CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về màng polymer phân huỷ sinh học 1. Tình hình nghiên cứu về màng polymer phân huỷ sinh học Các màng bọc thực phẩm truyền thống thường được tạo thành từ các loại polymers như Polyethylene, Polyvinyl chloride,…Khi các rác thải nhựa này thải ra môi trường sẽ không có khả năng phân hủy, do đó chúng gây tác động nghiêm trọng đến hệ sinh thái và môi trường. Vì vậy, việc phát triển các màng bọc thực phẩm có khả năng tự phân hủy sinh học nhận được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tích hợp các polymer có như Chitosan, Polyvinyl acohol, Polyvinyl acrylic, galatine, tinh bột… có thể tạo ra các màng bọc với cơ tính tốt và khả năng bảo quản thực phẩm tốt, hứa hẹn tiềm năng thay thế các loại màng bọc thực phẩm truyền thống trong việc bảo quản thực phẩm, bên cạnh khả năng phân huỷ sinh học và kháng khuẩn của nó [9]. Hiện nay, màng bọc thực phẩm và các sản phẩm như ống hút, chén đĩa…làm từ các polymer có khả năng phân hủy sinh học đã được ứng dụng trên toàn thế giới và đang có tốc độ phát triển vượt bậc. Khu vực Châu Á, Bắc Mỹ và Châu Âu là những thị trường chủ yếu cho màng có khả năng phân hủy sinh học và giá trị của chúng được dự báo sẽ đạt hơn 37,3 triệu USD vào năm 2027 [16]. Tính chất của màng polymer phân huỷ sinh học 1.
Tính chất cơ học Tính chất cơ học là một trong những tính chất quan trọng của màng phân hủy sinh học, được thể hiện thông qua độ bền kéo, độ bền đâm thủng, lực tải, độ đàn hồi và độ giãn dài. Trong đó, độ bền kéo và độ giãn dài là hai thông số quan trọng nhất đối với tính chất cơ học của màng nhựa sinh học. Độ bền kéo cho biết tính linh động và độ giãn dài cho biết mức độ dẻo của màng. Hai thông số này cho biết phim có thể được kéo dài bao nhiêu, độ dẻo tối đa của màng là như thế nào để thông qua đó có thể đánh giá tính chất cơ học của màng có phù hợp với ứng dụng hướng đến hay không.
Khả năng phân huỷ sinh học Khả năng phân huỷ là tính chất bắt buộc phải có đối với màng bởi một trong những mục đích hướng tới của màng polymer sinh học là bảo vệ môi trường nhờ vào việc màng có thể tự phân huỷ. Độ hoà tan là thông số quan trọng để đánh giá tính chất này của màng, thông số này thể hiện khả năng phân huỷ của màng sinh học khi tiếp xúc với nước. Độ truyền hơi nước Độ truyền hơi nước là một tính chất để đánh giá tốc độ khuếch tán của các phân tử nước qua màng sinh học, tính chất này được đặc biệt quan tâm trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm, dược phẩm. Độ truyền hơi nước được đánh giá thông qua độ mất khối lượng của thực phẩm hoặc dược phẩm, điều này thể hiện khả năng giữ các phân tử nước của màng là cao hay thấp từ đó lựa chọn vật liệu bảo quản phù hợp.
Khả năng kháng khuẩn Khả năng kháng khuẩn của màng sinh học được đánh giá thông qua hiệu suất ngăn chặn các vi sinh vật gây hại và thường được quan tâm trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm. Hiệu suất kháng khuẩn càng cao càng thể hiện tính năng vượt trội của màng trong việc ngăn chặn và tiêu diệt vi khuẩn gây hại. Các polymer thường dùng trong chế tạo màng sinh học Các polymer thường được sử dụng trong chế tạo màng sinh học là các polymer có khả năng phân huỷ sinh học và được chia làm hai loại chính: polymer có nguồn gốc sinh học và polymer tổng hợp. Trong đó polymer tổng hợp được chia làm hai nhóm nhỏ: polymer tổng hợp từ hoá dầu và polymer được tổng hợp từ nguồn tái tạo.
