Tài liệu Nghiên cứu tổng hợp canxi gluconat bằng quá trình oxy hóa chọn lọc glucozơ sử dụng xúc tác Pt và Ag MCM-41

MỞ ĐẦU Với mục tiêu tìm kiếm nguồn nguyên liệu hóa học xanh để từng bước thay thế dần các nguồn nguyên liệu hóa thạch không tái sinh, các quá trình chuyển hóa cacbonhydrat thành sản phẩm ứng dụng là vấn đề được nhiều nhà nghiên cứu và các tổ chức khoa học quan tâm[25]. Glucozơ là một trong số các cacbohydrat phổ biến nhất và hiện đang là đối tượng nghiên cứu cho nhiều quá trình chuyển hóa tạo các sản phẩm có tính ứng dụng đa dạng và tinh vi như trong các ngành Y, Dược, Công nghệ Sinh học. Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu về chuyển hoá các hợp chất đường nói chung và glucozơ nói riêng thành các hợp chất có giá trị ứng dụng hầu như còn rất mới mẻ và chưa có nhiều kết quả. Gần đây, việc nghiên cứu chuyển hoá glucozơ thành các sản phẩm phục vụ cho công nghệ hoá học và hoá dược đang được quan tâm đặc biệt. Viện Hoá học Công nghiệp Việt Nam đang thực hiện đề tài sản xuất sorbitol có độ sạch cao phục vụ cho công nghiệp dược phẩm và tá dược từ glucozơ. Một con đường chuyển hoá glucozơ khác rất được quan tâm nghiên cứu đó quá trình oxi hoá chọn lọc tạo thành axit gluconic. Hiện nay, quá trình oxi hoá chọn lọc glucozơ tạo axit gluconic và các sản phẩm muối gluconat chưa có ở Việt Nam. Hàng năm trên thế giới axit gluconic được sản xuất với sản lượng đạt khoảng 100.000 tấn/năm. Trong đó, khoảng 60% sản phẩm thu được chủ yếu bằng các quá trình sinh hoá oxi hóa với tác nhân enzym (quá trình Aspergillus niger, filamenous fungi…)[6,21,44,49]. Xúc tác enzym có ưu điểm là tính đặc hiệu, chọn lọc với axit gluconic cao hơn các quá trình sử dụng xúc tác đồng thể như HNO3, dung dịch nước Br2 có độ chuyển hóa cao song tạo nhiều sản phẩm của sự oxi hoá cắt mạch là các axit hữu cơ ngắn mạch. Quá trình sử dụng enzyme đã được thương mại hóa với trình độ công 1 nghệ cao, enzym phải được cố định trên chất nền hay dùng đó là các polymer, dẫn đến xu hướng biến quá trình đồng thể thành quá trình dị thể để dễ tách loại enzym ra khỏi sản phẩn phản ứng. Vậy nên song song với quá trình enzym, việc sử dụng các hệ xúc tác dị thể đang được quan tâm. Các kim loại quý Pt, Ru, Au, Ag có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực xúc tác, quang điện tử, vi điện tử và đặc biệt là trong lĩnh vực xúc tác[14,15]. Từ cuối những năm 1960, platin được biết đến như là xúc tác cho quá trình hyđro hóa và quá trình đehyđro hóa [10,22]và đặc biệt là thành phần xúc tác độc tôn trong quá trình refominh để sản xuất BTX (benzene, toluene, xilen) cho hóa hữu cơ. Platin còn thể hiện khả năng oxi hoá chọn lọc ancol thành hợp chất cacbonyl[12]. Các nghiên cứu của Ayumu Onda và các cộng sự cũng đã đưa ra hoạt tính mạnh mẽ của khi sử dụng hệ Pt/C cho phản ứng oxi hoá glucozơ cho sản phẩm chính là axit lactic(45%) và axit gluconic(45%)[8]. Bên cạnh đó xúc tác Ag cũng được quan tâm nhiều cho quá trình epoxi hoá các nối đôi để sản xuất etilen oxit, etilen glycol, PEG. Trong công nghệ dược phẩm PEG được dùng làm vỏ viên nang và cũng là chất dẫn thuốc. Đặc biệt xúc tác Ag đang được dùng cho công nghệ sản xuất focmaldehit từ methanol Sản phẩm của quá trình oxi hóa chọn lọc glucozơ là axit gluconic và các muối gluconat được thừa nhận là các chất bổ sung dinh dưỡng cho thực phẩm chức năng, các chất phụ gia cho thực phẩm và đồ uống an toàn, được sử dụng rộng rãi ở Mỹ và Châu Âu [18, 51]. Canxi gluconat được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực dược phẩm như dùng làm thuốc bổ sung canxi (là loại canxi cơ thể dễ hấp thu nhất) để phòng và chữa các