Tủ vi khí hậu được sử dụng cho quá trình đồng trùng hợp protein và monome
Chất hoạt động bề mặt được sử dụng để giảm đặc tính hút ẩm của các vật liệu nhựa làm từ protein
Một tủ vi khí hậu HPP110 của MEMMERT tích hợp Công nghệ Peltier Tiên tiến đã được sử dụng trong một nghiên cứu về kỹ thuật mới nhằm biến đổi protein thành nhựa. Một nghiên cứu tại Mỹ đã tìm ra giải pháp mới nhằm giảm đặc tính hút ẩm của các vật liệu nhựa làm từ protein. Bằng cách bổ sung chất hoạt động bề mặt đa năng – vừa giúp làm mềm vật liệu, vừa kết nối các thành phần vốn khó hòa trộn – họ đã kết hợp thành công protein và monome để tạo thành nhựa.
Nghiên cứu của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (ACS) đã được công bố vào năm 2019.
Nội dung trọng tâm của nghiên cứu – Các sản phẩm nhựa làm từ protein
Protein có sẵn lượng lớn trong các nguồn sinh khối như nguyên liệu nông – lâm nghiệp, phụ phẩm nông nghiệp từ động thực vật và rác thải đô thị. Nhờ khả năng tạo thành các cấu trúc mạng lưới liên tục, cùng việc sở hữu lượng lớn các nhóm chức dễ dàng tham gia phản ứng biến đổi hóa học, protein rất phù hợp để ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất nhựa.
Tuy nhiên, nếu không được xử lý biến đổi hoặc thiếu đi chất hóa dẻo, protein nguyên bản thường quá giòn, rất khó để thao tác và tạo hình. Vì vậy, người ta sử dụng phương pháp ‘hóa dẻo’, giúp vật liệu làm từ protein dễ gia công và dễ đúc khuôn bằng nhiệt hơn. Thay vì để các cấu trúc phân tử dính chặt và kẹt cứng vào nhau, quá trình hóa dẻo sẽ phá vỡ sự gắn kết chặt chẽ này, tạo thêm không gian trống để các chuỗi protein dễ dàng trượt qua lại. Kết quả là vật liệu sẽ hạ thấp được nhiệt độ cần thiết để hóa mềm và trở nên dễ uốn nắn hơn nhiều.
Công nghệ chuyển hóa protein thành nhựa
Chế tạo vật liệu tái tạo bán phần từ protein
Nghiên cứu này mở ra một phương pháp mới nhằm giảm thiểu đặc tính hút ẩm của vật liệu gốc protein. Giải pháp cốt lõi là liên kết cộng hóa trị các protein với chuỗi polyme kỵ nước, trong đó whey protein phân lập (WPI) được sử dụng làm mẫu nghiên cứu.
Để tổng hợp loại vật liệu này, cần hòa trộn hai thành phần vốn không tương thích: protein và các monome vinyl không tan trong nước. Nút thắt này được giải quyết trọn vẹn bằng cách dùng một chất hoạt động bề mặt dạng ion làm chất tương hợp. Hợp chất được lựa chọn ở đây là benzalkonium chloride (BAC) – một chất hoạt động bề mặt có nhiệt độ nóng chảy thấp và khả năng hóa dẻo protein cực tốt.
Nhờ vai trò kép vô cùng quan trọng của chất hoạt động bề mặt – vừa kết nối các thành phần, vừa làm mềm vật liệu – quy trình polyme hóa đã được thực hiện thành công mà hoàn toàn không cần dùng đến hóa chất dung môi. Điều này cho phép chế tạo ra các loại nhựa nhiệt rắn có thể dễ dàng đúc khuôn.
Vật liệu và phương pháp
Bài báo cáo nghiên cứu thảo luận về việc sử dụng các hợp chất hóa học khác nhau trong quy trình sản xuất: n-Butyl acrylate, poly(ethylene glycol) methyl ether acrylate, azobis (isobutyronitrile), butanediol diacrylate, methacrylic anhydride, tert-Butyl peroxyacetate và benzalkonium clorua đều được cung cấp từ các nhà cung cấp uy tín.
Vai trò của MEMMERT – Tủ HPP110 với Công nghệ Peltier Tiên tiến
Quy trình đun chảy tạo nhựa không dùng dung môi
Quy trình này được thực hiện qua nhiều công đoạn khác nhau. Chúng tôi rất tự hào khi biết rằng dòng tủ vi khí hậu chất lượng cao của MEMMERT đã đóng vai trò thiết yếu trong toàn bộ nghiên cứu. Cụ thể, thiết bị MEMMERT HPP110 đã được ứng dụng trực tiếp trong giai đoạn kết hợp giữa protein và các monome.
