Bột đá là gì? Ứng dụng bột đá trong dược phẩm, quy trình sản xuất CaCO3

1 Bột đá là gì? 

Bột đá là tên gọi thương mại của nhóm vật liệu khoáng được nghiền mịn từ đá tự nhiên như đá vôi, đá dolomite, đá thạch anh, đá thạch cao... 

Trong sản xuất công nghiệp, loại phổ biến và có giá trị ứng dụng rộng là bột đá vôi. Theo Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS), trong ngành khoáng sản, đá vôi được hiểu là loại đá có thành phần chủ yếu là CaCO3 và được sử dụng rộng rãi trong xi măng, bê tông, nhựa đường và nhiều sản phẩm công nghiệp khác.^[1]

Tuy nhiên, khi bước sang lĩnh vực dược phẩm, không thể hiểu “bột đá” theo nghĩa công nghiệp thông thường. Bột đá dùng trong dược phẩm phải được nhìn dưới góc độ nguyên liệu khoáng tinh khiết, được kiểm soát chất lượng, có tiêu chuẩn phù hợp để làm tá dược hoặc nguyên liệu sản xuất dược phẩm. Nói cách khác, không phải bột đá nào cũng dùng được trong dược phẩm. Bột đá công nghiệp có thể dùng trong nhựa, sơn, cao su, giấy, vật liệu xây dựng hoặc một chất bổ sung dinh dưỡng trong thức ăn chăn nuôi. Còn bột đá hướng dược phẩm phải được xem xét như một nguyên liệu tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với cơ thể người, cần đáp ứng yêu cầu cao hơn về độ tinh khiết, kích thước hạt, kim loại nặng, tạp chất, vi sinh, độ ẩm và hồ sơ chất lượng…

Trong nhóm bột đá, CaCO3 là thành phần được quan tâm phổ biến (gọi ngắn gọn là bột đá CaCO3) vì nó có thể xuất hiện ở hai vai trò khác nhau trong dược phẩm:

• Thứ nhất, CaCO3 là tá dược trong thuốc. Một tá dược tốt góp phần giúp viên thuốc có khối lượng ổn định, dễ nén, dễ rã, dễ bao phim, bền hơn trong bảo quản và có cảm quan tốt hơn. Ngược lại, tá dược không đạt chuẩn có thể ảnh hưởng đến độ hòa tan, độ ổn định, độ đồng đều hàm lượng và độ an toàn của sản phẩm.
• Thứ hai, CaCO3 là hoạt chất, ví dụ trong thuốc bổ sung canxi, thuốc kháng acid dạ dày hoặc chất gắn phosphate ở một số bệnh lý. Khi đóng vai trò hoạt chất, CaCO3 có tác dụng sinh học trực tiếp lên cơ thể người.

2 Tính chất bột đá

2.1 Mô tả

Như đã trình bày ở trên, Canxi cacbonat - CaCO3 là thành phần hoá học được ứng dụng nhiều của bột đá. CaCO3 chiếm khoảng 5% lớp vỏ của trái đất, tồn tại phổ biến trong tự nhiên dưới dạng đá vôi, đá phấn, đá cẩm thạch, vỏ sò, vỏ trứng và các loại đá trầm tích khác…Một số nguồn đá có độ tinh khiết cao có thể chứa hàm lượng CaCO3 rất lớn (lên đến trên 98%), nhưng tỷ lệ cụ thể phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và tạp chất đi kèm như MgCO3, oxit Sắt, silicat…^[2]

Canxi cacbonat là bột màu trắng, không mùi hoặc tinh thể không màu. Thực tế không tan trong nước. Có 2 loại bột canxi cacbonat nghiền và canxi cacbonat kết tủa.

2.2 Tính chất vật lý

Độ acid/kiềm: dịch phân tán trong nước 10% w/v có pH = 9,0. 

Điểm chảy: phân hủy từ 825°C. 

Áp suất hơi: 0 mmHg 

Tỷ trọng riêng: 2,7 đến 2,95 g/cm3

Khối lượng phân tử: 100,1 

Độ hòa tan trong nước: 0,001 % (NIOSH, 2024)

Độ cứng: với Millicarb là 3,0 Mohs.