bệnh về thiếu canxi. Canxi gluconat tiêm (hàm lượng 9,47mg) còn được dùng trong điều trị hạ canxi huyết trong các bệnh cần tăng nhanh nồng độ ion canxi huyết như: co giật do hạ canxi huyết ở trẻ sơ sinh, hạ canxi huyết do bù chất điện giải. Canxi gluconat có thể được dùng như một chất bù điện giải, chất chống tăng kali và 2 magiê huyết. Nghiên cứu mới đây cho thấy canxi gluconat là chất sinh ra kháng thể đối với bệnh ung thư ruột kết, trực tràng [33]. Với những định hướng khoa học trên, nội dung của luận văn là “Nghiên cứu tổng hợp canxi gluconat bằng quá trình oxy hóa chọn lọc glucozơ sử dụng xúc tác Pt và Ag / MCM-41”. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về cacbohydrat Quá trình quang hợp trong tự nhiên hằng năm chuyển hơn 200 tỷ tấn cacbon dưới dạng khí cacbondioxit thành cacbonhydrat[25]. Cacbohydrat là thành phần quan trọng của các cơ thể sinh vật. Cacbohydrat chiếm tới 80% khối lượng khô của cây cỏ và khoảng 2% khối lượng khô của cơ thể động vật. Trong thế giới thực vật thì cacbohydrat là những chất hữu cơ tạp chức phổ biến nhất, tồn tại chủ yếu dưới dạng xenlulozơ có trong thành phần mô nâng đỡ để tạo dáng cho cây vững trắc, tồn tại và phát triển, cây cối còn sản xuất ra tinh bột để làm thức ăn dự trữ với một lượng lớn trong các loại hạt, củ, quả… Thực tế, chỉ khoảng 3-4% các sinh chất được con người sử dụng làm thực phẩm và các mục đích khác, còn lại phần lớn nguồn sinh chất này chưa được khai thác một cách triệt để. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về cacbohydrat đã có bước phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực sinh học và hóa sinh học. Các nghiên cứu đã chỉ ra khả năng chuyển hoá đa dạng từ các hợp chất cacbohydrat thành các sản phẩm hóa chất có tính ứng dụng cao trong đời sống, trên nhiều lĩnh vực như: công nghệ hóa chất, công nghệ sinh học, nông nghiệp, chăn nuôi, dược liệu, hay nhiên liệu mới…Trong thế kỉ 21, đứng trước sự khủng hoảng nguyên liệu hóa thạch mà hai nguồn nguyên liệu phổ biến là dầu mỏ và than ngày càng suy giảm về trữ lượng thì việc tìm ra các nguồn nguyên liệu mới đang thu hút sự quan tâm và đầu tư của nhiều ngành khoa học trên thế giới. Cacbohydrat được xem là nguồn nguyên liệu lý tưởng cho ngành công nghiệp mới với các ưu điểm nổi bật như: trữ lượng lớn, rẻ, thân thiện với môi trường, có khả năng thay thế dần nguồn nguyên liệu hóa thạch đang cạn kiệt. Do vậy, các ngành khoa học nói chung và ngành hóa học nói riêng vừa có tiềm năng to lớn về khám phá nguyên liệu mới, nhưng cũng vừa đứng trước thử thách là tìm kiếm phương pháp nâng cao hiệu suất, 4 độ chọn lọc các quá trình chuyển hoá hữu ích từ các hợp chất cacbohydrat nhằm hoàn thiện khả năng áp dụng nguồn nguyên liệu này trong công nghệ và cuộc sống. 1.2. D - glucozơ và sản phẩm oxi hóa D-glucozơ Một trong những hợp chất cacbohydrat phổ biến và quan trọng là glucozơ. Trong tự nhiên, glucozơ tồn tại rất phong phú trong các loại tinh bột như tinh bột sắn, ngô, gạo… và các loại hoa quả, đặc biệt trong quả nho. Ở Việt Nam trữ lượng tinh bột là rất lớn và là nguồn thức ăn không thể thiếu cho con người và gia súc vì thế việc khai thác nguồn nguyên liệu này cho các ngành công nghiệp chế biến là rất thuận lợi. Hơn nữa, tinh bột cũng là một nguồn nguyên liệu chiến lược cho nhiều ngành công nghệ của Việt Nam trong thời đại mới như sản xuất phụ gia cho dung dịch khoan, phụ gia cho vật liệu xây dựng và đặc biệt là nguyên liệu trong chế biến dược phẩm. Hiện nay, công nghệ sản xuất glucozơ từ tinh bột sắn đã được xây dựng ở Việt Nam bằng cách thủy phân tinh bột trong axit HCl loãng, trong nồi hấp ở áp suất 2 