Nghiên cứu loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên bằng nhôm hydroxit và ứng dụng trong sản xuất găng tay y tế

Nghiên cứu loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên bằng nhôm hydroxit, ứng dụng sản xuất găng tay y tế. Giải pháp tiềm năng cho sản phẩm an toàn hơn.

• Tác giả: Lê Thị Thu Trang
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Trung Nghĩa
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Hoá học
• Đề tài: Nghiên cứu quá trình loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên bằng Nhôm hydroxit và ứng dụng trong sản xuất găng tay y tế
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: Tổng quan về cao su thiên nhiên
• 1.1. Tình hình ngành cao su ở Việt Nam và trên thế giới
• 1.2. Latex cao su thiên nhiên
• 1.3. Cấu trúc hoá học và tính chất của cao su thiên nhiên
• 1.4. Cao su thiên nhiên tách loại protein
• 1.5. Lưu hoá cao su thiên nhiên
• 1.5.1. Hệ lưu hoá thông thường
• 1.5.2. Hệ lưu hoá hiệu suất cao
• 1.5.3. Hệ lưu hoá bán hiệu quả
• 1.6. Tổng quan về nhôm hydroxit
• 1.6.1. Nhôm tri hydroxit
• 1.6.2. Nhôm mônô hydroxit
• 1.7. Cơ chế loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên bằng Al(OH)3
• 1.8. Hoá chất và thiết bị
• 1.9. Quy trình loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên
• 1.10. Quy trình lưu hoá cao su thiên nhiên sau khi loại bỏ protein
• 1.11. Các phương pháp đánh giá
• 1.11.1. Phương pháp Kjeldahl xác định hàm lượng Nitơ tổng
• 1.11.2. Phương pháp đo phổ hồng ngoại FT-IR
• 1.11.3. Phương pháp đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR
• 1.11.4. Phương pháp xác định hàm lượng gel
• 1.11.5. Phương pháp xác định tính chất cơ học của vật liệu
• 2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.1. Hàm lượng Nitơ tổng của các mẫu đã khử protein (DPNR)
• 2.2. Điều kiện tối ưu của phương pháp khử protein bằng Al(OH)3
• 2.3. Hàm lượng Nitơ tổng của phương pháp khử protein bằng Urê
• 2.4. Phổ FT-IR
• 2.4.1. Phổ FT-IR các HANR và DPNR-A
• 2.4.2. Phổ FT-IR của HANR và DPNR-U
• 2.5. Phổ 1H-NMR
• 2.5.1. Phổ 1H-NMR của HANR, DPNR-A
• 2.5.2. Phổ 1H-NMR của HANR, DPNR-U
• 2.6. Hàm lượng gel
• 2.7. Tính chất cơ tính
• 2.7.1. Tính chất cơ tính của HANR và DPNR-A
• 2.7.2. Tính chất cơ tính của HANR và DPNR-U
• 2.7.3. Tính chất cơ tính của mẫu găng tay
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Loại Bỏ Protein Cao Su Thiên Nhiên

Mủ cao su thiên nhiên (CSTN) là vật liệu đa năng, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất thiết bị y tế, đồ gia dụng và công nghiệp. Tính chất ưu việt như kháng nước, cách điện, độ giãn dài, đàn hồi và độ bền kéo cao, cùng với sự thân thiện môi trường, mang lại nhiều lợi ích. Tuy nhiên, các sản phẩm như găng tay phẫu thuật và ống thông, làm từ cao su tự nhiên, có thể gây dị ứng (sốc phản vệ) do protein có trong cao su thiên nhiên. Vì vậy, việc loại bỏ protein là cần thiết để mở rộng ứng dụng của CSTN trong các lĩnh vực đòi hỏi tính an toàn cao, đặc biệt là trong sản xuất găng tay y tế.

1.1. Tình Hình Sản Xuất và Tiêu Thụ Cao Su Thiên Nhiên Toàn Cầu

Ngành cao su thiên nhiên đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế của nhiều quốc gia. Năm 2021, Việt Nam xếp thứ ba về sản lượng cao su thiên nhiên trên thế giới và dẫn đầu về năng suất trong khu vực châu Á. Thái Lan là nước sản xuất cao su thiên nhiên lớn nhất, chiếm 34,7% sản lượng toàn cầu. Hiệp hội Các nước sản xuất cao su thiên nhiên (ANRPC) dự đoán nguồn cung cao su có thể thiếu hụt đến năm 2031 do khoảng cách cung cầu ngày càng lớn. Việt Nam dự kiến sản xuất 425 nghìn tấn mủ cao su trong năm 2023, đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước và xuất khẩu.

1.2. Thành Phần và Cấu Trúc Hóa Học của Cao Su Latex

Mủ latex là một hệ keo phức tạp chứa nhiều thành phần khác nhau, trong đó isopren chiếm phần lớn. Latex bao gồm pha cao su (polyisopren), pha nước (chất lỏng liên tục), lipid, carbohydrate, protein, các chất vô cơ, và các thành phần nhỏ khác. Cấu trúc hóa học của cao su thiên nhiên chủ yếu là chuỗi polyisopren với một lượng nhỏ các nhóm chức khác. Cấu trúc này quyết định các tính chất vật lý và hóa học đặc trưng của cao su thiên nhiên, bao gồm độ đàn hồi, độ bền kéo và khả năng chịu mài mòn.

