Nghiên cứu tổng hợp nano CoFe2O4@Al2O3 tách protein mủ cao su

Luận văn trình bày giải pháp dùng vật liệu nano từ tính để tách protein khỏi mủ cao su, nâng cao chất lượng và độ an toàn cho găng tay y tế.

• Tác giả: Vũ Thị Thủy
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Trung Nghĩa
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano từ tính CoFe2O4 được bọc bởi Al2O3, ứng dụng tách protein trong mủ cao su thiên nhiên trong sản xuất găng tay y tế
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Vật liệu nano CoFe2O4 Al2O3 và ứng dụng trong tách protein

Vật liệu nano từ tính CoFe2O4@Al2O3 là công nghệ tiên tiến trong ngành công nghiệp cao su. Đây là hạt nano được tổng hợp từ lõi từ tính CoFe2O4 (CFO) bọc bên ngoài bằng lớp phủ Al2O3. Công nghệ này kết hợp tính chất từ tính với khả năng hấp phụ bề mặt cao, tạo ra giải pháp hiệu quả để loại bỏ protein trong mủ cao su thiên nhiên. Vật liệu này có kích thước nano, diện tích bề mặt riêng lớn, cho phép hấp phụ lượng protein cao hơn các phương pháp truyền thống. Nhờ tính chất từ tính của lõi CFO, vật liệu có thể dễ dàng được thu hồi ra khỏi dung dịch bằng nam châm, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm chi phí.

1.1. Cấu trúc và tính chất của vật liệu CFO Al2O3

Vật liệu CoFe2O4@Al2O3 có cấu trúc hai lớp độc đáo. Lõi từ tính CoFe2O4 cung cấp tính chất từ, cho phép điều khiển vật liệu bằng từ trường ngoài. Lớp phủ Al2O3 bên ngoài tạo điểm hấp phụ cho protein qua các tương tác bề mặt. Kích thước nano của hạt (thường dưới 100nm) đảm bảo diện tích bề mặt lớn, tăng hiệu suất tách loại protein từ mủ cao su. Đặc tính này làm cho vật liệu trở thành giải pháp tối ưu cho công nghiệp.

1.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano CFO Al2O3

Quá trình tổng hợp vật liệu nano từ tính CFO@Al2O3 bao gồm nhiều bước. Đầu tiên, tổng hợp lõi CoFe2O4 bằng các phương pháp hóa học như phương pháp coprecipitation hoặc sol-gel. Tiếp theo, bọc lớp Al2O3 trên bề mặt lõi CFO thông qua các phản ứng hóa học kiểm soát. Cuối cùng, nung vật liệu ở nhiệt độ thích hợp để cải thiện kết tinh và tính chất từ tính. Nhiệt độ nung ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả loại bỏ protein trong mủ cao su.

II. Quá trình tách protein từ mủ cao su thiên nhiên

Tách protein từ mủ cao su thiên nhiên là bước quan trọng trong sản xuất găng tay y tế chất lượng cao. Protein tự nhiên có trong mủ cao su thường gây ra các phản ứng dị ứng ở người sử dụng. Vật liệu nano CoFe2O4@Al2O3 hấp phụ hiệu quả những protein này thông cơ chế hấp phụ bề mặt. Quá trình tách loại được tối ưu hóa qua các yếu tố như thời gian phản ứng, hàm lượng cao su thô DRC, và nhiệt độ nung của vật liệu nano. Phương pháp Kjeldahl được sử dụng để đánh giá hiệu suất loại bỏ protein. Kết quả cho thấy vật liệu này hoàn toàn có thể áp dụng vào công nghiệp thực tiễn với chi phí hợp lý.

2.1. Thành phần và vai trò của protein trong mủ cao su

Mủ cao su thiên nhiên chứa protein với hàm lượng khoảng 2-3% khối lượng khô. Những protein này bao gồm enzym, lipoprotein, và các protein có cấu trúc phức tạp. Chúng là nguyên nhân chính gây dị ứng latex ở những người nhạy cảm. Loại bỏ protein không chỉ giảm tính dị ứng mà còn cải thiện độ bền và độ đàn hồi của găng tay y tế sản xuất từ cao su này.

2.2. Cơ chế hấp phụ và hiệu suất tách loại

Lớp phủ Al2O3 trên vật liệu CFO@Al2O3 có khả năng hấp phụ protein cao nhờ các tương tác điện tích và hydrogen bonding. Hiệu suất tách loại protein phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời gian phản ứng (tối ưu 2-4 giờ), hàm lượng DRC (20-30%), và nhiệt độ nung vật liệu (600-800°C). So với phương pháp truyền thống sử dụng ủ Ure, vật liệu nano này cho hiệu suất cao hơn 40-50% và thời gian xử lý ngắn hơn.

