Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch cùng với lượng khí thải gia tăng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nghiên cứu và phát triển các nguồn năng lượng tái sinh thay thế. Nhiên liệu sinh học (biodiesel) là nguồn nhiên liệu tái sinh có nhiều đặc tính ưu việt: khả năng phân hủy sinh học cao, không độc hại, an toàn và thân thiện với môi trường. So với dầu diesel từ dầu mỏ (petrodiesel), biodiesel có chỉ số cetane cao hơn, không chứa hiđrocacbon thơm, hầu như không chứa lưu huỳnh và có hàm lượng oxy chiếm khoảng 10% - 11% về khối lượng, giúp giảm thiểu đáng kể lượng khí cacbon monooxit (CO) và hiđrocacbon chưa cháy trong khí thải động cơ.

Biodiesel bản chất là các mono-ankyl este của axit béo, được điều chế thông qua phản ứng este chéo hóa (transesterification) giữa dầu thực vật (chứa triacylglycerides) và các ancol mạch ngắn (như methanol, ethanol) với sự tham gia của chất xúc tác. Hiện nay, công nghệ sản xuất biodiesel chủ yếu sử dụng xúc tác hóa học dạng kiềm đồng thể nhờ hiệu suất phản ứng cao. Tuy nhiên, phương pháp này tồn tại nhiều nhược điểm kỹ thuật: dễ xảy ra phản ứng xà phòng hóa làm giảm độ tinh khiết của este, quy trình tách loại xúc tác và glixerol phức tạp, lượng nước thải phát sinh lớn đòi hỏi chi phí xử lý cao.

Xúc tác sinh học sử dụng enzyme lipase (EC 3.1.1.3 triacylglycerol acylhydrolase) khắc phục được các hạn chế trên nhờ điều kiện phản ứng êm dịu, este hóa được cả triglycerides lẫn axit béo tự do, hạn chế tối đa phản ứng phụ và không gây ô nhiễm môi trường. Dù vậy, lipase tự do có giá thành cao, không tan trong pha dầu và dễ hòa tan trong nước nên rất khó thu hồi để tái sử dụng. Việc cố định enzyme lên chất mang nano từ tính Fe3O4 (Fe3O4NPs) bọc polymer sinh học chitosan (Fe3O4NPs-chitosan) là giải pháp giúp tăng diện tích bề mặt riêng, bảo vệ enzyme khỏi sự bất hoạt do tiếp xúc trực tiếp với bề mặt kim loại, đồng thời cho phép thu hồi xúc tác nhanh chóng bằng từ trường ngoài.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu: Mục tiêu chính của đề tài là điều chế enzyme lipase cố định trên vật liệu nano Fe3O4NPs-chitosan và đánh giá hoạt tính thông qua hiệu quả xúc tác phản ứng este chéo hóa dầu đậu nành. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể gồm:

  1. Điều chế các hạt nano oxit sắt từ Fe3O4NPs bằng phương pháp hóa học có kích thước đồng nhất và từ tính cao.
  2. Cố định enzyme lipase lên vật liệu nano từ tính Fe3O4NPs-chitosan qua chất nối liên kết chéo.
  3. Thử nghiệm hoạt tính xúc tác của hệ sản phẩm điều chế được thông qua phản ứng este chéo hóa dầu thực vật (dầu đậu nành nguyên chất).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hạt nano Fe3O4NPs, polymer sinh học chitosan, enzyme lipase, chất hoạt hóa glutaraldehyde, dầu đậu nành nguyên chất và phản ứng este chéo hóa tạo biodiesel.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thực nghiệm tổng hợp vật liệu và đánh giá hoạt tính xúc tác ở quy mô phòng thí nghiệm tại Khoa Hóa học, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng trong thời gian từ tháng 09/2017 đến tháng 04/2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết về vật liệu nano từ tính, hóa học polymer tự nhiên, xúc tác sinh học enzyme và hóa học dầu mỡ:

  • Cấu trúc và tính chất hạt nano Fe3O4NPs: Tinh thể Fe3O4 có cấu trúc spinel đảo (thuộc nhóm ferit AB2O4 với hằng số mạng $a = b = c = 0,8396\text{ nm}$). Ở kích thước nano, vật liệu biểu hiện tính siêu thuận từ (superparamagnetism) với lực kháng từ và từ dư xấp xỉ bằng 0, độ từ hóa bão hòa cao, diện tích bề mặt riêng lớn và tương thích sinh học tốt.
  • Polymer sinh học chitosan: Là dẫn xuất deacetyl hóa của chitin (nguồn gốc từ vỏ giáp xác), mang các nhóm chức hoạt động $-NH_2$ và $-OH$, có khả năng tạo màng bọc bảo vệ lõi Fe3O4 và tạo liên kết cộng hóa trị bền vững với enzyme.
  • Cơ chế xúc tác của enzyme lipase: Hoạt động theo cơ chế 3 giai đoạn tạo phức hợp trung gian enzyme - cơ chất ($E + S \rightleftharpoons ES \rightarrow P + E$), tâm hoạt động chứa bộ ba amino axit Serine - Histidine - Aspartate/Glutamate cắt liên kết este trong triacylglyceride.
+-------------------------------------------------------------------------------+
| Quy trình thực nghiệm 4 giai đoạn:                                            |
| 1. Đồng kết tủa Fe2+/Fe3+ (1:2) bằng NH3 25% dưới khí Ar -> Hạt Fe3O4NPs      |
| 2. Bọc Chitosan 1% và tạo liên kết mạng bằng Glutaraldehyde -> Fe3O4-Chitosan |
| 3. Hoạt hóa Glutaraldehyde 10% (pH 7,5) và gắn Lipase -> Hệ xúc tác cố định  |
| 4. Este chéo hóa dầu đậu nành + Methanol trong n-Hexan -> Thu hồi Biodiesel   |
+-------------------------------------------------------------------------------+
Nhóm yếu tố Tên hóa chất / Thiết bị Mục đích sử dụng / Thông số kỹ thuật
Tiền chất vô cơ $\text{FeSO}_4\cdot7\text{H}_2\text{O}$, $\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3$, $\text{NH}_3$ 25% Tổng hợp hạt nano từ tính $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs}$ theo tỉ lệ mol $\text{Fe}^{2+}:\text{Fe}^{3+} = 1:2$
Chất mang & Hoạt hóa Chitosan, Glutaraldehyde 25%, đệm phosphate (pH 7,5) Tạo vỏ bọc sinh học và liên kết chéo cộng hóa trị với enzyme
Cơ chất & Dung môi Enzyme lipase, dầu đậu nành nguyên chất, methanol, n-hexan, ethanol 99,5% Thực hiện phản ứng este chéo hóa và rửa sạch mẫu
Thiết bị hiển vi & cấu trúc TEM (Kính hiển vi điện tử truyền qua), XRD (Nhiễu xạ tia X) Khảo sát hình thái học, kích thước hạt (10 - 17 nm) và cấu trúc mạng spinel
Thiết bị quang phổ & từ tính FT-IR, EDX, VSM (Từ kế mẫu rung) Xác định nhóm chức liên kết, thành phần nguyên tố và đường cong từ hóa
Thiết bị phân tích sản phẩm GC-MS (Sắc ký khí ghép khối phổ) Định tính và định lượng thành phần este metyl trong biodiesel

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 1 hệ thống hóa các kiến thức lý thuyết về khoa học nano, hạt nano từ tính oxit sắt, enzyme và ứng dụng của enzyme lipase:

  • Tổng quan về vật liệu nano: Phân loại vật liệu nano theo số chiều không gian (0D, 1D, 2D, 3D), phân tích hiệu ứng bề mặt và kích thước tới hạn làm thay đổi đột biến các tính chất quang, điện, từ so với vật liệu khối.
  • Đặc trưng nano oxit sắt từ $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs}$: Cấu trúc mạng lập phương tâm mặt, cơ chế triệt tiêu từ tính của ion $\text{Fe}^{3+}$ ở hai phân mạng A-B và momen từ $4\mu_B$ của $\text{Fe}^{2+}$. Trình bày các phương pháp chế tạo từ trên xuống (top-down) như nghiền cơ học và từ dưới lên (bottom-up) như vi nhũ tương, nhiệt phân, hóa siêu âm và đồng kết tủa dung dịch.
  • Ứng dụng của hạt nano từ tính: Khái quát các ứng dụng y sinh (dẫn truyền thuốc trúng đích, phân tách sinh học kháng thể/DNA, tăng thân nhiệt cục bộ trị liệu ung thư), xử lý chất ô nhiễm môi trường (asen, dầu mỏ) và làm chất mang xúc tác dị thể.
  • Xúc tác sinh học và kỹ thuật cố định enzyme: Phân loại 6 nhóm enzyme quốc tế; so sánh ưu - nhược điểm giữa phương pháp cố định hấp phụ vật lý và cố định liên kết cộng hóa trị/liên kết chéo. Khái quát các nghiên cứu cố định lipase trên hạt từ tính bọc silica hoặc chitosan của Dyal, Kuo, Cui, Mak, Xie và Wang.

Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết các bước thực nghiệm tổng hợp vật liệu và quy trình phân tích:

  • Quy trình tổng hợp $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs}$: Hòa tan $2,78\text{ g }\text{FeSO}_4\cdot7\text{H}_2\text{O}$ và $4\text{ g }\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3$ trong $100\text{ ml}$ nước cất (tỉ lệ mol $\text{Fe}^{2+}:\text{Fe}^{3+} = 1:2$). Nhỏ từ từ $\text{NH}_3\text{ 25%}$ đến khi dung dịch chuyển màu đen, gia nhiệt $80^\circ\text{C}$ trong 2 giờ dưới khí bảo vệ Argon nhằm chống oxy hóa. Tách hạt bằng nam châm, rửa sạch bằng nước cất và ethanol, sấy chân không $60^\circ\text{C}$ trong 3 giờ.
  • Tổng hợp vật liệu $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs-chitosan}$: Phân tán hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs}$ vào $50\text{ ml}$ dung dịch chitosan 1% (hòa tan $0,5\text{ g}$ chitosan trong nước cất), thêm $2\text{ ml}$ glutaraldehyde 10%, khuấy 1 giờ và già hóa trong 2 giờ trước khi rửa sạch.
  • Cố định lipase: Hoạt hóa chất mang $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs-chitosan}$ trong dung dịch glutaraldehyde 10% (đệm phosphate $\text{pH} = 7,5$) suốt 5 giờ. Sau đó chuyển vào $20\text{ ml}$ dung dịch lipase ($2\text{ g/L}$ trong đệm phosphate $\text{pH} = 7,5$), khuấy 3 giờ ở nhiệt độ phòng, rửa trôi enzyme tự do, sấy chân không ở $40^\circ\text{C}$ và bảo quản tại $4^\circ\text{C}$.
  • Tiến hành phản ứng este chéo hóa: Hòa tan dầu đậu nành trong dung môi n-hexan, thêm hệ xúc tác $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs-chitosan-lipase}$, nhỏ giọt methanol và khuấy chậm trên máy khuấy từ trong 30 giờ ở nhiệt độ phòng. Tách xúc tác bằng nam châm, rửa lớp hữu cơ 3 lần bằng nước cất, chiết phân đoạn biodiesel bằng n-hexan để phân tích GC-MS.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các dữ liệu thực nghiệm chứng minh sự tạo thành của vật liệu và khả năng xúc tác:

  • Đặc trưng của hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs}$:
    • Ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) xác nhận các hạt oxit sắt từ có dạng hình cầu đồng đều, kích thước dao động trong khoảng $10 - 17\text{ nm}$.
    • Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) xuất hiện 6 đỉnh nhiễu xạ đặc trưng tại các góc $2\theta = 30,1^\circ; 35,5^\circ; 43,1^\circ; 53,4^\circ; 57,0^\circ; 62,6^\circ$, tương ứng hoàn toàn với các mặt phản xạ mạng tinh thể $(220), (311), (400), (422), (511), (440)$ của cấu trúc spinel magnetite. Tác giả lưu ý vị trí đỉnh có sự tương đồng nhẹ với $\gamma\text{-Fe}_2\text{O}_3$ do quá trình oxy hóa bề mặt trong giai đoạn sấy.
    • Phổ FT-IR ghi nhận peak hấp thụ mạnh tại $582\text{ cm}^{-1}$ đặc trưng cho liên kết $\text{Fe}-\text{O}$, cùng các peak tại $3419\text{ cm}^{-1}$ và $1633\text{ cm}^{-1}$ đại diện cho dao động kéo căng và biến dạng của nhóm $-\text{OH}$ hấp phụ từ môi trường nước.
  • Đặc trưng hệ mang $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs-chitosan}$ và enzyme cố định: Kết quả phân tích FT-IR và XRD chứng minh chitosan đã bọc phủ thành công lên bề mặt hạt nano và enzyme lipase được gắn kết thông qua cầu nối glutaraldehyde mà không làm phá hủy khung tinh thể từ tính. Đường cong từ kế mẫu rung (VSM) xác nhận vật liệu duy trì tính siêu thuận từ, cho phép phân tán đều khi khuấy và thu hồi nhanh bằng nam châm.
  • Hiệu quả este chéo hóa dầu thực vật: Hệ xúc tác cố định phân tán tốt trong hỗn hợp dầu đậu nành - n-hexan - methanol. Kết quả sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) chứng minh sự xuất hiện rõ nét của các pic este metyl của các axit béo mạch dài (FAME), khẳng định hoạt tính xúc tác chuyển hóa triacylglycerol thành biodiesel thành công ở điều kiện nhiệt độ phòng.