Nhờ tích hợp Công nghệ Peltier Tiên tiến, tủ vi khí hậu Memmert HPP110 đã tạo ra môi trường chuẩn xác để cân bằng ẩm cho các mẫu vật ở nhiều mức độ ẩm khác nhau trong ít nhất 72 giờ, trước khi các nhà khoa học tiến hành kiểm tra đặc tính cơ học.
Để điều chế các loại nhựa ưa nước và kỵ nước, nhóm nghiên cứu đã bổ sung hóa chất n-butyl acrylate hoặc poly(ethylene glycol) methyl ether acrylate vào hỗn hợp protein – chất hoạt động bề mặt. Sau đó, hỗn hợp này được ép tạo nhựa dưới áp suất cao rồi làm nguội về nhiệt độ phòng. Bên cạnh đó, một mẫu đối chứng poly(butyl acrylate) có cấu trúc liên kết chéo cũng được chuẩn bị để phục vụ việc so sánh kết quả.
Kết luận và các phát hiện
Bài nghiên cứu đã giới thiệu một kỹ thuật đột phá để chế tạo nhựa từ protein. Chìa khóa của công nghệ này là sử dụng chất hoạt động bề mặt với vai trò kép: vừa làm chất hóa dẻo, vừa làm chất tương hợp. Hóa chất này giúp hòa trộn thành công protein với các monome có tính chất trái ngược nhau, từ đó mở rộng đáng kể các đặc tính vật lý cho dòng nhựa gốc protein.
Đặc biệt, loại vật liệu nhựa mới này có thể được nung chảy và tạo hình bằng nhiệt, cực kỳ phù hợp để ứng dụng vào các dây chuyền sản xuất công nghiệp thực tế như ép phun hay đúc thổi.
Về quy trình, ban đầu whey protein được kết hợp với một chất hoạt động bề mặt mang điện tích dương (cation), sau đó mới trộn cùng phân tử kỵ nước n-butyl acrylate. Đáng chú ý, so với các hỗn hợp thông thường (không có liên kết chéo), loại nhựa mới này tuy giảm một chút độ cứng nhưng bù lại, độ co giãn khi đứt, giới hạn chịu lực kéo và độ dẻo dai tổng thể lại vượt trội hơn hẳn. Chính sự đan xen giữa phần cấu trúc protein cứng cáp và phần polyacrylate mềm dẻo là yếu tố quyết định tạo nên các đặc tính cơ học ưu việt này.
Xét về cấu trúc vi mô, các thành phần bên trong nhựa có thể phân tách thành các pha rất nhỏ (tách vi pha) nhưng không sắp xếp theo một trật tự nhất định. Trong trường hợp sử dụng các monome ưa nước để tạo nhựa, vật liệu sẽ có độ hút ẩm tương đương khi ở trạng thái sấy khô, nhưng lại thấm nhiều nước hơn nếu đặt trong môi trường có độ ẩm cao.
Nhìn chung, việc tạo ra phức hợp protein – chất hoạt động bề mặt là một bước tiến công nghệ cực kỳ quan trọng. Nó cho phép xử lý sinh khối protein thành nhựa chống thấm mà hoàn toàn không cần dùng đến dung môi. Dù vậy, nghiên cứu vẫn còn một thách thức cần giải quyết trong tương lai: đó là làm thế nào để kiểm soát và quản lý tốt hơn tác động của độ ẩm lên các khu vực chứa protein trong vật liệu.
Tủ vi khí hậu HPPeco của MEMMERT tích hợp Công nghệ Peltier Tiên tiến
Dòng tủ vi khí hậu HPPeco tích hợp Công nghệ Peltier Tiên tiến của MEMMERT được thiết kế nhằm cung cấp một môi trường thử nghiệm ổn định và được kiểm soát tối ưu. Thiết bị đáp ứng hoàn hảo cho nhiều ứng dụng đa dạng như kiểm tra vật liệu, nghiên cứu khoa học và kiểm soát chất lượng. Tủ nổi bật với khả năng điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm cực kỳ chính xác, không gian buồng chứa rộng rãi cùng hệ thống điều khiển kỹ thuật số thân thiện, rất dễ thao tác. Bên cạnh đó, thiết bị còn được trang bị sẵn hệ thống chiếu sáng và bộ ghi dữ liệu tích hợp, giúp đảm bảo mọi kết quả thử nghiệm luôn chính xác và có tính nhất quán cao. Dòng tủ vi khí hậu Peltier này của MEMMERT còn mang đến nhiều tiện ích tùy chọn, chẳng hạn như tính năng mở cửa tự động hay cung cấp thêm nhiều khay lưới để tối ưu hóa không gian đặt mẫu. Được chế tạo từ các vật liệu cao cấp, tủ cam kết mang lại hiệu suất hoạt động bền bỉ và tuổi thọ lâu dài. Sản phẩm hiện có sẵn với nhiều tùy chọn về kích thước và dải nhiệt độ để khách hàng dễ dàng lựa chọn theo nhu cầu thực tế.