III. Ứng dụng trong sản xuất găng tay y tế

Sản xuất găng tay y tế từ mủ cao su sau khi tách protein bằng vật liệu nano CoFe2O4@Al2O3 mang lại những lợi ích đáng kể. Cao su đã được loại bỏ protein có tính chất cơ học tốt hơn, độ đàn hồi cao, và giảm nguy cơ gây dị ứng. Để tay y tế sản xuất từ loại cao su này phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế, đặc biệt là ISO 23631 về yêu cầu chống dị ứng. Quy trình xử lý bằng vật liệu nano không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn tăng hiệu quả sản xuất, giảm chi phí xử lý. Phương pháp này có thể mở rộng quy mô áp dụng trong công nghiệp, góp phần nâng cao chất lượng các sản phẩm cao su Việt Nam.

3.1. Đặc điểm và yêu cầu của găng tay y tế chất lượng cao

Găng tay y tế cần đáp ứng các yêu cầu khắt khe về an toàn sinh học và cơ học. Chúng phải có độ bền kéo cao (trên 20 MPa), độ giãn dài tối thiểu 600%, và khả năng chống thủng tốt. Quan trọng nhất là phải có hàm lượng protein thấp (dưới 50μg/dm²) để tránh dị ứng. Cao su được tách loại protein bằng vật liệu nano CFO@Al2O3 đáp ứng đầy đủ những yêu cầu này, làm nên sản phẩm đạt chuẩn quốc tế.

3.2. Quy trình sản xuất và khả năng ứng dụng công nghiệp

Quy trình sản xuất bao gồm: hòa tan mủ cao su, thêm vật liệu nano CFO@Al2O3, khuấy trộn trong thời gian tối ưu, sau đó tách vật liệu bằng nam châm. Cao su đã loại bỏ protein được rửa sạch, ổn định hóa và đưa vào dây chuyền sản xuất găng tay y tế thông thường. Phương pháp này hoàn toàn khả thi trong công nghiệp thực tiễn, có thể xử lý lượng lớn mủ cao su với chi phí hợp lý, tạo ra sản phẩm chất lượng cao cạnh tranh trên thị trường quốc tế.

IV. Những phương pháp đánh giá và triển vọng phát triển

Để đánh giá hiệu quả vật liệu nano CFO@Al2O3 trong tách loại protein, các nhà nghiên cứu sử dụng nhiều phương pháp phân tích hiện đại. Phương pháp Kjeldahl xác định chính xác hàm lượng protein còn lại trong cao su. Phương pháp XRD phân tích cấu trúc tinh thể của vật liệu nano. Phương pháp SEM quan sát hình thái bề mặt, còn phương pháp BET đo diện tích bề mặt riêng. Phương pháp FTIR xác định các nhóm chức năng, và phương pháp cơ tính đánh giá tính chất của cao su. Những công cụ này cho phép tối ưu hóa quy trình tách protein và xác nhận tính hiệu quả của công nghệ. Triển vọng phát triển hướng tới việc cải thiện hơn nữa vật liệu nano, giảm chi phí sản xuất, và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

4.1. Các phương pháp phân tích đặc trưng vật liệu nano

Phương pháp XRD (X-ray Diffraction) cho phép xác định cấu trúc tinh thể và kích thước hạt vật liệu nano CFO@Al2O3. Phương pháp SEM (Scanning Electron Microscopy) cung cấp hình ảnh bề mặt chi tiết với độ phóng đại cao. Phương pháp BET (Brunauer–Emmett–Teller) đo diện tích bề mặt riêng quan trọng cho hiệu suất hấp phụ. Phương pháp FTIR (Fourier Transform Infrared) xác định các nhóm chức năng trên bề mặt vật liệu. Phương pháp từ tính đánh giá tính chất từ tính và khả năng điều khiển bằng từ trường.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng mở rộng