II. Tại Sao Cần Loại Bỏ Protein Trong Sản Xuất Găng Tay Y Tế

Găng tay phẫu thuật và các thiết bị y tế làm từ cao su thiên nhiên có thể gây dị ứng nghiêm trọng, thậm chí sốc phản vệ, do các protein trong cao su. Các protein này hoạt động như kháng nguyên IgE, gây ra phản ứng mẫn cảm cấp tính loại I. Vì vậy, việc loại bỏ protein là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Các phương pháp khử protein khác nhau đã được nghiên cứu, nhằm giảm thiểu tối đa hàm lượng protein còn sót lại trong sản phẩm cuối cùng, đảm bảo chất lượng và an toàn găng tay y tế.

2.1. Dị Ứng Latex Nguyên Nhân Triệu Chứng và Mức Độ Nghiêm Trọng

Dị ứng latex là phản ứng quá mẫn của hệ miễn dịch đối với các protein có trong cao su thiên nhiên. Các triệu chứng có thể từ nhẹ (nổi mề đay, ngứa) đến nghiêm trọng (khó thở, sốc phản vệ). Mức độ nghiêm trọng phụ thuộc vào mức độ tiếp xúc và độ nhạy cảm của từng cá nhân. Việc sử dụng găng tay y tế ít protein giúp giảm thiểu nguy cơ dị ứng latex, bảo vệ sức khỏe cho cả nhân viên y tế và bệnh nhân. Các nhà nghiên cứu liên tục tìm kiếm giải pháp giảm thiểu tối đa nguy cơ này.

2.2. Các Tiêu Chuẩn Quốc Tế Về Hàm Lượng Protein Trong Găng Tay Y Tế

Các tiêu chuẩn quốc tế, chẳng hạn như tiêu chuẩn EN 455-3, quy định hàm lượng protein tối đa cho phép trong găng tay y tế. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này là bắt buộc để đảm bảo an toàn găng tay y tế và giảm thiểu nguy cơ dị ứng latex. Các nhà sản xuất găng tay y tế cần áp dụng các quy trình kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt để đảm bảo sản phẩm đáp ứng các yêu cầu khắt khe về hàm lượng protein. Sự tuân thủ các tiêu chuẩn này cũng giúp nâng cao uy tín của sản phẩm trên thị trường quốc tế.

III. Phương Pháp Loại Bỏ Protein Cao Su Nhôm Hydroxit vs

Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng nhôm hydroxit [Al(OH)3] để loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên. Các phương pháp khác bao gồm sử dụng enzyme, chất hoạt động bề mặt (SDS), hoặc kết hợp SDS và urê. Nhôm hydroxit có ưu điểm là hiệu quả khử protein cao, chi phí thấp và ít gây hại cho môi trường. Nghiên cứu so sánh hiệu quả của nhôm hydroxit với urê, đánh giá tác động của từng phương pháp lên tính chất của cao su và khả năng ứng dụng trong sản xuất găng tay y tế.

3.1. Cơ Chế Loại Bỏ Protein Bằng Nhôm Hydroxit Al OH 3

Nhôm hydroxit biến tính protein, tạo thành phức hợp protein-nhôm, sau đó được loại bỏ bằng ly tâm. Cơ chế này khác với việc sử dụng enzyme (phân giải protein) hoặc urê (biến tính protein). Nhôm hydroxit có khả năng liên kết mạnh mẽ với các protein, làm thay đổi cấu trúc và giảm khả năng gây dị ứng. Nghiên cứu này khám phá chi tiết cơ chế phản ứng giữa nhôm hydroxit và protein trong môi trường cao su thiên nhiên.

3.2. So Sánh Hiệu Quả Nhôm Hydroxit So Với Enzyme và Urê

Các phương pháp loại bỏ protein khác nhau có ưu nhược điểm riêng. Enzyme có thể gây phản ứng dị ứng, SDS và urê có thể không loại bỏ hoàn toàn protein. Nhôm hydroxit được chứng minh là phương pháp hiệu quả và an toàn, giảm hàm lượng nitơ tổng số từ 0,27% xuống 0,005% trọng lượng. Nghiên cứu so sánh chi tiết hiệu quả của nhôm hydroxit, enzyme và urê, đánh giá các chỉ số như hàm lượng nitơ, tính chất cơ học và khả năng giảm dị ứng latex.

3.3. Ưu điểm của nhôm Hydroxit trong Công Nghiệp Cao Su

Nhôm hydroxit mang lại nhiều lợi thế trong công nghiệp cao su. Khả năng loại bỏ protein hiệu quả giúp giảm nguy cơ dị ứng, đồng thời duy trì tính chất cơ học của cao su. Chi phí thấp và quy trình xử lý đơn giản làm cho nhôm hydroxit trở thành lựa chọn kinh tế cho các nhà sản xuất găng tay y tế. Ngoài ra, tính thân thiện với môi trường của nhôm hydroxit làm tăng tính bền vững của quy trình sản xuất.