2.3 Tính chất hoá học

Phản ứng giữa không khí và nước: Không phản ứng với không khí. Không phản ứng với nước.

Phản ứng cháy:

Canxi cacbonat không cháy. Phân hủy ở nhiệt độ cao (825°C) tạo ra khí cacbon đioxit và canxi oxit (vôi sống).

Phương trình phản ứng: CaCO3 → CaO + CO2↑

Phản ứng với acid:

CaCO3 phản ứng với acid tạo thành muối calcium, nước và khí carbon dioxide CO2 kèm sủi bọt.

Ví dụ với acid hydrochloric: CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2↑ 

Phản ứng với nước có CO2 hòa tan:

CaCO3 hầu như không tan và không phản ứng đáng kể với nước tinh khiết, nhưng trong nước có chứa CO2 hòa tan, CaCO3 có thể chuyển thành calcium bicarbonate Ca(HCO3)2, là dạng tan tốt hơn trong nước.

Phương trình phản ứng: CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2 => Phản ứng này giải thích hiện tượng đá vôi bị hòa tan dần trong tự nhiên, tạo hang động đá vôi.

3 Bột đá có tác dụng gì? Ứng dụng ra sao?

3.1 Trong ngành dược

3.1.1 Hoạt chất

Calcium Carbonate là thuốc được chỉ để sử dụng trong các trường hợp giảm chứng ợ nóng và khó tiêu acid, bổ sung calci cho cơ thể khi bị thiếu. Việc sử dụng CaCO3 như hoạt chất cần theo liều lượng, chỉ định và chống chỉ định phù hợp, vì dùng kéo dài hoặc liều cao có thể gây tăng calci máu, sỏi thận hoặc tương tác với một số thuốc. 

===>>> Xem thêm chi tiết tại: Calcium Carbonate - điều trị rối loạn canxi huyết, ợ nóng và khó tiêu

3.1.2 Tá dược

Canxi cacbonat là một tá dược được sử dụng khá phổ biến trong các dạng bào chế rắn như viên nén, viên nang và một số dạng bột. Trong công thức, canxi cacbonat có thể đóng vai trò là chất độn hay chất pha loãng, giúp tăng khối lượng viên, tạo thể tích phù hợp và hỗ trợ quá trình dập viên được thuận lợi hơn. Bên cạnh đó, nhờ đặc tính có khả năng trung hòa acid nhẹ, canxi cacbonat còn có thể được dùng như chất đệm, góp phần ổn định môi trường pH trong công thức.

Ngoài vai trò trên, canxi cacbonat còn được đề xuất như một tá dược để cải thiện tốc độ hòa tan. Với màu trắng đặc trưng và khả năng che phủ tốt, canxi cacbonat cũng có thể được sử dụng như chất làm mờ hoặc tạo độ trắng, giúp cải thiện hình thức cảm quan của viên thuốc hoặc lớp bao. Vì vậy, canxi cacbonat được xem là một tá dược đa chức năng trong bào chế dược phẩm rắn.^[3]

3.2 Trong nông công nghiệp

Trong nông nghiệp: Bột đá vôi CaCO3 được dùng để cải tạo đất chua, trung hòa độ acid và nâng pH đất về mức phù hợp hơn cho cây trồng. Ngoài ra, CaCO3 còn cung cấp canxi cho đất, hỗ trợ cây phát triển và góp phần cải thiện năng suất.

Trong thức ăn chăn nuôi: Bột đá vôi được bổ sung vào thức ăn cho gia cầm, lợn, bò và các vật nuôi khác như một nguồn canxi tự nhiên. 

Trong nuôi trồng thủy sản: Bột đá hoặc đá vôi được dùng để hỗ trợ điều chỉnh pH, độ kiềm và độ cứng của nước ao nuôi. Trong một số công thức thức ăn thủy sản, CaCO3 cũng có thể đóng vai trò nguồn khoáng bổ sung canxi, nhưng cần phân biệt rõ với đá vôi dùng để xử lý môi trường ao nuôi.