Trong tương lai, nghiên cứu sẽ tập trung vào cải tiến vật liệu nano, tăng hiệu suất tách loại protein lên trên 90%. Các nhà khoa học sẽ khám phá những lớp phủ mới thay cho Al2O3 có khả năng hấp phụ tốt hơn. Công nghệ này có thể mở rộng ứng dụng sang các lĩnh vực khác như xử lý nước thải, tách chiết protein từ các nguồn sinh học khác, hoặc ứng dụng y sinh. Điều này giúp sản phẩm cao su Việt Nam đạt chuẩn cao nhất, nâng cao giá trị xuất khẩu và vị thế trong thị trường toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 MỦ CAO SU TÁCH LOẠI PROTEIN 1.1 Tổng quan về mủ cao su Cao su (danh pháp: Hevea brasiliensis), là một loài cây thân gỗ thuộc về họ Đại kích (Euphorbiaceae) và là thành viên có tầm quan trọng kinh tế lớn nhất trong chi Hevea. Nó có tầm quan trọng kinh tế lớn là do chất lỏng chiết ra tựa như nhựa cây của nó (gọi là mủ) có thể được thu thập lại như là nguồn chủ lực trong sản xuất cao su tự nhiên[1].1 Hình ảnh cây cao su và thu hoạch mủ cao su Cây cao su có thể cao tới trên 30m. Khi cây đạt độ tuổi 5-6 năm thì người ta bắt đầu thu hoạch mủ: các vết rạch vuông góc với mạch mủ tạo thành xoắn ốc theo thân cây theo hướng tay phải, tạo thành một góc khoảng 30° với mặt phẳng, với độ sâu vừa phải sao cho có thể làm mủ chảy ra mà không gây tổn hại cho sự phát triển của cây, và mủ được thu thập trong các bát nhỏ. Các cây già hơn cho nhiều nhựa mủ hơn, nhưng chúng sẽ ngừng sản xuất mủ khi đạt độ tuổi 26-30 năm[2].

Cây cao su ban đầu chỉ mọc tại khu vực rừng mưa Amazon, nhưng do nhu cầu tăng lên và sự phát minh ra công nghệ lưu hóa nên cây cao su đã xuất hiện ở nhiều nơi, nhiều quốc gia trên thế giới đặc biệt là Đông Nam Á. Ở nước ta, cây cao su đầu tiên được trồng ở Phú Nhuận (Gia Định) 1897. Sau đó được phát triển nhiều ở Nam bộ rồi lan rộng ta Bắc Bộ, đặc biệt phát triển vùng Tây Nguyên. Đông Nam Bộ là vùng trồng truyền thống và có diện tích cây cao su lớn nhất cả nước.

Tổng diện tích là 548,864 ha chiếm 56.6% diện tích cao su cả nước. Sản lượng đạt 777,243 tấn, chiếm 71% sản lượng cả nước. Với năng suất trung bình đạt 1 863 kg/ha/năm. Tây Nguyên đứng sau Đông Nam Bộ với 249,014 ha đạt 26% tổng diện tích.

Sản lượng đạt 215,374 tấn chiếm 19.7% với năng suất trung bình đạt 1 412 kg/ha/năm. Trung bộ, Duyên hải Miền trung có diện tích vào khoảng 1 141,461 ha chiếm 14.6%, năng suất trung bình đạt 1 237 kg/ha/năm[3].40% Tây Nguyên Miền Trung 56.60% Miền Bắc 26% Hình 1.2 Biểu đồ diện tích trồng cao su theo khu vực Sản lượng CSTN toàn cầu trong năm 2022 đã đạt tới 14 174 triệu tấn, sản lượng thu được tăng 1.7% so với mức 13 934 triệu tấn của năm 2021. Việt Nam đứng ở vị trí thứ năm trên thế giới về diện tích canh tác (930.5 nghìn ha, sau Thái Lan, Indonesia, Trung Quốc và Malaysia) , đứng thứ ba về sản lượng và dẫn đầu trong khu vực châu Á về năng suất CSTN (sản lượng 1 271.8 ngàn tấn CSTN, sau Thái Lan, Indonesia). Diện tích CSTN Sản lượng CSTN 13% 3% 5% 35% 6% 7% 9% 22% Thái Lan Indonesia Việt Nam Bờ biển Nga Trung Quốc Ấn Độ Malaysia Khác Hình 1.3 Diện tích và sản lượng CSTN của 7 nước dẫn đầu năm 2021 2 Ngành kinh tế CSTN ở Việt Nam là một trong những ngành chủ lực của nền kinh tế nông nghiệp.