IV. Quy Trình Loại Bỏ Protein và Sản Xuất Găng Tay Y Tế Từ Cao Su

Nghiên cứu mô tả chi tiết quy trình loại bỏ protein bằng nhôm hydroxit, bao gồm các bước: trộn cao su với nhôm hydroxit và chất hoạt động bề mặt, ly tâm để loại bỏ protein, và xử lý sau để cải thiện tính chất cao su. Sau đó, cao su đã khử protein được sử dụng để sản xuất găng tay y tế quy mô phòng thí nghiệm, với các bước lưu hóa, tạo hình và kiểm tra chất lượng. Quy trình này được tối ưu hóa để đạt hiệu quả loại bỏ protein cao nhất và đảm bảo chất lượng găng tay y tế.

4.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Loại Bỏ Protein Bằng Nhôm Hydroxit

Nồng độ nhôm hydroxit, thời gian phản ứng, số lần ly tâm, và pH ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả loại bỏ protein. Nghiên cứu khảo sát các yếu tố này để tìm ra điều kiện tối ưu cho quá trình khử protein. Kết quả cho thấy việc điều chỉnh các yếu tố này có thể cải thiện đáng kể hiệu quả loại bỏ protein và chất lượng cao su sau xử lý.

4.2. Quy Trình Lưu Hóa và Tạo Hình Găng Tay Y Tế Từ Cao Su Đã Khử Protein

Cao su đã khử protein được trộn với các chất phụ gia (lưu huỳnh, ZnO, ZDEC, chất chống oxy hóa, chất ổn định) và lưu hóa để tạo thành găng tay y tế. Quy trình tạo hình bao gồm nhúng khuôn vào dung dịch cao su, sấy khô và tháo găng tay khỏi khuôn. Chất lượng găng tay y tế được kiểm tra bằng các phương pháp đánh giá độ bền kéo, độ giãn dài và khả năng chống rách.

4.3. Thí Nghiệm và Thiết Bị

Để thực hiện nghiên cứu này, các thiết bị và hóa chất sau đã được sử dụng: máy ly tâm lạnh MX-350, TOMY, bộ chưng cất Kjeldahl, máy đo phổ FT-IR Thermo Scientific Nicolet iS50, thiết bị JEOL ECA 400 FT-NMR, thiết bị Toyoseiki Strograph VG5E. Các hóa chất sử dụng bao gồm: Nhôm hydroxit, Urê, SDS, Lưu huỳnh, ZnO, ZDEC (chất xúc tiến lưu hóa), chất chống oxy hóa, chất ổn định.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Chất Lượng Găng Tay Ít Protein Từ Nhôm Hydroxit

Kết quả nghiên cứu cho thấy cao su được xử lý bằng nhôm hydroxit có hàm lượng nitơ thấp (0,005% trọng lượng), tương đương với các phương pháp khử protein tiên tiến khác. Tính chất cơ học (độ bền kéo, độ giãn dài) của cao su cũng được cải thiện, đảm bảo chất lượng găng tay y tế. Phân tích FTIR và NMR xác nhận sự giảm tín hiệu protein mà không ảnh hưởng đến cấu trúc hóa học chính của cao su.

5.1. Phân Tích FT IR và NMR Xác Nhận Loại Bỏ Protein Không Ảnh Hưởng Cấu Trúc Cao Su

Phân tích FTIR và NMR cho thấy sự giảm đáng kể tín hiệu protein trong cao su đã xử lý bằng nhôm hydroxit, mà không làm thay đổi cấu trúc hóa học chính của polyisopren. Điều này chứng tỏ nhôm hydroxit loại bỏ hiệu quả protein mà không ảnh hưởng đến tính chất vật liệu của cao su.

5.2. Đánh Giá Tính Chất Cơ Học Độ Bền Kéo và Độ Giãn Dài của Găng Tay

Độ bền kéo và độ giãn dài của găng tay y tế sản xuất từ cao su đã khử protein bằng nhôm hydroxit tương đương với các sản phẩm thương mại khác. Điều này chứng minh rằng việc loại bỏ protein không làm giảm chất lượng và hiệu suất của găng tay.

5.3. So sánh hàm lượng nitơ

Hàm lượng nitơ đã giảm đáng kể từ 0.27% xuống 0.005% khi sử dụng Nhôm hydroxit. Kết quả này tương đương so với phương pháp sử dụng Urê. Ngoài ra, các đặc tính cơ học như độ giãn dài và độ bền kéo có thay đổi, cho thấy vai trò của protein trong việc hình thành mạng lưới liên kết trong cao su thiên nhiên.

VI. Kết Luận Triển Vọng Ứng Dụng Cao Su Khử Protein Trong Y Tế

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của việc sử dụng nhôm hydroxit để loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên. Găng tay y tế sản xuất từ cao su đã khử protein có chất lượng tương đương các sản phẩm thương mại, giảm thiểu nguy cơ dị ứng latex. Nghiên cứu này mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi cao su đã khử protein trong các lĩnh vực y tế và công nghiệp, mang lại lợi ích kinh tế và xã hội.

