SUPERVISOR
Hamed Zilouei,TAYEBEH BEHZAD
حمید زیلوئی (استاد راهنما) طیبه بهزاد (استاد راهنما)
STUDENT
Elham Aghaei
الهام آقائی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Preparation and Characterization of Biocomposite hydrogel based on Modified Starch Reinforced by Chitin Nanofibers Extracted from Rhizopus oryzae
Hydrogels are hydrophilic polymeric networks that are able to absorb huge amount of water. Their applications in industrial and environmental fields are increasingly interested due to their special characteristics and potentials. Hydrogels based on natural polymers like starch, due to their biocompability, biodegradability and abundant sources, are preferred to synthetic ones. Chitin is one of the most abundant biopolymers in nature that has been used recently in synthesis of composites as filler. The aim of this thesis is to extract and characterize chitin nanofibers from Rhizopus oryzae and then add nanofibers to hydrogel based on carboxymethyl-starch and consequently evaluate swelling capacity and heavy metal uptake potentials of hydrogel. In first part, chitin nanofibers was prepared through a chemical-mechanical method. Through the first step of chemical process, alkali insoluble materials (AIM) contains phosphate, chitosan and chitin was obtained by alkali treatment and separation of lipids, proteins and base soluble carbohydrates of cell wall of fungi. In the next step, phosphate was removed from AIM by dilute sulfuric acid and reached to 0.04 g/g AIM. Chitosan was eliminated by sulfuric acid (1% V/V) at 121 o C and chitin fibers (0.95 g/g AIM) was extracted. FTIR spectroscopy indicated the removal of alkali soluble materials, phosphate and chitosan. FTIR data of extracted chitin was in agreement with the results of similar researches. Chitin nanofibers were prepared by ultrasonication. Diameter of chitin fibers before and after ultrasonication were estimated, respectively, 3.8 µm and 49.5 nm by scanning electron microscopy. Furthermore, diameter distribution of chitin fibers after mechanical treatment showed that more than 80% of nanofibers had diameter less than 60 nm. Crystallinity index of nanofibers was assessed 70% by using XRD. In second part of the project, carboxymethyl-starch (CMS) was synthesized and characterized. Carboxymethylation reaction was performed in the presence of isopropanol, sodium hydroxide and monochloroacetic acid. Degree of substitution of carboxymethyl groups was estimated 1.7 using inductively coupled plasma-optic emission spectra (ICP-OES). FTIR data and SEM images confirmed carboxymethylation reaction. Hydrogel was prepared throughout crosslinking of CMS using adipic acid (AA) as crosslinker. Effect of synthesis temperature and AA/ anhydroglucosidic unit (AGU) molar ratio on swelling capacity and metal uptake of hydrogels were investigated. Swelling capacity was obtained 62 g/g dry hydrogel at synthesis temperature of 200 o C and AA/AGU=0.04. In order to enhance swelling capacity and metal uptake of hydrogel, different amounts of chitin nanofibers (3, 5, 7, and 10 % W/W CMS) were added to hydrogel. Maximum swelling of 76 g/g dry hydrogel was obtained for hydrogel reinforced by 5 % W/W nanofiber. Atomic absorption spectrophotometry analysis demonstrates the removal of 77.6%, 85.7% and 82% of Cu, Pb and Cd cations, respectively, from initial concentration of 100 mg/L aqueous solution. However, more than 90% removal of metals were obtained by hydrogel reinforced by 5% nanofiber. Morphology of hydrogels was evaluated by FE-SEM. Keywords: Rhizopus oryzae, chitin nanofiber, carboxymethyl starch, Hydrogel, degree of substitution, crosslinker.