Kết quả và đóng góp

Thông số / Đặc trưng Phương pháp phân tích Kết quả thực nghiệm ghi nhận trong văn bản
Kích thước và hình thái hạt TEM Hạt dạng hình cầu, kích thước phân bố trong khoảng $10 - 17\text{ nm}$
Cấu trúc tinh thể XRD Cấu trúc spinel đảo đặc trưng của $\text{Fe}_3\text{O}_4$ tại các góc $2\theta$: $30,1^\circ; 35,5^\circ; 43,1^\circ; 53,4^\circ; 57,0^\circ; 62,6^\circ$
Liên kết hóa học vô cơ FT-IR Dao động kéo căng $\text{Fe}-\text{O}$ tại số sóng $582\text{ cm}^{-1}$; liên kết $-\text{OH}$ tại $3419\text{ cm}^{-1}$ và $1633\text{ cm}^{-1}$
Cố định chất mang sinh học Tạo liên kết chéo hóa học Chitosan 1% bọc hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs}$ và gắn lipase qua glutaraldehyde 10% trong đệm phosphate ($\text{pH} = 7,5$)
Khả năng tách pha từ tính Nam châm vĩnh cửu Thu hồi nhanh chóng hạt nano và hệ xúc tác ra khỏi dung dịch huyền phù
Hoạt tính xúc tác GC-MS Xúc tác thành công phản ứng este chéo hóa dầu đậu nành tạo hỗn hợp methyl este của axit béo ở nhiệt độ phòng

Đóng góp khoa học và thực tiễn của đề tài:

  • Đã thiết lập được quy trình đồng kết tủa có kiểm soát trong môi trường khí Argon để chế tạo thành công hạt nano oxit sắt từ $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs}$ kích thước nhỏ ($10 - 17\text{ nm}$) với cấu trúc tinh thể spinel rõ nét.
  • Xây dựng thành công quy trình bọc màng polymer sinh học chitosan và cố định enzyme lipase bằng liên kết chéo glutaraldehyde, tạo ra hệ xúc tác nano sinh học dị thể $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs-chitosan-lipase}$.
  • Chứng minh khả năng ứng dụng thực tế của hệ xúc tác cố định trong phản ứng este chéo hóa dầu đậu nành tạo biodiesel tại nhiệt độ phòng, giải quyết đồng thời hai bài toán: tận dụng phụ phẩm vỏ giáp xác (chitosan) và thu hồi tái sử dụng enzyme đắt tiền bằng từ trường ngoài đơn giản.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm với cơ chất là dầu đậu nành nguyên chất; thời gian phản ứng este chéo hóa còn kéo dài (30 giờ); một phần nhỏ hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs}$ có hiện tượng bị oxy hóa nhẹ thành $\gamma\text{-Fe}_2\text{O}_3$ trong quá trình sấy.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Tác giả định hướng mở rộng nghiên cứu tối ưu hóa các thông số phản ứng este chéo hóa (tỉ lệ mol methanol/dầu, khối lượng xúc tác, nhiệt độ, thời gian); đánh giá độ bền hoạt tính xúc tác qua nhiều chu kỳ tái sử dụng liên tục (reusability cycles); và thử nghiệm chuyển hóa trên các nguồn nguyên liệu dầu mỡ phế thải có giá thành thấp.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng: Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các chuyên ngành Sư phạm Hóa học, Hóa hữu cơ, Hóa lý - Hóa lý thuyết, Công nghệ Sinh học và Kỹ thuật Hóa học - Môi trường.
  • Giá trị nội dung ứng dụng:
    • Quy trình chi tiết về việc tổng hợp hạt nano oxit sắt từ bằng phương pháp đồng kết tủa dưới môi trường khí trơ.
    • Kỹ thuật biến tính bề mặt vật liệu nano vô cơ bằng polymer sinh học và phương pháp hoạt hóa bằng glutaraldehyde để cố định enzyme.
    • Phương pháp phân tích, đọc giản đồ và xử lý số liệu trên các thiết bị phân tích hiện đại như TEM, XRD, FT-IR, VSM và GC-MS.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỉ lệ mol giữa các muối sắt và môi trường phản ứng trong quy trình tổng hợp hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs}$ được thiết lập như thế nào? Quy trình sử dụng hỗn hợp muối $\text{FeSO}_4\cdot7\text{H}_2\text{O}$ ($2,78\text{ g}$) và $\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3$ ($4\text{ g}$) tương ứng với tỉ lệ mol $\text{Fe}^{2+}:\text{Fe}^{3+} = 1:2$. Phản ứng được thực hiện bằng cách nhỏ giọt $\text{NH}_3\text{ 25%}$ đến khi dung dịch chuyển màu đen, đun gia nhiệt ở $80^\circ\text{C}$ trong 2 giờ dưới luồng khí bảo vệ Argon nhằm loại bỏ hoàn toàn oxy hòa tan, ngăn chặn sự oxy hóa $\text{Fe}^{2+}$.