6.1. Tóm Tắt Những Phát Hiện Quan Trọng và Đóng Góp Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã xác định điều kiện tối ưu cho việc loại bỏ protein bằng nhôm hydroxit, chứng minh hiệu quả và tính an toàn của phương pháp. Nghiên cứu cũng đóng góp vào sự hiểu biết về cơ chế phản ứng giữa nhôm hydroxit và protein, mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực vật liệu cao su.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo và Khả Năng Ứng Dụng Thực Tế

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình loại bỏ protein, giảm chi phí sản xuất và nâng cao tính bền vững của quy trình. Nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang các ứng dụng khác của cao su đã khử protein, như sản xuất ống thông, băng gạc và các thiết bị y tế khác.Việc đưa công nghệ này vào sản xuất công nghiệp sẽ giúp giảm thiểu nguy cơ dị ứng và nâng cao chất lượng cuộc sống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Cao su thiên nhiên (CSTN) là nguyên liệu quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất thiết bị y tế, đặc biệt là găng tay y tế, với sản lượng toàn cầu dự kiến đạt khoảng 14,9 triệu tấn vào năm 2023. Tuy nhiên, protein có trong mủ cao su là nguyên nhân chính gây dị ứng cấp tính cho người sử dụng, làm hạn chế ứng dụng của vật liệu này. Nghiên cứu tập trung vào việc loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên bằng Nhôm hydroxit (Al(OH)3) nhằm giảm thiểu nguy cơ dị ứng, đồng thời giữ nguyên các đặc tính cơ học cần thiết cho sản phẩm y tế. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Bách Khoa Hà Nội từ năm 2021 đến 2023, sử dụng mủ cao su thiên nhiên Việt Nam làm nguyên liệu. Mục tiêu chính là tối ưu hóa quá trình loại bỏ protein bằng Al(OH)3, so sánh hiệu quả với phương pháp truyền thống sử dụng Urê, và ứng dụng kết quả trong sản xuất găng tay y tế. Việc giảm hàm lượng protein từ 0,27% trọng lượng xuống còn khoảng 0,005% trọng lượng không chỉ nâng cao tính an toàn cho người dùng mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của CSTN trong ngành y tế, góp phần phát triển bền vững ngành cao su Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về cấu trúc hóa học và tính chất vật lý của cao su thiên nhiên, đặc biệt là vai trò của protein trong cấu trúc hạt cao su và ảnh hưởng của nó đến tính ổn định latex. Protein trong CSTN là nguyên nhân gây dị ứng, do đó việc loại bỏ protein là cần thiết để mở rộng ứng dụng. Lý thuyết về cơ chế tạo phức hợp giữa protein và Nhôm hydroxit được áp dụng, trong đó Al(OH)3 hoạt động như một chất biến tính protein, tạo phức hợp protein-nhôm dễ dàng loại bỏ bằng ly tâm. Mô hình nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của nồng độ Al(OH)3, thời gian phản ứng và số lần ly tâm đến hiệu quả loại bỏ protein. Các khái niệm chính bao gồm: protein latex, phức hợp protein-nhôm, quá trình ly tâm tách protein, và các chỉ tiêu đánh giá như hàm lượng nitơ tổng, phổ FT-IR, phổ 1H-NMR và tính chất cơ học của cao su.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mủ cao su thiên nhiên Việt Nam được xử lý tại phòng thí nghiệm Trung tâm Khoa học và Công nghệ Cao su, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Chuẩn bị mẫu: Mủ cao su được pha loãng, thêm chất hoạt động bề mặt SDS 1% và Al(OH)3 với các nồng độ khác nhau (0,05-3% trọng lượng), ủ trong thời gian từ 1 đến 72 giờ.
• Quá trình ly tâm: Thực hiện ly tâm ở 10.000 vòng/phút trong 30 phút ở 15°C, với số lần ly tâm từ 1 đến 3 lần để loại bỏ phức hợp protein-nhôm.
• Phân tích hàm lượng protein: Xác định hàm lượng nitơ tổng bằng phương pháp Kjeldahl, làm chỉ số gián tiếp đánh giá protein còn lại trong cao su.
• Phân tích cấu trúc: Sử dụng phổ hồng ngoại FT-IR và phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR để đánh giá sự biến đổi cấu trúc protein và cao su sau xử lý.
• Đánh giá tính chất cơ học: Đo độ bền kéo và độ giãn dài của cao su đã loại protein và sản phẩm găng tay để so sánh với mẫu đối chứng và sản phẩm thương mại.
• Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 3/2021 đến tháng 8/2023, với các giai đoạn khảo sát điều kiện tối ưu, phân tích mẫu và ứng dụng sản xuất găng tay quy mô phòng thí nghiệm.

Cỡ mẫu được lựa chọn phù hợp với quy mô phòng thí nghiệm, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả. Phương pháp phân tích được chọn nhằm đảm bảo độ chính xác cao và khả năng so sánh với các phương pháp truyền thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nồng độ Al(OH)3: Khi sử dụng 0,5% trọng lượng Al(OH)3 kết hợp với 1% SDS và ủ trong 24 giờ, hàm lượng nitơ tổng giảm từ 0,27% (mẫu HANR) xuống còn 0,041% trọng lượng. Nồng độ thấp hơn hoặc cao hơn 0,5% làm giảm hiệu quả loại bỏ protein (Bảng 7).

2. Ảnh hưởng của thời gian ủ: Thời gian ủ kéo dài đến 48 giờ giúp giảm hàm lượng nitơ tổng xuống 0,032% trọng lượng, sau đó không giảm đáng kể khi kéo dài thêm (Bảng 8). Thời gian ủ dưới 2 giờ chỉ giảm nitơ xuống khoảng 0,056%.