هیدروژل ها مواد پلیمری با ساختار سه بعدی وآبدوست هستند که قادر به نگه داری مقادیر زیاد آب میباشند. کاربرد آنها در زمینه های صنعتی و زیست محیطی حائز اهمیت است. هیدروژل های بر پایهی پلیمرهای طبیعی مانند نشاسته به دلیل زیست تخریب پذیری، زیست سازگاری و منابع اولیه فراوان بر انواع سنتزی ترجیح داده میشوند. کیتین یکی از فراوان ترین پلیمرهای طبیعی است که اخیرا به عنوان پرکننده در تهیه کامپوزیت ها به کار میرود. هدف از این پژوهش استخراج و مشخصه یابی نانوالیاف کیتین از قارچ رایزوپوس اوریزائه و بررسی اثر افزودن آن به شبکه هیدروژل بر پایه کربوکسی متیل نشاسته میباشد. در بخش اول، کیتین طی یک فراوری شیمیایی و عملیات مکانیکی از قارچ استخراج گردید. طی فراوری شیمیایی ابتدا لیپیدها، پروتئینها و کربوهیدراتهای محلول در باز با شستشوی قلیایی از زیست توده حذف و دیواره سلولی حاصل شد. در مرحلهی بعد، فسفات موجود در دیواره به کمک اسید سولفوریک رقیق حذف و میزان آن به 04/0 گرم بر گرم دیواره سلولی رسید. کیتوزان توسط اسیدسولفوریک 1% در دمای 121 درجه سانتی گراد کاملا حذف گردید و کیتین با خلوص 95/0 گرم بر گرم دیواره سلولی حاصل شد. نتایج طیف سنجی FTIR در مراحل مختلف نشان داد که در هر مرحله، حذف مواد ماتریسی با موفقیت انجام شده است و طیف FTIR کیتین استخراج شده در توافق با طیف کیتین تجاری موجود در مراجع میباشد. به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی میانگین قطر الیاف و نانوالیاف کیتین به ترتیب قبل و بعد از عملیات مکانیکی امواج فراصوت 8/3 میکرومتر و 5/49 نانومتر اندازه گیری و بلورینگی نانوالیاف حاصل طبق داده های حاصل از پراش اشعه ایکس 70% محاسبه شد. نمودار توزیع قطر الیاف و نانوالیاف نیز بررسی شد. در قسمت دوم، به منظور تهیه هیدروژل نشاسته، کربوکسی متیل نشاسته سنتز و مشخصه یابی گردید. عامل دار کردن نشاسته طی یک واکنش شیمیایی در حضور ایزوپروپانل، سدیم هیدروکسید و اسید مونوکلرواستیک انجام و گروه سدیم کربوکسی متیل جایگزین گروه های هیدروکسیل نشاسته گردید. درجه جانشینی گروههای کربوکسی متیل به کمک آنالیز ICP-OES ، برابر 7/1 محاسبه شد. همچنین طیف سنجی مادون قرمز و بررسی مورفولوژی آن به کمک میکروسکوپ الکترونی روبشی ، جایگزینی گروه های کربوکسی متیل را تائید کرد. سنتز هیدروژل از طریق اتصال عرضی کربوکسی متیل نشاسته در حضور اسید آدیپیک انجام گردید. بهترین دمای سنتز و نسبت مول اتصال دهندهی عرضی به مونومر سازندهی نشاسته به منظور دستیابی به بیشترین میزان تورم هیدروژل در آب، برابر 200 درجه سانتی گراد و 04/0 تعیین و جذب آب برابر 62 گرم بر گرم هیدروژل خشک اندازه گیری شد. مقادیر مختلف نانوالیاف کیتین3 ، 5 ، 7 و 10درصد وزنی به منظور تقویت هیدروژل بر پایه نشاسته استفاده شد. بیشترین تورم هیدروژل، مربوط به نمونهی کامپوزیتی تقویت شده با 5% نانوالیاف کیتین و به میزان 76 گرم بر گرم هیدروژل خشک بود. جذب فلزات سنگین مس، سرب و کادمیم از محلول با غلظت اولیه 100 میلی گرم بر لیتر ، برای هیدروژل با طیف سنجی جذب اتمی به ترتیب 6/77 ، 7/85 و 82 % و برای نمونهی تقویت شده با 5% نانوالیاف بیش از 90% اندازه گیری شد. مورفولوژی هیدروژل نشاسته و نمونه تقویت شده با نانوالیاف با FE-SEM بررسی شد. کلمات کلیدی : قارچ رایزوپوس اوریزائه ، نانوالیاف کیتین ، کربوکسی متیل نشاسته ، هیدروژل ، درجه جانشینی، اتصال دهندهی عرضی.