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Nanofibre di cheratina per l'adsorbimento di metalli pesanti e formaldeide

Informazioni tesi

  Autore: Raffaella Casasola
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2010-11
  Università: Politecnico di Torino
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria chimica
  Relatore: Franco Ferrero
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 120

L’obiettivo di questo lavoro è stato realizzare membrane nanofibrose di cheratina, in grado di adsorbire ioni di cromo e rame e formaldeide. Materiali di scarto cheratinosi, disponibili in grandi quantità, a basso valore commerciale, biodegradabili e biocompatibili, sono un’ottima alternativa ai polimeri sintetici.
È stato studiato l’adsorbimento di membrane di cheratina, realizzate con un impianto di elettrofilatura, e la capacità di adsorbimento di queste membrane è stata confrontata con quella di un tessuto di lana standard.
La cheratina, proteina fibrosa costituente principale della lana, è stata estratta dalla fibra mediante reazione di solfitolisi, preparando una soluzione contenente urea, sodio dodecilsolfato e metabisolfito di sodio; il pH della miscela è stato corretto con NaOH a 6,5. L’agitazione meccanica è stata realizzata con un agitatore meccanico rotante. Successivamente la miscela risultante è stata filtrata, poi il filtrato è stato sottoposto a dialisi con membrane di cellulosa contro acqua distillata; questa operazione di dialisi è stata effettuata per 3 giorni, cambiando l’acqua 3-4 volte al giorno. Al termine la proteina è stata liofilizzata.
Non essendo termoplastica, la cheratina è stata elettrofilata da soluzione, in acido formico. Pertanto, per la produzione delle membrane è stata preparata una soluzione di cheratina/acido formico, al 20% in peso di cheratina e le nanofibre, ottenute applicando una portata di 0,005 ml/min, un voltaggio di 25 kV ed un tempo di deposizione di 20 minuti, sono state depositate su fogli di alluminio e su non tessuto di polipropilene. Questa filatura non convenzionale, conosciuta con il nome di electrospinning, permette di ottenere, mediante l’azione di forze elettrostatiche, nanofibre con diametri apprezzabili in un range di 40÷500 nm, abbattendo di uno o due ordini di grandezza i limiti raggiunti con i metodi convenzionali di filatura. I vantaggi che ne derivano sono l’elevato rapporto superficie/volume, l’elevata porosità, proprietà meccaniche e strutturali (rigidità e resistenza a trazione) di valore maggiore rispetto a fibre chimiche ottenute con filatura convenzionale.
Successivamente, è stata studiata la struttura secondaria che la cheratina assume in forma di nanofibre ed è stata confrontata con la conformazione assunta invece in un film, ottenuto mediante casting dalla stessa soluzione cheratina/acido formico.
Nella seconda parte del lavoro, le membrane di nanofibre sono state utilizzate per le prove di adsorbimento: quelle depositate su alluminio per le prove di adsorbimento degli ioni cromo e rame, mentre quelle depositate sul non tessuto di polipropilene per l’adsorbimento della formaldeide. La concentrazione degli ioni metallici è stata determinata attraverso analisi spettrofotometrica UV/VIS, mediante difenilcarbazide per il cromo ed NH3 per il rame. Per quanto riguarda l’adsorbimento del rame, è stato trovato che le nanofibre possiedono un’elevata capacità di adsorbimento, di quasi un ordine di grandezza superiore rispetto alla capacità del tessuto. A 10 mg/l è stata calcolata una percentuale di rimozione di circa l’83% per le nanofibre, mentre solo il 10% per il tessuto.
Inoltre è stato valutato l’andamento della capacità di adsorbimento in funzione del rapporto bagno osservando, per le nanofibre di cheratina, che la capacità di adsorbimento è massima a rapporto bagno pari a 0,1 g/l e diminuisce a rapporti più elevati. Per l’adsorbimento del cromo (VI), invece, le nanofibre non hanno mostrato una capacità di adsorbimento superiore a quello del tessuto di lana, comunque entrambe aumentano all’aumentare della concentrazione della soluzione di bicromato.
Le nanofibre che invece erano state depositate sul non tessuto di polipropilene, sono state utilizzate per i test di adsorbimento di formaldeide, condotti all’interno di una camera chiusa. Le nanofibre di cheratina permettono una maggiore efficienza di filtrazione, rispetto al solo filtro di polipropilene, precisamente, l’abbattimento di formaldeide nella camera è del 63%, quando si usano le nanofibre, mentre solo del 50% quando si usa solo il non tessuto di polipropilene. Inoltre i campioni di nanofibre trattati con vapori di ammoniaca permettono una maggiore rimozione della sostanza nella camera (72%).