3. Ảnh hưởng của số lần ly tâm: Sau lần ly tâm đầu tiên, hàm lượng nitơ giảm xuống 0,031%, lần thứ hai còn 0,016%, và lần thứ ba đạt mức thấp nhất 0,005% trọng lượng (Bảng 9). Ly tâm nhiều lần hơn không làm giảm thêm hàm lượng nitơ nhưng tăng chi phí và tiêu hao năng lượng.

4. So sánh với phương pháp Urê: Phương pháp loại bỏ protein bằng Urê sau ba lần ly tâm chỉ giảm hàm lượng nitơ xuống 0,024%, cao hơn đáng kể so với 0,005% của phương pháp Al(OH)3 (Bảng 10). Điều này chứng tỏ hiệu quả vượt trội của Al(OH)3 trong việc loại bỏ protein.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy Al(OH)3 có khả năng biến tính protein trong cao su thiên nhiên, tạo phức hợp protein-nhôm dễ dàng loại bỏ bằng ly tâm, làm giảm hàm lượng protein hiệu quả hơn so với Urê. Việc sử dụng SDS làm chất hoạt động bề mặt hỗ trợ quá trình biến tính và tách protein khỏi hạt cao su. Thời gian ủ 48 giờ là tối ưu để đạt hiệu quả cao mà không gây ảnh hưởng đến cấu trúc chính của cao su, được xác nhận qua phổ FT-IR và 1H-NMR không có sự thay đổi đáng kể trong cấu trúc polyisoprene. Số lần ly tâm ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ loại bỏ protein, tuy nhiên ly tâm quá nhiều không mang lại lợi ích đáng kể và làm tăng chi phí sản xuất.

Phân tích phổ FT-IR và 1H-NMR cho thấy tín hiệu đặc trưng của protein giảm rõ rệt sau xử lý bằng Al(OH)3, trong khi cấu trúc hóa học của cao su thiên nhiên vẫn được bảo toàn. Tính chất cơ học của cao su đã loại protein có sự thay đổi nhẹ về độ giãn dài và độ bền kéo, phản ánh vai trò của protein trong mạng lưới liên kết của cao su. Tuy nhiên, sản phẩm găng tay cuối cùng vẫn đạt các chỉ tiêu cơ học tương đương với sản phẩm thương mại, đảm bảo tính ứng dụng thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong hàm lượng nitơ theo thời gian ủ và số lần ly tâm, cũng như bảng so sánh hàm lượng nitơ giữa các phương pháp. Biểu đồ phổ FT-IR và 1H-NMR minh họa sự giảm tín hiệu protein cũng là bằng chứng quan trọng cho hiệu quả loại bỏ protein.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình loại bỏ protein bằng Al(OH)3 trong sản xuất công nghiệp: Khuyến nghị sử dụng 0,5% trọng lượng Al(OH)3 kết hợp 1% SDS, ủ 48 giờ và ly tâm 3 lần để đạt hiệu quả tối ưu, giảm hàm lượng protein xuống mức an toàn cho sản phẩm y tế. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 2 ngày, phù hợp với quy mô sản xuất hiện đại.

2. Tối ưu hóa thiết bị ly tâm và quy trình xử lý: Đầu tư vào máy ly tâm công suất lớn, tiết kiệm năng lượng để giảm chi phí vận hành, đồng thời đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định. Chủ thể thực hiện là các nhà máy sản xuất cao su và thiết bị y tế.

3. Kiểm soát chất lượng nguyên liệu đầu vào: Đảm bảo mủ cao su thiên nhiên có chất lượng ổn định, hàm lượng protein ban đầu được kiểm soát để tối ưu hóa hiệu quả loại bỏ protein. Các cơ quan quản lý và nhà cung cấp nguyên liệu cần phối hợp thực hiện.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục ứng dụng phương pháp loại bỏ protein bằng Al(OH)3 cho các sản phẩm cao su thiên nhiên khác như ống thông y tế, dây cao su chỉnh hình nhằm nâng cao giá trị và an toàn sản phẩm.

5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và công nhân trong ngành cao su để áp dụng quy trình mới hiệu quả, đồng thời xây dựng tài liệu hướng dẫn chi tiết. Thời gian triển khai trong vòng 6 tháng sau khi hoàn thành nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà sản xuất thiết bị y tế từ cao su thiên nhiên: Nghiên cứu cung cấp giải pháp giảm thiểu dị ứng do protein, giúp nâng cao chất lượng và an toàn sản phẩm như găng tay phẫu thuật, ống thông y tế.

2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học, Kỹ thuật hóa học: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên, phục vụ cho các nghiên cứu phát triển vật liệu polymer thiên nhiên.

3. Cơ quan quản lý chất lượng và an toàn sản phẩm: Thông tin về hàm lượng protein và phương pháp kiểm soát giúp xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định an toàn cho sản phẩm cao su thiên nhiên trong ngành y tế.