2. Kích thước và cấu trúc tinh thể của hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs}$ sau khi tổng hợp đạt được những thông số gì? Ảnh chụp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho thấy các hạt tạo thành đa số có dạng hình cầu, kích thước phân bố đồng đều từ $10\text{ nm}$ đến $17\text{ nm}$. Giản đồ XRD ghi nhận cấu trúc tinh thể spinel đảo với 6 đỉnh nhiễu xạ đặc trưng tại các góc $2\theta$ lần lượt là $30,1^\circ; 35,5^\circ; 43,1^\circ; 53,4^\circ; 57,0^\circ; 62,6^\circ$ ứng với các mặt mạng $(220), (311), (400), (422), (511)$ và $(440)$.

3. Vì sao cần phủ lớp polymer sinh học chitosan lên bề mặt hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs}$ trước khi gắn enzyme? Hạt $\text{Fe}_3\text{O}_4$ nguyên bản dễ bị oxy hóa trong không khí làm giảm từ tính và có hoạt tính bề mặt có thể gây biến tính, bất hoạt enzyme. Lớp phủ chitosan giúp ngăn ngừa sự kết tụ hạt, tăng độ ổn định hóa học và cung cấp các nhóm chức tương thích sinh học ($-NH_2$ và $-OH$) để liên kết cộng hóa trị bền vững với enzyme lipase thông qua chất nối glutaraldehyde.

4. Quy trình cố định enzyme lipase lên chất mang $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs-chitosan}$ diễn ra qua các bước nào? Chất mang $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs-chitosan}$ được hoạt hóa trước với dung dịch glutaraldehyde 10% trong đệm phosphate ($\text{pH} = 7,5$) trong 5 giờ ở nhiệt độ phòng. Sau khi rửa sạch chất hoạt hóa dư, chất mang được ủ với dung dịch enzyme lipase nồng độ $2\text{ g/L}$ trong đệm phosphate ($\text{pH} = 7,5$) trong 3 giờ, sau đó tách bằng nam châm, rửa đệm để loại enzyme tự do và sấy chân không ở $40^\circ\text{C}$.

5. Phản ứng este chéo hóa dầu thực vật được tiến hành trong điều kiện thực nghiệm nào và thu hồi sản phẩm ra sao? Phản ứng giữa dầu đậu nành nguyên chất và methanol được thực hiện trong hệ dung môi n-hexan với sự có mặt của hệ xúc tác cố định $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs-chitosan-lipase}$, khuấy đều liên tục trong 30 giờ ở nhiệt độ phòng. Sau phản ứng, xúc tác được thu hồi nhanh chóng bằng từ trường ngoài (nam châm), hỗn hợp được rửa bằng nước cất và chiết tách lớp este sinh học bằng n-hexan để phân tích thành phần trên GC-MS.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Xuân Nguyên đã tổng hợp thành công vật liệu nano oxit sắt từ $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs}$ dạng hình cầu kích thước $10 - 17\text{ nm}$ và bọc màng polymer sinh học chitosan tạo chất mang cấu trúc lõi - vỏ. Hệ xúc tác sinh học dị thể $\text{Fe}_3\text{O}_4\text{NPs-chitosan-lipase}$ được tạo thành bằng phương pháp liên kết chéo qua glutaraldehyde, thể hiện hoạt tính xúc tác hiệu quả cho phản ứng este chéo hóa dầu đậu nành tạo biodiesel tại nhiệt độ phòng. Công trình cung cấp các dẫn liệu thực nghiệm có giá trị khoa học về kỹ thuật cố định enzyme trên nền vật liệu nano từ tính, mở ra hướng ứng dụng tiềm năng trong công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học thân thiện với môi trường.