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1 INTRODUZIONE L’interesse per il recupero e la valorizzazione di materiali naturali, ottenuti dalla trasformazione di materie prime rinnovabili, sono obiettivi prioritari dello sviluppo eco-sostenibile; i biopolimeri sono considerati un’ottima alternativa ai polimeri sintetici, grazie alle loro caratteristiche di biodegradabilità e biocompatibilità. Negli ultimi anni, lo sviluppo di materiali a base di proteine ha ricevuto molta attenzione nei campi biotecnologico e biomedico, grazie alle loro potenziali applicazioni nell’ingegneria dei tessuti e nella produzione di membrane [1,2]. Alcuni sottoprodotti di scarto di fibre naturali dell’industria tessile (lana, seta, cotone, ecc.) sono materiali polimerici fibrosi non filabili, a causa delle loro inadeguate proprietà fisiche, ma la cui caratteristica peculiare è la biodegradabilità; perciò possono essere recuperati e trasformati in materiali dalle proprietà innovative, idonei per usi tessili e non (packaging, film e rivestimenti per l’agricoltura, fibre e/o filamenti tessili con nuove proprietà di mano o nuovi effetti di colore, sistemi di filtrazione, industria chimica, campo biomedicale, ecc.) [3,4]. Fino agli ultimi dieci anni è stata posta poca attenzione ai materiali a base di cheratina, proteina fibrosa maggior costituente di capelli, lana, piume, unghie, corna. L’importanza del recupero e della valorizzazione di materiale cheratinoso di basso valore commerciale, proveniente da sottoprodotti dell’industria laniera, da lane di scarsa qualità (lane nazionali di tosa o di concia) e dall’industria della carne, è legata soprattutto ad aspetti ambientali, a causa della difficoltà di smaltimento di tali scarti, e ad aspetti economici. Si è stimato un ammontare di 5 milioni di tonnellate all’anno di rifiuti cheratinosi. La cheratina è di rilevante interesse nello sviluppo di prodotti per le industrie farmaceutiche, cosmetiche, medicinali e biotecnologiche. Le proteine estratte dalla lana possono essere assemblate in varie forme come schiume porose, film, gel, microfibre, tessuti [5]. In particolare, la cheratina estratta dalla lana potrebbe trovare interessanti applicazioni nel settore biomedicale poiché, secondo quanto riportato in letteratura, membrane di cheratina rigenerata risultano facilmente biodegradabili in vivo e in vitro e potrebbero, quindi, essere utilizzate come ‘scaffolds’ (supporti) per le colture cellulari, per la proliferazione dei fibroblasti. Inoltre, è noto che i materiali cheratinosi possono assorbire sostanze tossiche come ioni di metalli pesanti [6,7], formaldeide [8] ed altri composti organici volatili (VOC), proprietà che potrebbe renderli interessanti per la filtrazione attiva delle acque e per la purificazione dell’aria. Molti ricercatori dimostrarono che le fibre di cheratina hanno una buona capacità di assorbimento di ioni di rame, piombo, cromo, mercurio ed uranio da soluzioni contaminate. Nell’intervallo di pH 5÷7, queste fibre sono selettive verso rame e piombo e l’adsorbimento migliora con la temperatura; a pH acidi invece rimuovono selettivamente cromo e mercurio. Ma a causa del basso peso molecolare (60000÷9000 Da), i materiali a base di cheratina hanno presentato scarse proprietà fisiche e meccaniche e, come molti polimeri naturali, questa proteina non è termoplastica. Recenti studi hanno dimostrato che l’acido formico è un appropriato solvente in grado di dissolvere la complicata struttura della proteina [9-11]. L’obiettivo di questo lavoro è stato quello di realizzare nanofibre di pura cheratina in grado di assorbire ioni di rame, cromo e formaldeide. La cheratina dopo essere stata estratta dalla lana tramite reazione di solfitolisi, è stata liofilizzata, miscelata con acido formico ed elettrofilata. L’elettrofilatura (electrospinning) è un sistema di filatura che, attraverso l’azione di un campo elettrico, impartisce ad un getto liquido polimerico, elevate forze elongazionali in grado di trasformare il polimero stesso in un nanofilamento continuo. Con questa nuova tecnologia di

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