CSTN Việt Nam được xuất khẩu sang nhiều quốc gia trên thế giới, bao gồm Trung Quốc, Nhật Bản, Mỹ, Hàn Quốc, Đức và Pháp[4]. Sản lượng CSTN của Việt Nam đạt khoảng 1.2 triệu tấn mỗi năm, đóng góp trên 7% vào tổng sản lượng cao su thế giới. Năm 2021, giá trị xuất khẩu cao su của Việt Nam đạt khoảng 2.7 tỷ USD, tăng trưởng 47% so với cùng kỳ năm trước. Trong đó, Trung Quốc là thị trường xuất khẩu chính của sản phẩm cao su Việt Nam, chiếm khoảng 65% tổng giá trị xuất khẩu.

Nhật Bản và Mỹ là hai thị trường tiếp theo, chiếm lần lượt khoảng 9% và 7% tổng giá trị xuất khẩu. Các sản phẩm chủ yếu của ngành cao su Việt Nam bao gồm mủ cao su, bánh xe cao su, dây đai cao su, băng tải và các sản phẩm cao su khác[5].1 mô tả diện tích thu hoạch, sản lượng và năng suất của ngành cao su Việt Nam trong giai đoạn 2017 đến 2022. Các số liệu đều cho thấy sự tăng trưởng của ngành, bất chấp nhiều biến động về khí hậu và tình hình thị trường trong những năm qua.1 Diện tích thu hoạch, sản lượng và năng suất CSTN trong giai đoạn năm 2017-2022 Diện tích thu hoạch Sản lượng Năng suất Năm (nghìn ha) (nghìn tấn) (kg/ha) 2017 653.2 1698 Tăng trưởng bình 7.2% quân/năm (%) Cao su được trồng nhằm khai thác mủ cao su (cao su thiên nhiên), và thu hoạch gỗ cao su vào cuối chu kỳ khai thác mủ. Mủ cao su là một loại vật liệu polymer có tính đàn hồi, chịu ma sát, chịu nén và bền nên có nhiều ứng dụng như sản xuất vỏ, ruột xe, các chi tiết trong xe hơi, dụng cụ y tế, găng tay, băng tải, dây đai, nệm, giày dép, đồ chơi…[6] Gỗ cao su hiện nay đang là mặt hàng có giá trị cao trong ngành nội thất, trang trí do tính thẩm mỹ.2 Thành phần, cấu trúc và tính chất mủ cao su thiên nhiên (latex) Mủ chảy ra từ cây cao su khi cạo gọi là mủ nước (latex) là chất lỏng màu trắng đục như sữa hay hơi vàng.

Nó là huyền phù thể keo gồm những hạt cao su 3 rất nhỏ lơ lửng trong một dung dịch mà phần lớn là nước. Các hạt cao su có dạng hình cầu[2] có đường kính 0.5-3 μm được bao quanh bởi một lớp protein phospholipid tích điện âm. Lớp này dày khoảng 20 nm và có cấu trúc phức tạp.1 Thành phần mủ cao su thiên nhiên (latex) Bảng 1.2 Thành phần hóa học của mủ nước TT Thành phần Khối lượng (%) 1 Cao su nguyên chất 30-40 2 Nước 52-70 3 Protein 2-3 4 Acid béo và dẫn xuất 1-2 5 Glucid và heterosid ~1 6 Khoáng chất 0.7 Latex là mủ cao su thiên nhiên ở trạng thái phân tán nằm lơ lửng trong dung dịch chứa nhiều chất vô cơ và hữu cơ. Pha phân tán của latex chủ yếu gồm 90% hydrocacbon cao su so với công thức là (C5H8)n.

Ngoài hydrocacbon, cao su ra, latex còn chưa nhiều chất có trong mọi tế bào sống là các protein, axit béo, dẫn xuất của axit béo, sterol, gluxit, heterosit, enzym, muối khoáng. Hàm lượng những chất cấu tạo nên latex thay đổi tùy theo các điều kiện về khí hậu, hoạt tính sinh lý và hiện trạng sống của cây cao su. Các phân tích latex từ nhiều loại cây cao su khác nhau chỉ đưa ra những con số phỏng chừng về thành phần latex[2]. Các thành phần chính như sau[7-9]: - Serum: vừa có tính chất dung dịch keo do chứa các protein và các phospholipit, vừa có tính chất dung dịch thật do chứa các muối khoáng, cacbohydrat và một lượng nhỏ axit amin.

- Protein: có điểm đẳng điện 4.55 là thành phần chủ yếu có trong pha cao su và trong serum. Hàm lượng protein của latex mới thu được từ cây trồng khoảng 1% trong đó 20% hấp phụ trên hạt cao su, phần còn lại tan trong serum. Khối lượng phân tử của protein khoảng 3400. Thành phần hóa học của protein được xác định bằng phương pháp Kjeldahl gồm: 50÷55 %C, 6.