1: Phân loại của polymer có khả năng phân huỷ sinh học 5 1. Polymer có nguồn gốc sinh học ❖ Cellulose và các dẫn xuất của nó Cellulose là một trong những nguyên liệu đầu tiên được sử dụng để chế tạo màng sinh học. Cellulose là một loại polysaccharides phổ biến có mặt trong các nguồn tự nhiên như cây cối và thực vật. Nhờ vào các đơn vị monome saccacharide trong phân tử cenllulose sắp xếp chủ yếu theo kiểu tuyến tính làm cho nó có tính chất cơ học cao và được sử dụng nhiều trong việc chế tạo màng sinh học.
2: Cấu trúc phân tử của cellulose Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã thực hiện biến tính cellulose nhằm tạo ra các màng sinh học với tính chất được cải thiện và đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp: tách dầu-nước [17], [18], hấp phụ kim loại nặng [19], chạy thận nhân tạo [20],… ❖ Chitin và chitosan Chitosan (CS), một loại polysaccharides thu được từ quá trình deacetyl hoá chitin có được từ vỏ của các loài giáp xác, là vật liệu thích hợp cho việc tạo màng sinh học bởi khả năng tạo màng tuyệt vời, đặc tính kháng khuẩn, không độc hại và khả năng tương thích sinh học của nó [8]. Chitosan được sử dụng để chế tạo màng sinh học và có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước thực hiện liên quan đến nó, trong đó nổi bật là nhóm nghiên cứu đến từ trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh với đề tài chế tạo màng film dựa trên nền Chitosan kết hợp với Nanocellulose với độ bền kéo và khả năng chống nước cao [21]. Trên thế giới, Chitosan cũng được sử dụng rộng rãi để tạo màng trong ứng dụng thực phẩm [22]. 3: Cấu trúc phân tử của Chitin và Chitosan ❖ Carrageenan Carrageenan là một polysaccharides tự nhiên có chứa các nhóm sunfat, có nhiều ở trong tảo đỏ.
Có ba loại carrageenan phụ thuộc vào mức độ sunfat hoá: kappa, iota và lambda. Carrageenan là thành phần chủ yếu để chế tạo màng siêu thấm dầu để loại bỏ thuốc nhuộm và kim loại nặng [23]. 4: Cấu trúc phân tử của kappa- carrageenan, lota- carrageenan và lambda- carrageenan 1. Polymer tổng hợp • Polymer tổng hợp từ nguồn tái tạo ❖ Axit polylactic Axit polylactic (PLA) là một polyester nhiệt dẻo được tổng hợp bằng cách ngưng tụ nhiều lần axit lactic hoặc trùng hợp mở vòng của diester-lactide.
Trong khi đó, axit lactic được sản xuất từ nguồn sinh học có thể tái tạo, chẳng hạn như mía, tinh bột hoặc bằng quá trình lên men hiếu khí. PLA được sử dụng rộng rãi để chế tạo màng sinh học để tách dầu-nước [24] và tái tạo mô [25]. 5: Cấu trúc phân tử của axit polylactic • Polymer tổng hợp từ nguồn hoá dầu ❖ Polyetylene glycol Polyetylen glycol (PEG) là một polyether tổng hợp có thể được sản xuất bằng nhiều cách khác nhau: từ etylen oxit, etylen glycol hoặc oligomer etylen glycol. PEG được chủ yếu để chế tạo các màng sinh học sử dụng cho các hệ thống giải phóng thuốc.
6: Cấu trúc phân tử của polyetylene glycol ❖ Polyvinyl alcohol Polyvinyl alcohol (PVA) là một loại polymer tổng hợp được sản xuất bằng cách thủy phân polyvinyl acetate. PVA thường được sử dụng để chế tạo màng sinh học cho các ứng dụng băng vết thương [26], [27]. 7: Cấu trúc phân tử của polyvinyl alcohol 1. Ứng dụng của màng polymer phân hủy sinh học 1.