4. Doanh nghiệp sản xuất cao su và vật liệu polymer: Áp dụng quy trình loại bỏ protein bằng Al(OH)3 để nâng cao giá trị sản phẩm, mở rộng thị trường xuất khẩu và đáp ứng yêu cầu khắt khe về an toàn sức khỏe người tiêu dùng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên?
   Protein trong cao su thiên nhiên là nguyên nhân chính gây dị ứng cấp tính cho người sử dụng, đặc biệt trong các sản phẩm y tế như găng tay phẫu thuật. Loại bỏ protein giúp giảm nguy cơ dị ứng và mở rộng ứng dụng của vật liệu.

2. Phương pháp loại bỏ protein bằng Al(OH)3 có ưu điểm gì so với Urê?
   Phương pháp sử dụng Al(OH)3 giảm hàm lượng protein xuống mức thấp hơn (0,005% so với 0,024% của Urê), đồng thời không làm thay đổi cấu trúc hóa học của cao su và giữ được tính chất cơ học cần thiết cho sản phẩm.

3. Quá trình ly tâm ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả loại bỏ protein?
   Số lần ly tâm tăng giúp loại bỏ nhiều protein hơn, với ba lần ly tâm là tối ưu để đạt hàm lượng nitơ thấp nhất. Ly tâm quá nhiều lần không cải thiện đáng kể hiệu quả mà tăng chi phí và tiêu hao năng lượng.

4. Thời gian ủ với Al(OH)3 bao lâu là phù hợp?
   Thời gian ủ 48 giờ được xác định là tối ưu, giúp giảm hàm lượng protein hiệu quả mà không gây ảnh hưởng đến cấu trúc cao su. Thời gian ngắn hơn làm giảm hiệu quả loại bỏ protein.

5. Phương pháp này có thể áp dụng cho các sản phẩm cao su thiên nhiên khác không?
   Có, quy trình loại bỏ protein bằng Al(OH)3 có thể mở rộng ứng dụng cho các sản phẩm cao su thiên nhiên khác như dây cao su chỉnh hình, túi đá y tế, giúp nâng cao tính an toàn và chất lượng sản phẩm.

Kết luận

• Nghiên cứu đã thành công trong việc tối ưu hóa quá trình loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên bằng Nhôm hydroxit, giảm hàm lượng nitơ tổng từ 0,27% xuống còn 0,005% trọng lượng.
• Phương pháp sử dụng 0,5% Al(OH)3, 1% SDS, ủ 48 giờ và ly tâm 3 lần là điều kiện tối ưu cho hiệu quả loại bỏ protein cao nhất.
• Kết quả so sánh cho thấy phương pháp Al(OH)3 vượt trội hơn so với phương pháp truyền thống sử dụng Urê về hiệu quả loại bỏ protein và giữ nguyên tính chất cơ học của cao su.
• Ứng dụng quy trình này trong sản xuất găng tay y tế cho thấy sản phẩm đạt tiêu chuẩn cơ học tương đương với sản phẩm thương mại, đồng thời giảm thiểu nguy cơ dị ứng cho người sử dụng.
• Đề xuất triển khai áp dụng quy trình trong công nghiệp, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các sản phẩm cao su thiên nhiên khác nhằm nâng cao giá trị và an toàn sản phẩm.

Hành động tiếp theo là chuyển giao công nghệ và đào tạo kỹ thuật cho các nhà sản xuất, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến quy trình để nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Tổng quan về cao su thiên nhiên. Tình hình ngành cao su ở Việt Nam và trên thế giới. Latex cao su thiên nhiên.

Cấu trúc hoá học và tính chất của cao su thiên nhiên. Cao su thiên nhiên tách loại protein. Lưu hoá cao su thiên nhiên. Hệ lưu hoá thông thường.

Hệ lưu hoá hiệu suất cao. Hệ lưu hoá bán hiệu quả. Tổng quan về nhôm hydroxit. Nhôm tri hydroxit.

Nhôm mônô hydroxit. Cơ chế loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên bằng Al(OH)3. Hoá chất và thiết bị. Quy trình loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên.

Quy trình lưu hoá cao su thiên nhiên sau khi loại bỏ protein. Các phương pháp đánh giá. Phương pháp Kjeldahl xác định hàm lượng Nitơ tổng. Phương pháp đo phổ hồng ngoại FT-IR.

Phương pháp đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR. Phương pháp xác định hàm lượng gel. Phương pháp xác định tính chất cơ học của vật liệu. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.

Hàm lượng Nitơ tổng của các mẫu đã khử protein (DPNR). Điều kiện tối ưu của phương pháp khử protein bằng Al(OH)3. Hàm lượng Nitơ tổng của phương pháp khử protein bằng Urê. Phổ FT-IR.

Phổ FT-IR các HANR và DPNR-A. Phổ FT-IR của HANR và DPNR-U. Phổ 1H-NMR của HANR, DPNR-A. Phổ 1H-NMR của HANR, DPNR-U.

Hàm lượng gel. Tính chất cơ tính. Tính chất cơ tính của HANR và DPNR-A. Tính chất cơ tính của HANR và DPNR-U.

Tính chất cơ tính của mẫu găng tay. 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 53 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Cây cao su. 1 Hình 2: Sản lượng xuất khẩu CSTN tháng 4 năm 2023.