Trong xử lý môi trường: Bột đá vôi có thể được dùng để trung hòa môi trường acid trong đất hoặc nước. Đá vôi được dùng để hấp phụ khí độc hại, dùng trong hệ thống khử Lưu Huỳnh khí thải, đặc biệt ở nhà máy điện và lò đốt công nghiệp. Ngoài ra còn giúp giảm độ đục và loại bỏ tạp chất trong nước thải sinh hoạt hoặc công nghiệp.

Trong sơn, nhựa, cao su và giấy: Bột đá CaCO3 được dùng làm chất độn để tăng độ trắng, cải thiện độ che phủ, độ cứng, độ ổn định kích thước, độ mịn bề mặt và giảm chi phí sản xuất. 

Trong vật liệu xây dựng và công nghiệp hóa chất: Bột đá là nguyên liệu quan trọng trong sản xuất xi măng, bê tông, vữa, bột trét, nhựa đường, thuỷ tinh và nhiều vật liệu xây dựng khác. Trong công nghiệp hóa chất, CaCO3 được dùng để trung hòa acid, điều chỉnh pH, xử lý nước thải hoặc làm nguyên liệu cho một số quá trình sản xuất hóa chất.

3.3 Trong thức ăn chăn nuôi

Ứng dụng quan trọng nhất của bột đá trong thức ăn chăn nuôi là cung cấp canxi. Canxi là khoáng chất thiết yếu giúp vật nuôi duy trì hệ xương chắc khỏe, hỗ trợ hoạt động cơ, dẫn truyền thần kinh, chức năng enzyme và điều hòa hormone. Khi khẩu phần ăn thiếu canxi, vật nuôi có thể bị chậm phát triển, giảm năng suất, biến dạng xương hoặc rối loạn chuyển hóa.

Ngoài vai trò cung cấp canxi, bột đá còn có thể hỗ trợ cân bằng môi trường tiêu hóa. Bột đá CaCO3 có thể đóng vai trò như một chất điều chỉnh pH tự nhiên trong hệ tiêu hóa của vật nuôi, giúp duy trì môi trường pH phù hợp, từ đó hỗ trợ quá trình hấp thụ dinh dưỡng và cải thiện hiệu quả sử dụng thức ăn. Đặc tính này đến từ bản chất của CaCO3 là một muối carbonate có tính kiềm nhẹ giúp trung hoà acid dạ dày.

• Gia cầm: Ở gia cầm, đặc biệt là gà đẻ, bột đá vôi được bổ sung để cung cấp canxi cho quá trình hình thành vỏ trứng. Nếu thiếu canxi, vỏ trứng có thể mỏng, dễ nứt, tỷ lệ trứng loại tăng và năng suất giảm.
• Lợn: Bổ sung canxi để hỗ trợ phát triển xương, chức năng cơ và sức khỏe tổng thể. Lợn con cần canxi cho giai đoạn tăng trưởng, còn lợn nái cần canxi để duy trì thể trạng và khả năng sinh sản. 
• Bò và động vật nhai lại: Bổ sung canxi, hỗ trợ cấu trúc xương, trao đổi chất và sản xuất sữa. Ở bò sữa, nhu cầu canxi tăng cao trong giai đoạn cho sữa, nên việc cân đối canxi trong khẩu phần rất quan trọng. 
• Thuỷ hải sản: Bổ sung canxi cho một số loài như cá, tôm, cua. Canxi hỗ trợ hình thành xương ở cá, tham gia quá trình lột xác và làm cứng vỏ ở giáp xác, đồng thời góp phần cân bằng khoáng trong khẩu phần. Tuy nhiên, cần phân biệt bột đá dùng trong thức ăn thủy sản với đá vôi dùng để xử lý môi trường ao nuôi.

4 Quy trình sản xuất CaCO3

CaCO3 có thể được sản xuất theo hai hướng chính: canxi cacbonat nghiền (GCC - Ground Calcium Carbonate) và canxi cacbonat kết tủa (PCC - Precipitated Calcium Carbonate).

