được mô tả như: [Glicin-X-Y]n , ở
đây gốc aminoaxit Y và X thường hay gặp là prolin và
hydroxyprolin tương ứng.


 Gelatin – một loại protein động vật, chiếm 19 aminoaxit gắn
với nhau bởi các cầu peptit và cỏ thể bị thủy phân bởi các loại

enzym proteilytic khác nhau, tạo thành các aminoaxit hoặc các
cấu tử pepit.
 Gelatin được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, dược học, y
học, để chế tạo nang thuốc, các hydrogel phân hủy sinh học.
Người ta tìm ra phương pháp đơn giản chế tạo da nhân tạo trên
cơ sở màng dẻo gelatin có thể gắn vào vết thương trần và bảo
vệ vết thương khỏi mất nước và nhiễm trùng.
5.Xenlulozơ
 Xenlulozơ là thành phần chính trong màng tế bào thực vật, là
bộ khung của cây cối. Có nhiều trong bông, đay, gai, gỗ….
 Xenlulozơ là polyme tự nhiên có khối lượng phân tử rất lớn, có
liên kết β-1,4-glicozit.


Cấu tạo:

xenlulozơ

 Ứng dụng:
Xelophan (giấy bóng kính) là 1 trong những dạng phổ biến của bao bì
xelulozơ, được sử dụng cho nhiều loai thực phẩm, bởi tính chống thấm dầu,
ngăn cản sự tấn công của vi khuẩn và tính trong suốt của nó. VD: gói bánh
mì.
Xelulozơ axetat được kết hợp với tinh bột tạo nên nhựa dễ phân hủy bởi VSV.


Polyme tổng hợp
1.Poly(lactic acid)- PLA.
PLA là một polyeste béo, được tổng hợp nhờ phản ứng trùng
ngưng AL. Nhiệt độ nóng chảy 160-1800C, d = 1,24 g/ Cm3 .

Được điều chế thành công lần đầu tiên năm 1833 bởi Gay
Lussac khi đun nóng AL. Tới năm 1932 cơ sở lý luận của việc tổng
hợp PLA được phát minh bởi Wallace Carthers, theo đó PLA được
tạo thành khi đun nóng AL trong chân không.
PLA có giá thành sản xuất cao, nên nó chủ yếu được sử dụng
trong ngành y tế: chỉ tự tiêu, vỏ bọc thuốc nhả chậm,.. tới những
năm 1980 khi áp lực vấn đề xử lí rác thải từ polyme truyền thống
thì PLA bắt đầu được quan tâm bởi khả năng tự phân hủy của nó.