Xử lý nước thải Màng sinh học được sử dụng rộng rãi để lọc và xử lý nước, khử mặn nước biển nhờ vào hiệu suất phân tách các chất vượt trội, tính ổn định tuyệt vời, độ bền, tính thấm, tính chọn lọc và hiệu quả năng lượng cao [28]. Tuỳ vào các loại nước thải, các loại 8 màng khác nhau được lựa chọn để phù hợp cho quá trình lọc, ví dụ như: các màng có đặc tính siêu thấm hoặc siêu kỵ nước được ưa chuộng trong xử lý dầu thải (tách dầu/nước),… Trong khi đó, các màng sinh học chứa các vật liệu ưa nước như PVA được sử dụng để loại bỏ thuốc nhuộm trong nước thải công nghiệp. Tách khí Tách khí là một ứng dụng của màng sinh học dựa trên cơ chế khuếch tán dung dịch của màng, trong đó tính thấm và tính chọn lọc của các thành phần trong màng đóng vai trò chủ yếu. Ví dụ, các nhóm amin trong màng phân hủy sinh học được chế tạo từ Chitosan và PVA có khả năng tách CO2 khỏi hỗn hợp khí [29],[30].
Vật liệu y sinh Các màng phân hủy sinh học ngày càng trở nên phổ biến nhờ các ứng dụng trong các lĩnh vực y sinh, bao gồm kỹ thuật mô, vận chuyển thuốc và chạy thận nhân tạo/lọc máu do độc tính thấp, tính dẫn điện, đặc tính kháng khuẩn, tính chất cơ học, tính linh hoạt và nhiều chức năng khác của chúng [31]–[33]. Bao bì thực phẩm Màng bọc thực phẩm phân huỷ sinh học là một chủ đề thu hút nhiều sự chú ý của các nhà khoa học trong hơn một thập kỷ gần đây nhờ vào khả năng phân huỷ sinh học, không độc hại, kháng khuẩn, kháng nấm,… Màng bọc kháng khuẩn là một ứng dụng đầy hứa hẹn để cải thiện độ an toàn của thực phẩm bằng cách ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật gây bệnh, vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm [34]. Pin nhiên liệu Pin nhiên liệu bao gồm một buồng anốt và catốt cũng như chất điện phân ngăn cách hai buồng để điều kiện các ion di chuyển. Màng được sử dụng làm chất điện phân được gọi là màng trao đổi proton, trong đó phổ biến nhất là màng Nafion có chi phí sản xuất cao và gây ra tác động xấu đến hệ sinh thái [35].
Vì vậy, sử dụng màng sinh học có thể là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho màng Nafion. Tổng quan về vật liệu nano kim loại 1. Giới thiệu về vật liệu nano kim loại Vật liệu nano với đa dạng hình dáng và cấu trúc khác nhau đã trở thành một đề tài được nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây nhờ vào tính chất độc đáo của chúng. Tính chất của vật liệu nano bắt nguồn từ kích thước của chúng (khoảng từ 1 nm đến 100 nm), điều này cho phép đạt tới kích thước tới hạn của nhiều tính chất của một vật liệu thông thường.
Đặc điểm tính chất của vật liệu nano kim loại 1. Hiệu ứng bề mặt Ở kích thước nano mét thì những nguyên tử nằm trên bề mặt của một vật liệu sẽ chiếm phần trăm lớn so với tổng số chúng có trong vật liệu. Tính chất của các nguyên tử ở bề mặt vật liệu là khác so với các nguyên tử khác vì vậy nên khi vật liệu càng nhỏ thì hiệu ứng bề mặt càng thể hiện rõ. Bên cạnh đó, các nguyên tử trên bề mặt có năng lượng cao hơn so với các nguyên tử còn lại có trong vật liệu, điều đó làm tăng khả năng và đặc tính của vật liệu.