- Lipid: hàm lượng Lipid trong latex mới thu từ cây khoảng 0. Trong đó Lipid trung tính 50%, glucolipid 30%, phospholipid 20%. Phần lớn Lipid hấp thụ trên hạt cao su. 4 - Cacbohydrat: chủ yếu là quebrachitol với hàm lượng 1-2% đường saccarozơ khoảng 0.

Cacbohydrat chủ yếu tan trong serum. - Muối khoáng: các muối khoáng chủ yếu là K+(0.05%) và các anion phần lớn là phosphate (0. Ion Mg2+ rất quan trọng cần được kiểm soát vì có hiệu ứng làm giảm độ bền cơ học của latex cao su thiên nhiên. - Chất chống oxy hóa: tocotrienol nằm trong pha Lipid, hàm lượng 0.15%, đóng góp 80% hoạt tính chống oxy hóa cao su thiên nhiên.

- Các chất chống oxy hóa thường gặp là: • Đồng: có hiệu ứng làm giảm cấp cao su. Muối đồng của axit béo như stearat, linoleat rất hoạt động. Hàm lượng đồng 4. • Mangan: cũng làm giảm cấp cao su nhưng mức độ yếu hơn, chỉ bằng một phần tám so với đồng, hàm lượng Mn khoảng 2ppm.4 Cấu trúc hạt cao su trong mủ cao su thiên nhiên Hạt cao su thường có dạng hình cầu hay quả lê, có đường kính 0.

Mỗi hạt chứa từ hàng trăm đến hàng nghìn phân tử cao su được bảo vệ bởi lớp màng các lớp phim mỏng điện tích âm phospholipid-protein. Độ âm điện của hạt cao su chủ yếu là của protein do Lipid chưa bị thủy phân. Chính các điện tích âm trên bề mặt hạt tăng lực đẩy giữa các hạt và tăng khả năng hydrat hóa các hạt, do đó tăng độ bền phân tán của hệ latex.2 Tính chất của latex[9, 10] Tỷ trọng: Tỷ trọng của latex khoảng 0. Đó là kết quả từ tỷ trọng của cao su là 0.91 và của serum là 1.

Sở dĩ serum có tỷ trọng hơi cao hơn nước là do nó có chứa các chất hòa tan. Về khả năng tích điện của các hạt cao su, ta biết các phân tử cao su được bao bọc bởi một lớp protein nhưng bản chất của lớp protein này chưa biết rõ. Chính nó xác định tính ổn định của latex. Ta có thể giả định công thức phân tử của nó là H2N-Pr-COOH.

Điểm đẳng điện của protein latex là 4. Với giá trị pH > 4.7 các hạt cao su mang điện tích âm. Với giá trị số pH < 4.7 các hạt cao su mang điên tích dương.5 Ảnh hưởng của pH đến điện tích của latex Các hạt cao su trong latex (pH=7) đều mang điện tích âm. Chính điện tích này đã tạo ra lực đẩy giữa các hạt cao su với nhau, đảm bảo sự phân tán của chúng trong serum.

Khi ta cho axit vào latex, sự đông đặc sẽ xảy ra nhanh chóng. Đó là do ta đã hạ pH giúp cho latex đạt tới độ đẳng điện, tức là độ pH mà lực đẩy tĩnh điện không còn nữa. Nếu ta rót axit vào latex nhanh để vượt qua điểm đẳng điện quá nhanh thì sự đông đặc sẽ không xảy ra. Trong trường hợp này, điện tích các hạt cao su là dương, latex ổn định với axit và sự đông đặc không xảy ra khi ta cho chất kiềm vào để độ pH về điểm đẳng điện[10].6 Đường biểu diễn độ đông đặc của latex theo pH pH: Trị số pH của latex có ảnh hưởng quan trọng tới độ ổn định của latex.

Latex vừa chảy khỏi cây cao su có pH ≤ 7. Để trong không khí vài giờ pH sẽ hạ xuống gần 6 do CO2 trong không khí, do hoạt tính của vi khuẩn và enzym sẵn có trong latex, latex sẽ bị đông lại. Ở các nông trường cao su Việt Nam, người ta thường nâng cao pH latex bằng cách thêm vào ammoniac để tránh hiện tượng đông đặc, trước khi xử lý nó tại xưởng.