4.1 Sản xuất canxi cacbonat nghiền - GCC

GCC là dạng bột CaCO3 được tạo ra bằng phương pháp cơ học từ các nguồn đá tự nhiên giàu canxi cacbonat như đá vôi, đá phấn, đá cẩm thạch hoặc calcite….

Ở quy mô công nghiệp, quy trình GCC có thể tóm tắt thành các bước chính: khai thác nguyên liệu từ các mỏ → nghiền thô → nghiền mịn → phân loại kích thước hạt → thu gom → đóng gói. Một số dây chuyền còn có thêm bước xử lý bề mặt để cải thiện khả năng phân tán của bột đá trong nhựa, cao su, sơn hoặc các vật liệu xây dựng khác.

Trong công nghiệp, GCC được sử dụng rộng rãi vì quy trình sản xuất tương đối đơn giản, nguồn nguyên liệu dồi dào và chi phí hợp lý. Loại bột đá này thường được dùng trong sơn, nhựa, cao su, giấy, vật liệu xây dựng, trồng trọt chăn nuôi, thức ăn chăn nuôi và nhiều ngành công nghiệp khác. Tuy nhiên, chất lượng GCC phụ thuộc nhiều vào chất lượng mỏ đá ban đầu, độ trắng, hàm lượng CaCO3, tạp chất tự nhiên và công nghệ nghiền - phân loại hạt.

4.2 Sản xuất canxi cacbonat kết tủa - PCC

PCC là dạng CaCO3 được sản xuất bằng phương pháp hóa học có kiểm soát. Khác với GCC được nghiền trực tiếp từ đá tự nhiên, PCC thường được tạo ra bằng cách chuyển hóa đá vôi qua các phản ứng hóa học rồi kết tủa lại thành CaCO3 có kích thước hạt và hình dạng tinh thể mong muốn.

Quy trình sản xuất PCC phổ biến nhất là phương pháp carbonat hóa, gồm ba giai đoạn chính: đá vôi CaCO3 được nung trong lò vôi để tạo calcium oxide - CaO, sau đó CaO với nước để tạo calcium hydroxide - Ca(OH)2, cuối cùng Ca(OH)2 phản ứng với khí CO2 để tạo lại calcium carbonate - CaCO3.

Các phản ứng chính trong sản xuất PCC gồm:

CaCO3 → CaO + CO2↑

CaO + H2O → Ca(OH)2

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3↓ + H2O

Ưu điểm của PCC là nhà sản xuất có thể kiểm soát tốt hơn về độ tinh khiết, kích thước hạt, hình dạng tinh thể, độ trắng, diện tích bề mặt và khả năng phân tán. Vì vậy, PCC thường được dùng trong những ứng dụng yêu cầu kỹ thuật cao hơn như giấy cao cấp, sơn, nhựa, mỹ phẩm, thực phẩm và dược phẩm.

Đối với dược phẩm, quy trình sản xuất bột đá CaCO3 không chỉ dừng lại ở việc nghiền đá hoặc kết tủa CaCO3. Không phải cứ PCC là dùng được cho dược phẩm, và GCC cũng có thể dùng trong dược phẩm nếu đạt tiêu chuẩn dược điển. Điều quan trọng hơn là nguyên liệu cuối cùng phải đạt tiêu chuẩn dược dụng, có hồ sơ kiểm nghiệm rõ ràng và được kiểm soát nghiêm ngặt về chất lượng. Nói cách khác, CaCO3 dùng trong dược phẩm cần được kiểm soát không chỉ ở hàm lượng CaCO3 mà còn ở các tiêu chí như tạp chất không tan, kim loại nặng, arsen, chì, độ ẩm, vi sinh, kích thước hạt, độ đồng nhất giữa các lô và điều kiện bảo quản… Tất cả phải đáp ứng tiêu chuẩn dược điển bắt buộc tại quốc gia đó.

4.3 So sánh nhanh 2 quy trình

5 So sánh bột đá thường và bột đá CaCO3

Tài liệu tham khảo