atm. Hình 1: Cấu tạo phân tử D-glucozơ Cấu trúc dạng thẳng của D-glucozơ có chứa 1 nhóm -CHO và 5 nhóm -OH, trong công thức fischer nhóm –OH ở vị trí C 5 ở bên phải hình thành các dạng đồng phân của D-glucozơ: 5 Hình 2: Các đồng phân của D- glucozơ Trong dung môi nước tồn tại cân bằng của D-glucozơ dạng thẳng và dạng vòng 6 cạnh với 5 nguyên tử C và 1 nguyên tử O, có 2 đồng phân loại này là α-D-glucozơ và β-D-glucozơ : Hình 3: Cân bằng giữa dạng mạch thẳng và mạch vòng 6 cạnh của Dglucozơ Các đồng phân α-D-glucozơ và β-D-glucozơ tạo thành do sự xắp xếp vị trí không gian của nhóm –OH ở vị trí C 1. Độ quay cực riêng của α-Dglucozơ là [α] = +1120, của β-D-glucozơ là [α] = +190, thông thường tỉ lệ hai đồng phân này trong dung môi nước là: 36% α-D-glucozơ và 64% β-Dglucozơ[51]. 6 D-glucozơ không chỉ là nguồn thực phẩm quan trọng mà nó còn là một nguồn chất rất quan trọng trong công nghệ vì sự chuyển hóa nó có thể tạo ra các sản phẩm thứ cấp vô cùng quan trọng có ứng dụng thiết thực trên các lĩnh vực của đời sống như: công nghệ hóa học, thực phẩm, dược phẩm… Axit D-gluconic là một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử là C6H12O7, công thức cấu tạo là: Hình 4: Cấu tạo phân tử D-gluconic Axit gluconic là một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử C 6H12O7, công thức cấu tạo HOCH2(CHOH)4COOH, và tên danh pháp IUPAC là (2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-pentahyđroxyhexanoic 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 hyđroxi và kết thúc bằng một nhóm chức của axit cacboxylic (-COOH). Trong dung dịch nước, axit gluconic tồn tại trong cân bằng động với este vòng glucono δ-lacton (C6H10O6)[9]. 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 = 3,70. Do đó sự phân ly của các gluconat trong nước được dự đoán là hoàn toàn. Glucono δlacton thuỷ phân chậm trong dung dịch nước đến khi đạt cân bằng với axit gluconic. Ở nồng độ ban đầu là 10% glucono δ-lacton thì trạng thái cân bằng gluconat/lacton là 80/20. 7 Axit gluconic và các dẫn xuất của nó là các chất có mặt trong tự nhiên. Axit gluconic có mặt tự nhiên trong các loại quả, mật ong, trà kombucha (nấm hồng trà) và rượu vang[13]. Trong một số phụ gia thực phẩm, nó là chất điều chỉnh độ chua, Nó cũng được sử dụng để tẩy một số thiết bị dùng trong thực phẩm và dược phẩm do có khả năng hoà tan các khoáng chất, đặc biệt là trong dung dịch có tính kiềm. 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 cacbonhydrat. Glucono δ-lacton, este nội vòng của axit gluconic, được tạo thành bằng cách loại nước axit gluconic. Bảng 1 đưa ra một số thông số vật lý, hoá học quan trọng của axit gluconic và glucono δ-lacton[18]. Bảng 1: Các thông số vật lý, hoá học của axit gluconic và glucono δ-lacton Khối Trạng Hợp chất thái t0nc t0s vật lý Axit màu gluconic trắng Glucono màu δ-lacton trắng 1310C 1530C lượng riêng Độ tan trong nước 417.1° (ở 200C) 1.23 1000 g/l C g/cm³ ở 25°C 398.5° 1.68 590 g/l C g/cm3 ở 25°C Hệ số phân chia octanol/nước pKa (Log P) -1.87 ở 25°C 3.70 -1.98 ở 25°C 3.70 Trong công nghiệp thì axit gluconic thường được sản xuất công nghiệp qua quá trình oxi hoá glucozơ. Trong quá trình này, sản phẩm tạo thành trực tiếp là axit gluconic hoặc chuyển hoá thành glucono δ-lacton sau đó, thuỷ phân tạo ra axit. Còn glucono δ-lacton được sản xuất bằng quá trình lên men yếm khí để chuyển hoá nguồn cacbonhydrat thành axit gluconic. Sau quá trình lên men, axit gluconic được tách khỏi glucono δ-lacton bằng cách kết 8 tinh. Lượng glucono δ-lacton được sản xuất theo cách này hàng năm trên thế giới là 10000-20000 tấn. Bảng 2: Một số ứng dụng của axit gluconic