2 Hình 3: Sản lượng cao su nhập khẩu năm 2022. 3 Hình 4: Sự thay đổi DRC theo mùa của cây trồng. 7 Hình 5: Mô tả cấu trúc mặt cắt của hạt CSTN (a) và chuỗi cao su (b). 8 Hình 6: Cấu trúc điểm nhánh của cao su thiên nhiên.

9 Hình 7: Cơ chế loại bỏ protein trong CSTN bằng SDS, Urê và dung môi. 11 Hình 8: Các sản phẩm từ cao su lưu hoá. 12 Hình 9: Mô tả quá trình lưu hoá cao su với lưu huỳnh. 14 Hình 10: Cấu tạo của Gibbsit.

16 Hình 11: Cấu trúc của Gibbsit. 16 Hình 12: Cấu trúc của Bayerit. 17 Hình 13: Cấu trúc lớp của Bayerit. 17 Hình 14: Cấu trúc tinh thể của Nordstrandit.

18 Hình 15: Ô mạng cơ sở của Bemit. 19 Hình 16: Cấu trúc của Diaspor. 19 Hình 17: Sự phụ thuộc của thành phần ion nhôm vào pH. 19 Hình 18: Cấu trúc protein trước (A) và sau (B) khi bị biến tính với Al(OH)3.

20 Hình 19: Cơ chế loại bỏ protein trong latex CSTN bằng Nhôm hydroxit. 21 Hình 20: Quá trình ly tâm tách protein. 21 Hình 21: Ảnh SAED (a), TEM (b), SEM (c) của tinh thể Nhôm hydroxit. 22 Hình 22: Công nhân thu hoạch mủ tại vườn.

23 Hình 23: Sơ đồ quy trình loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên. 24 Hình 24: Máy ly tâm lạnh MX-350, TOMY. 25 Hình 25: Sơ đồ quy trình chế tạo găng tay. 26 Hình 26: Mẫu sau khi se viền (trái) và khi thoát găng (phải).

27 Hình 27: Dung dịch tạo đông và dung dịch latex trong nghiên cứu. 27 Hình 28: Bộ chưng cất Kjeldahl. 29 Hình 29: Quy trình xác định hàm lượng Nitơ tổng. 30 Hình 30: Dung dịch trước và sau khi chuẩn độ.

31 Hình 31: Máy đo phổ FT-IR Thermo Scientific Nicolet iS50. 31 Hình 32: Thiết bị JEOL ECA 400 FT-NMR. 32 Hình 33: Thiết bị Toyoseiki Strograph VG5E. 33 Hình 34: Mẫu No.7 theo tiêu chuẩn JIS K6251.

33 Hình 35: Hàm lượng Nitơ tổng của HANR và DPNR-A. 34 Hình 36: Hàm lượng Nitơ tổng của HANR và DPNR-A ở các thời gian. 35 Hình 37: Hàm lượng Nitơ tổng của DPNR-A ở các lần ly tâm. 36 Hình 38: Màu sắc của HANR và DPNR-A sau khi sấy.

37 Hình 39: Hàm lượng Nitơ tổng của DPNR-A và DPNR-U ở các lần ly tâm. 38 Hình 40: Phổ FT-IR của HANR, DPNR-A1, DPNR-A2 và DPNR-A3. 39 Hình 41: Phổ FT-IR của HANR, DPNR-U1, DPNR-U2 và DPNR-U3. 41 Hình 42: Phổ 1H-NMR của HANR DPNR-A1, DPNR-A2, DPNR-A3.

42 Hình 43: Phổ 1H-NMR của HANR, DPNR-U1, DPNR-U2 và DPNR-U3. 44 Hình 44: Gel sau khi lọc (A) và sau khi sấy khô (B). 45 Hình 45: Cao su ngâm trong toluen. 45 Hinh 46: Mối quan hệ giữa hàm lượng gel và nitơ tổng của DPNR.

46 Hình 47: Đường cong ứng suất - biến dạng của HANR và DPNR-A1 DPNR-A2, DPNR-A3. 47 Hình 48: Đường cong ứng suất và biến dạng của HANR và DPNR-U1, DPNR-U2, DPNR-U3. 48 Hình 49: Mẫu ngón găng tay sử dụng trong nghiên cứu. 50 Hình 50: Đường cong ứng suất biến dạng của các mẫu trước già hoá.

50 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Sản lượng và năng suất CSTN của 7 nước dẫn đầu năm 2021. 2 Bảng 2: Thành phần latex cao su thiên nhiên. 5 Bảng 3: Một số loại chất xúc tiến sử dụng cho hỗn hợp cao su. 13 Bảng 4: Các hoá chất sử dụng trong nghiên cứu.

23 Bảng 5 : Thành phần dung dịch tạo đông. 28 Bảng 6: Thành phần lưu hoá dung dịch latex. 28 Bảng 7: Hàm lượng Nitơ tổng của HANR và DPNR-A. 35 Bảng 8: Hàm lượng Nitơ tổng của HANR và DPNR-A ở các thời gian.

36 Bảng 9: Hàm lượng Nitơ tổng của HANR và DPNR-A ở lần ly tâm. 37 Bảng 10: Hàm lượng Nitơ tổng của DPNR-A và DPNR-U ở các lần ly tâm. 38 Bảng 11: Các dao động đặc trưng của cao su. 40 Bảng 12: Các tín hiệu trên phổ 1H-NMR của cao su thiên nhiên.