và glucono δ-lacton và các muối Hợp chất Ứng dụng Trong lĩnh vực dược phẩm, axit gluconic là tiền chất quan trọng để tổng hợp vitamin C, các dẫn xuất của axit gluconic là Axit gluconic thành phần chính của nhiều loại dược phẩm. Trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm: Hạn chế sự đông tụ của sữa bò trong công nghiệp chế biến sữa, chất tẩy rửa trong Glucono δ-lacton can chứa bằng nhôm. Phụ gia trong chế biến bánh nướng, chất làm chua chậm trong chế biến sản phẩm thịt, chất làm đông protein trong sữa đậu nành, sữa chua, phomat, sản xuất bánh mỳ… Trong lĩnh vực dược phẩm: là chất cân bằng điện giải cho người, thành phần của thuốc cao huyết áp. Natri gluconat Trong công nghiệp: là chất tẩy rửa, tác nhân chống gỉ kim loại, chống sự phân huỷ của sắt trong ngành dệt kim, công nghiệp giấy. Thành phần của thuốc chữa bệnh thiếu máu, bổ xung sắt cho Sắt gluconat người. Ngoài ra, đây còn là thành phần của phân bón cho cây Kẽm gluconat cảnh. Là thành phần của thuốc cảm thông thường, chữa các vết thương sâu, và các bệnh liên quan đến thiếu kẽm cho người. Các muối gluconat là sản phẩm chuyển hoá của quá trình oxi hoá glucozơ. Trong các mô, khoảng 20% glucozơ có thể đuợc chuyển hoá theo cách này. Đánh giá tương đối lượng gluconat được tạo ra trong cơ thể con người hàng ngày được thực hiện bằng cách thừa nhận xấp xỉ 10% glucozơ được dùng trong cơ thể là để chuyển hoá theo đường photpho gluconat. Vì 9 vậy một người nhận được 2800 kcal 1 ngày từ một bữa ăn trung bình, có thể oxi hoá khoảng 275g glucozơ. Xấp xỉ 25 đến 30g glucozơ bị oxi hoá theo đường photpho gluconat để tạo thành một lượng tương đuơng gluconat[13]. Do dó lượng gluconat tạo ra hàng ngày từ các nguồn nội sinh là khoảng 450 mg/kg với một người nặng 60 kg. Một phần quan trọng (60-85%) gluconat ở ngoài ruột được bài tiết không đổi trong nước tiểu[51]. Bảng 3 đưa ra một số thông số vật lý, hoá học của các muối gluconat[18]. Bảng 3: Một số thông số vật lý của các muối gluconat Hợp Trạng Nhiệt độ Nhiệt Khối lượng Độ tan chất thái nóng chảy độ sôi riêng (ở 200C) trong Natri vật lý Màu 205-209 °C gluconat trắng (phân huỷ ở Canxi ≥ 210°C) 120°C Màu gluconat trắng kali Màu 174-176°C gluconat trắng (phân huỷ ở 613.1°C 1.789g/cm³ nước 590g/l ở pKa 3.70 25°C 731.1°C 0.3-0.65g/cm³ 35 g/l 613.1°C 0.8 g/cm3 ở 25°C 3.70 180°C) 3.70 450-1000 g/l ở 20°C 1.3. Ứng dụng của canxi gluconat C H O Ca Hình 5: Cấu tạo phân tử Canxi gluconat 10 Canxi gluconat tồn tại ở dạng monohyđrat Ca(C 6H11O7)2.H2O. Tên IUPAC: Calcium di-(2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanoate monohydrate. Dạng bột hoặc hạt nhỏ màu trắng không mùi, không vị, tan trong nước nóng, không tan trong etanol, axit axetic và các dung môi hữu cơ. Canxi gluconat chứa xấp xỉ 9% canxi trong công thức, nên dễ dàng được các động vật và thực vật hấp thụ. Sản lượng canxi gluconat tiêu thụ hàng năm trên thế giới là: 4000-6000 tấn[33] được sản xuất chủ yếu bằng các quá trình Aspergillus niger, Penicillium chrysogenum, sử dụng tác nhân tạo muối là canxi cacbonat. Canxi là một trong những nguyên tố không thể thiếu được đối với cơ thể, giảm canxi huyết gây ra các triệu chứng: co giật, chậm lớn và chậm phát triển trí não, biến dạng xương, thường gặp nhất là còi xương ở trẻ em và nhuyễn xương ở người lớn. Sự thay đổi xảy ra trong nhuyễn xương bao gồm mềm xương, đau trong xương ống chân và thắt lưng, yếu toàn thân kèm theo đi lại khó khăn và gãy xương tự phát. Vì vậy việc bổ sung canxi được sử dụng như một phần của việc phòng và điều trị bệnh loãng xương ở người thiếu canxi. Uống canxi gluconat tan trong nước có lợi hơn dùng muối canxi tan trong axit đối với người bệnh giảm axit dạ dày hoặc dùng thuốc giảm axit dịch vị. Canxi gluconat tiêm cũng được dùng trong trường hợp hạ canxi huyết do ngộ độc etylen glycol (phụ thuộc vào nồng độ canxi trong máu), hạ canxi huyết và hạ huyết áp do nhiễm độc toàn thân axit hyđrofloric do canxi có thể liên kết với florua tự do và do đó giải độc HF khi tiêm canxi gluconat. Dạng gel canxi gluconat được dùng tại chỗ là biện pháp hàng đầu để điều trị bỏng axit hyđrofloric trên da sau khi đã tưới rửa vết bỏng. Trong trường hợp bỏng vừa đến bỏng nặng ở tay và chân, cần truyền canxi gluconat 11 vào động mạch, đặc biệt ở người bệnh bị đau kéo dài, sau khi đã tưới rửa vết bỏng, bôi gel canxi gluconat tại chỗ. Nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy canxi gluconat là chất sinh ra kháng thể đối với bệnh ung thư ruột kết, trực tràng [33]. 1.4. Chuyển hóa D-glucozơ Chuyển hóa glucozơ thành các sản phẩm có ứng dụng trong các lĩnh vực dược phẩm, công nghệ sinh học là các quá trình phức tạp, quá trình chuyển hóa có thể tạo thành nhiều sản phẩm khác nhau nếu các điều kiện về xúc tác, nhiệt độ, môi trường phản ứng thay đổi. Một số hướng chuyển hóa của glucozơ như sau: Hình 6 : Một số hướng chuyển hóa từ glucozơ 1.4.1. Quá trình khử hóa Một trong những sản phẩm của quá trình khử hoá glucozơ bằng hiđro H2/(Pt, Ni, Pd) thu được sorbitol, được ứng dụng rộng rãi trong dược phẩm để sản xuất vitamin C, thuốc ho xiro, là loại đường ít calo dành cho bệnh nhên tiểu đường. Ngoài ra, trong công nghiệp thực phẩm, sorbitol được sử dụng 12 làm đường bọc cho các loại kẹo bọc đường, kẹo cao su, làm phụ gia chống hydrat hoá. Trong lĩnh vực mỹ phẩm, cùng với glyxerin được sử dụng làm chất giữ ẩm. Quá trình này đang được Viện Hoá học Công nghiệp Việt Nam thực hiện đề tài sản xuất sorbitol có độ sạch cao từ glucozơ sử dụng quá trình khử bằng hiđro 1.4.2. Quá trình đehyđrat hóa Quá trình đehyrat hóa chọn lọc glucozơ được thực hiện ở nhiệt độ 2003000C có hơi nước, trong lò phản ứng dòng liên tục dưới áp suất khí quyển. Sản phẩm chính của quá trình là 1,6 - Anhydro-β-D-glucopyranose (AGP) 40% và 1,6 - Anhydro-β-d-glucofuranose (AGF) 19% [36]. Các sản phẩm này AGP và AGF là các tiền chất trong lĩnh vực dược phẩm. 1.4.3. Quá trình oxi hóa 1.4.3.1. Các phương pháp cổ điển oxi hóa glucozơ Con đường oxi hoá bằng phương pháp cổ điển, sử dụng các chất oxi hoá mạnh, thực hiện quá trình oxi hoá đồng thể như dung dịch đậm đặc Kali permanganat - KMnO4, Kali perclorat - KClO4… Phương pháp oxi hóa thông thường là dùng 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 hóa ở vị trí này. Với các tác nhân oxi hóa mạnh hơn, thí dụ axit nitric HNO 3 đậm đặc, thì ở andozơ không chỉ nhóm andehit mà cả nhóm ancol bậc một cũng bị oxi hóa thành nhóm cacboxyl[24]. Sản phẩm là các axit andaric, thí dụ D-glucozơ cho axit D-glucaric, D-mannozơ cho axit D-mannaric và D-galactozơ cho axit galactaric. Phản ứng hết sức phức tạp do sự cắt mạch phân tử glucozơ thành các phân tử mạch ngắn, làm cho hiệu suất và độ chọn lọc sản phẩm rất thấp. 13 Nhìn chung, phương pháp oxi hoá đồng thể 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. 