43 Bảng 13: Hàm lượng gel của các mẫu cao su loại bỏ protein. 45 Bảng 15 : Độ giãn dài và độ bền kéo của các mẫu HANR, DPNR-A, DPNR-U 48 Bảng 14: Hàm lượng Nitơ của các mẫu ngón găng tay. 49 Bảng 15: Tính chất cơ học của các mẫu cao su trước và sau khi già hoá. Lý do chọn đề tài Mủ cao su thiên nhiên (CSTN) là một trong những vật liệu có nhiều đặc tính tuyệt vời được ứng dụng cho việc sản xuất các thiết bị y tế, đồ dùng gia đình và thiết bị trong các ngành công nghiệp.

Đặc tính kháng nước, tính cách điện, độ giãn dài lớn, độ đàn hồi cao, độ bền kéo cao và thân thiện với môi trường giúp cho sản phẩm từ cây cao su mang lại những lợi ích rất lớn. Tuy nhiên, có báo cáo cho rằng găng tay để phẫu thuật, các thiết bị y tế như ống thông được hình thành từ cao su tự nhiên có thể gây dị ứng ngay lập tức như suy hô hấp và các triệu chứng tai biến hay còn gọi là sốc phản vệ (các triệu chứng như nổi mề đay, tím tái…). Trường hợp như vậy được gọi tắt là dị ứng nhạy cảm cấp tính loại I, có thể gây ảnh hưởng đến người sử dụng các sản phẩm từ cao su, trong đó có găng tay y tế. Nguyên nhân được đưa ra để giải thích việc dị ứng ngay lập tức như vậy là do các protein - một kháng nguyên đặc trưng IgE có trong cao su thiên nhiên.

Do đó, việc loại bỏ protein là cần thiết để mở rộng ứng dụng từ vật liệu này. Trong các nghiên cứu trước, quá trình khử protein cao su tự nhiên hoặc DPNR đã được thực hiện bằng enzyme, chất hoạt động bề mặt SDS hoặc kết hợp SDS và Urê. Phương pháp ủ enzym đã được thực hiện với enzym phân giải protein như protease kiềm, enzym này tách các phân tử protein thành oligome hoặc các phân tử protein có trọng lượng phân tử thấp hơn, sau đó ly tâm để loại bỏ protein. Hàm lượng nitơ tổng số của cao su tự nhiên trong phương pháp này sau khi khử protein giảm từ 0,34% trọng lượng xuống 0,02-0,1% trọng lượng.

Tuy nhiên, việc sử dụng một loại enzym khác để phân hủy protein có thể gây ra phản ứng dị ứng. Một phương pháp khử protein khác là xử lý bằng SDS và Urê, như một chất biến tính để thay đổi cấu trúc của protein sau đó được loại bỏ bằng cách ly tâm. Hàm lượng nitơ tổng số của cao su tự nhiên giảm từ 0,02-0,05% trọng lượng sau khi ủ urê và SDS ở nhiệt độ bình thường. Việc xử lý urê không thực sự phá vỡ protein mà làm biến tính chúng sau đó loại bỏ bằng cách ly tâm.

Vì vậy, hiệu quả loại bỏ protein ở cả hai phương pháp urê và enzyme là như nhau và hàm lượng nitơ đều thấp hơn HANR. Phương pháp cải tiến đã bổ sung thêm các dung môi hữu cơ phân cực như etanol, 2-propanol hoặc axeton cùng với SDS và Urê để loại bỏ protein khỏi HANR. Việc sử dụng dung môi hữu cơ làm cho protein bị thay đổi cấu trúc, từ đó các chuỗi polypeptit gắn chặt với nhau trở nên lỏng lẻo và kém ổn định hơn. Tuy nhiên, việc sử dụng dung môi dễ gây đông tụ CSTN do tác dụng hút nước của dung môi hữu cơ phân cực và khó áp dụng trong thực tế do ảnh hưởng của dung môi đến xử lý nước thải.

Trong luận văn này, tiến hành nghiên cứu hiệu quả quá trình tách protein trong mủ cao su thiên nhiên với một tác nhân mới -Al(OH)3, với đề tài: “Nghiên cứu quá trình loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên bằng Nhôm hydroxit và ứng dụng trong sản xuất găng tay y tế” 2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu. Mục đích nghiên cứu của luận văn: Nghiên cứu loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên bằng Nhôm hydroxit để ứng dụng trong sản xuất găng tay y tế Đối tượng nghiên cứu: mủ cao su thiên nhiên Việt Nam Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Bách Khoa Hà Nội trong thời gian từ 03/2021 đến 08/2023 ở quy mô phòng thí nghiệm tại Trung tâm Khoa học và Công nghệ Cao su D2A. Nội dung chính Nghiên cứu đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình loại bỏ protein bằng Nhôm hydroxit và đã đưa ra các điều kiện tối ưu để đạt hiệu quả loại protein.

Phương pháp kjeldahl, phép đo phổ hồng ngoại FT-IR, phương pháp đo phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H-NMR và phép đo cơ tính của vật liệu đã được sử dụng trong nghiên cứu. Kết quả đem so sánh với quy trình loại bỏ protein trong cao su thiên nhiên bằng Urê.