1.4.3.2. Phản ứng oxi hoá glucozơ với xúc tác enzyme Phương pháp thứ hai, sử dụng xúc tác sinh học là các enzym (men). Nhờ tác dụng của các enzym khác nhau, phân tử glucozơ tham gia vào các quá trình phân cắt phức tạp (phản ứng lên men), 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 H2, CO2. Ngày nay, một số quá trình sản xuất thực tế sử dụng xúc tác vi sinh - enzym mang lại hiệu quả như : Quá trình lên men rượu tạo ra ancol etylic enzim C6H12O6    2C2H5OH + CO2 Quá trình lên men xitric tạo ra axit xitric bởi các loại vi sinh vật như là Aspergilus (Asp.) niger, Asp. clavarus, Penicillium citrinum … Nhưng chủng của Asp. niger cho kết quả cao nhất. 3 C6H12O6+ 2 O2  Asp.niger  HOOC-CH2-CH(OH)(COOH)-CH2-COOH + 2H2O Axit xitric Nhiệt độ thích hợp để tạo ra nhiều axit là từ 31-32 0C, nhiệt độ thấp hơn thì tạo nhiều axit gluconic còn cao hơn thì tạo axit xitric bị kìm hãm. Quá trình lên men lactic tạo sản phẩm là axit lactic - thành phần của sữa chua. lus bacteria     2CH3-CHOH-COOH C6H12O6  Lactobacil Axit lactic Trong lĩnh vực dược phẩm, axit lactic và các sản phẩm dẫn xuất của nó được ứng dụng khá nhiều điển hình là các muối lactat. Các este ở dạng metyl, 14 etyl hay isopropyl lactat được dùng làm chất trung gian để tổng hợp phân tử Chiral là thành phần chủ yếu trong dịch truyền bổ sung chất điện giải Ringer lactic đang được sử dụng rộng rãi hiện nay. Muối canxi lactate được dùng làm thuốc bổ sung canxi và chữa một số bệnh liên quan đến thiếu canxi như co giật, còi xương, chậm lớn. Ứng dụng mới nhất của axit lactic là được dùng để điều chế ra polymer phân hủy sinh học như chỉ khâu vết thương. Đối với glucozơ, ngay từ những năm 1970, một số nghiên cứu đã dùng men glucozơ oxidaza nhằm thúc đẩy quá trình oxi hoá glucozơ tạo axit gluconic [39]. COOH HC O glucozo oxidaza H OH H C OH HO C H H C OH H OH H C OH H OH    HO H H2C H2C OH OH Các men vi sinh sử dụng cho quá trình này rất phong phú, được nghiên cứu rộng rãi trong nghững năm 1960-1970, có vai trò quan trọng trong công nghiệp sản xuất axit gluconic. Quá trình oxi hoá glucozơ tạo axit gluconic bởi nấm sợi ( filamenous fungi) sử dụng chất xúc tác là enzym Glucozơ oxidaza[6,21,44]. Enzym này là một Flavo-protein, lần đầu tiên được Muler tách chiết từ nước trái cây ép sử dụng men Penicillium glaucum. Trong sản xuất axit gluconic, enzym này được đưa vào dung dịch có nồng độ cao glucozơ, môi trường pH trung bình, khoảng 5.5 và điều kiện phản ứng dư oxi. Enzym hoạt động tốt và bền ở nhiệt độ 400C và khoảng pH=4.0-6.0 trong thời gian phản ứng là 2 giờ. Tuy nhiên, khi nhiệt độ phản ứng lên trên 50 0C, enzym mất hoạt tính xúc tác nhanh chóng[55]. Mặt khác, quá trình sản xuất axit gluconic theo con đường này luôn tạo ra sản phẩm phụ hyđroperoxit H 2O2, chính là chất kĩm hãm hoạt tính 15 enzym. Quá trình sản xuất axit gluconic sử dụng enzym glucozơ 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. Tuy nhiên, qui 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 loại các sản phẩm sau phản ứng. 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 enzyme đặc hiệu. Trong khi đó, để tách enzyme khỏi sản phẩm một cách thuận lợi thì enzyme phải được cố định ổn định trên các chất nền thích hợp. 1.4.3.3. Phản ứng oxi hóa glucozơ với xúc tác dị thể Phản ứng oxi hoá glucozơ trên xúc tác dị thể là quá trình có ý nghĩa trong nghiên cứu cũng như trong công nghệ[32,45]. Mặc dù 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. Các sản phẩm chuyển hoá này rất phức tạp 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, chất xúc tác giữ vai trò quyết định đến độ chọn lọc và hiệu suất của quá trình oxi hoá glucozơ. Từ đã lâu, các nhóm kim loại chuyển tiếp và kim loại quý như kim loại họ Pt, Au, Ag… [29,40,41,47,48]thường được lựa chọn làm xúc tác cho các phản ứng oxi hoá hoàn toàn. Vào cuối những năm 1960, người ta sử dụng xúc tác Pt/Rd kim loại cho phản ứng xử lý khí thải và xúc tác Pd cho phản ứng axetoxyl hoá olefin. Xúc tác Ag kim loại cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng từ rất lâu cho các phản ứng oxi hóa etilen thành etilen oxit hay oxidehiđro hoá metanol thành formalđehit. Mặc dù hệ xúc tác kim loại quý có những ưu điểm như vậy, song trước đây, công nghệ này cũng gặp phải hạn chế. Việc đưa kim loại quý vào quá 16 trình sản xuất là rất đắt đỏ, do vậy muốn xúc tác được áp dụng rộng rãi vào công nghệ, vấn đề cơ bản đặt ra cần giải quyết là phải giảm thiểu được chi phí sản xuất. Ngày nay, sự ra đời và phát triển của công nghệ nano đã mở ra nhiều hướng đi rất khả thi trong lĩnh vực vật liệu mới nói chung và vật liệu xúc tác nói riêng[16,35,59,60]. Một trong những vật liệu xúc tác đã được nghiên cứu và có khả năng ứng dụng cao là cấu trúc mao quản nano cacbon, silic và cacbon-silic làm pha nền mang các chất có hoạt tính xúc tác cao. Kim loại quý với kích thước nano thể hiện những tính chất oxy hoá mới trong các điều kiện phản ứng êm dịu khi được phân tán trên chất nền silic-cacbon có bề mặt riêng lớn. Trên thế giới, các nghiên cứu về vật liệu xúc tác dị thể cho quá trình oxi hoá glucozơ đã thu được nhiều kết quả. Các hệ xúc tác mang kim loại, đa kim loại kích thước nano trên các chất nền có diện tích bề mặt lớn như Cacbon hoạt tính, Silic oxit vô định hình hiện nay như sử dụng cho quá trình này trong công nghiệp hiện nay như: xúc tác 5%Pd-5%Bi/C (tên thương mại MPB5 cung cấp bởi hãng Sud-Chemie-MT), xúc tác 5%Pt/C (ESCAT10 của Engelhard) [38]và 1% Pt- 4% Pd-5%Bi/C (CEF 196 XRA/W của Desgussa), hay các hệ xúc tác phân tán kim loại nặng trên chất nền như Pb/C, Ru/C, Cu/C, Ag/C…mặc dù đã được ứng dụng trong quy mô thực tế nhưng hiệu quả chưa thực sự như mong muốn. Thể hiện ở sự mất hoạt tính nhanh chóng của chất xúc tác sau các lần tái sử dụng, ngoài ra, xúc tác cho phản ứng mặc dù có độ chuyển hoá tốt nhưng độ chọn lọc tạo gluconic axit không cao và giảm nhanh cho các lần tái sử dụng. Mặt khác, sự có mặt của các kim loại nặng làm chất xúc tiến trong các hệ xúc tác vẫn đang là vấn đề gây nhiều tranh luận. 17 1.5. Vật liệu mao quản trung bình MCM-41 Thế kỷ 20, các nhà khoa học hãng Mobile-Oil đã phát minh ra vật liệu mao quản trung bình M41-S, sự ra đời của các vật liệu này đã tạo nên bước đột phá mạnh mẽ trong lĩnh vực khoa học vật liệu xúc tác. Vật liệu MCM-41 là đại diện tiêu biểu của họ vật liệu mao quản trung bình, có nhiều ứng dụng trong nhiều quy trình công nghệ hoá học, hoá dầu [5,7,43,49,50]. MCM-41 có hệ mao quản đồng đều kích thước mao quản cỡ 4-5nm, hình lục lăng, một chiều, xắp sếp xít nhau tạo nên cấu trúc tổ ong, diện tích bề mặt lớn nên được áp dụng cho các quá trình chuyển hoá phân tử kích thước lớn thường gặp trong tổng hợp hữu cơ mà các vật liệu cấu trúc mao quản nhỏ như zeolit tỏ ra không phù hợp. Ứng dụng của vật liệu MCM-41 hiện nay: Cho đến nay, nhiều nghiên cứu về vật liệu MCM-41 đã được tiến hành, cung cấp nhiều thông tin quan trọng về phương pháp tổng hợp, cấu trúc và tính chất không gian của hệ mao quản…Đặc biệt, các phương pháp biến tính vật liệu nhằm thu được các hệ xúc tác có tính chất phù hợp cho các phản ứng nhất định là hướng nghiên cứu thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học[46,53]. Một số vật liệu mới tổng hợp phương pháp thay thế đồng hình các nguyên tử Si trong khung cấu trúc bằng nguyên tử Al, Ti, Fe, Ga…tạo thành các hệ xúc tác đa chức năng, vừa có tính chất xúc tác cho quá trình oxi hoá gây nên bới các tâm kim loại, vừa có tính chất xúc tác của axít rắn, phù hợp với các quá trình đòi hỏi độ axít phù hợp. Ví dụ điển hình của các xúc tác loại này là Ti-MCM-41 cho quá trình epoxi hoá nối đôi các hợp chất không no, an ken hay các phân tử hợp chất tự nhiên, ví dụ như hợp chất α-pinen. Trong vật liệu Ti-MCM-41, nguyên tử Ti thay thế đồng hình vào vị trí của Si trên khung cấu trúc, tạo nên vật liệu có tính oxi hoá nhẹ, có tính axít yếu, phù hợp với quá trình oxi hoá êm dịu tạo sản phẩm trung gian là epoxi. Do vậy, đây là xúc 18 tác đã được điều chế và ứng dụng cho các quá trình oxi hoá êm dịu trong thực tế. Bằng nhiều phương pháp điều chế khác nhau như: phân huỷ- kết tủa, phương pháp sol gel, đồng kết tủa, phương pháp trao đổi…các kim loại được mang trên chất nền với các kích thước khác nhau. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, nếu kim loại càng được phân tán đồng đều với kích thước hạt càng nhỏ, thì hoạt tính xúc tác càng cao. Một số xúc tác như Pt/MCM-41, áp dụng có hiệu quả cho quá trình chuyển hoá COx, NOx, mang lại hiệu quả rất khả quan[17,19]. 1.6. Xúc tác thế hệ mới nano platin và nano bạc trên MCM-41 Phản ứng oxi hoá glucozơ trên xúc tác dị thể là quá trình có ý nghĩa trong nghiên cứu cũng như trong công nghệ. Mặc dù 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. Các sản phẩm chuyển hoá này rất phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất và hoạt tính của xúc tác, điều kiện phản ứng như nhiệt độ, môi trường pH của dung dịch phản ứng. Trong đó, chất xúc tác giữ vai trò quyết định đến độ chọn lọc và hiệu suất của quá trình oxi hoá glucozơ[37]. Xúc tác kim loại quý như Au, Ag, Pt… có thể oxi hóa chọn lọc trên nhóm andehit của phân tử đường với oxi không khí làm tác nhân oxi hóa. Hơn nữa, xúc tác kim loại quý được coi là xúc tác “xanh” [31] vì không tạo ra các chất độc hại với môi trường như khi sử dụng KMnO 4 hoặc K2Cr2O7… Một hướng nghiên cứu khác cho phản ứng oxi hóa glucozơ cũng trên xúc tác platin cho sản phẩm là axit lactic, platin được phân tán lên than hoạt tính là 19 xúc tác tốt cho phản ứng oxi hóa glucozơ thu được sản phẩm chính là axit lactic và axit gluconic. Ngày nay, sự ra đời và phát triển của công nghệ nano đã mở ra nhiều hướng đi rất khả thi trong lĩnh vực vật liệu mới nói chung và vật liệu xúc tác nói riêng. Một trong những vật liệu xúc tác đã được nghiên cứu và có khả năng ứng dụng cao là cấu trúc mao quản nano cacbon, silic và cacbon-silic làm pha nền mang các chất có hoạt tính xúc tác cao. Kim loại quý với kích thước nano thể hiện những tính chất oxi hoá mới trong các điều kiện phản ứng êm dịu khi được phân tán trên chất nền có bề mặt riêng lớn. Trên thế giới, các nghiên cứu về vật liệu xúc tác dị thể cho quá trình oxi hoá glucozơ đã thu được nhiều kết quả. Các hệ xúc tác mang kim loại, đa kim loại kích thước nano trên các chất nền có diện tích bề mặt lớn như cacbon hoạt tính, oxit Silic vô định hình, các vật liệu mao quản… đang được sử dụng trong công nghiệp hiện nay. Khi phân tán platin, bạc nano lên các vật liệu nền có diện tích bề mặt lớn không những giúp tiết kiệm xúc tác kim loại quí mà còn làm tăng độ hoạt động của chất xúc tác như tính chọn lọc và độ chuyển hóa cao cùng với việc kéo dài thời gian hoạt động của xúc tác nano[57,58]. Có nhiều phương pháp đưa kim loại lên vật liệu xốp như: phương pháp tẩm, phương pháp kết tủa; phương pháp đồng kết tủa, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp trao đổi ion... Trong đề tài này, việc tổng hợp vật liệu Pt/MCM-41, Ag/MCM-41 được thực hiện bằng phương pháp tẩm H 2PtCl6 và AgNO3 lên chất nền MCM-41 sử dụng chất khử là NaBH4. Theo các tác giả [3,4] thì phản ứng oxi hóa chọn lọc glucozơ thành axit gluconic phải thực hiện trong môi trường pH=9 và điều chỉnh bằng NaOH hoặc KOH [1], với mục đích thu được sản phẩm là muối canxi gluconat nên trong nghiên cứu này dùng Ca(OH)2 vừa để điều chỉnh pH đồng thời để tạo 20