Nghiên cứu tách dòng và thiết kế vector biểu hiện gen mã hóa petase

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC
------- -------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU TÁCH DỊNG VÀ THIẾT KẾ VECTOR
BIỂU HIỆN GEN MÃ HOÁ PETASE

HÀ NỘI - 2023
ii


HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC
------- -------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU TÁCH DỊNG VÀ THIẾT KẾ VECTOR
BIỂU HIỆN GEN MÃ HOÁ PETASE

Sinh viên

: Nguyễn Thuỳ Dung

Ngành

: Công nghệ sinh học

Giảng viên hướng dẫn : TS. Lê Thị Bích Thảo

TS. Phạm Thị Dung

HÀ NỘI – 2023


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan tồn bộ kết quả trong luận văn là do chính tơi trực
tiếp thực hiện.
Các số liệu và kết quả được công bố trong luận văn là hồn tồn trung
thực, chính xác và chưa được cơng bố ở bất kỳ cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày tháng năm 2023
Sinh viên

Nguyễn Thuỳ Dung

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới cơ TS Lê
Thị Bích Thảo – Trưởng phịng Hố sinh Protein – Viện Công nghệ sinh học và
cô TS Phạm Thị Dung – Bộ môn Sinh học phân tử & CNSH Ứng dụng - Khoa
Công Nghệ Sinh Học - Học viện Nông nghiệp Việt Nam là những người đã trực
tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi trong suốt
q trình học tập và nghiên cứu khoa học.
Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ phịng Hố sinh Protein đã giúp tơi
có những định hướng đúng và chính xác để thực hiện đề tài của mình và ln
động viên tơi cũng như có những đóng góp về chun mơn q báu để tơi hồn
thành luận văn này.
Cuối cùng tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Bố, Mẹ, người thân

trong gia đình cũng như bạn bè đã ln ủng hộ, khuyến khích để tơi vững vàng
trong suốt q trình học tập và nghiên cứu
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 31 tháng 1năm 2023
Sinh viên

Nguyễn Thuỳ Dung

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... II
MỤC LỤC ........................................................................................................... III
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................... VI
DANH MỤC HÌNH ...........................................................................................VII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................. VIII
TÓM TẮT ........................................................................................................... IX
I. MỞ ĐẦU......................................................................................................... 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................. 1
1.2. MỤC ĐÍCH.................................................................................................. 2
1.3. YÊU CẦU .................................................................................................... 2
II.

TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................................ 3

2.1. Nhựa ............................................................................................................. 3
2.1.1. Khái niệm.................................................................................................. 3
2.1.2. Phân loại nhựa .......................................................................................... 3

2.1.3. Khái niệm nhựa PET ................................................................................ 6
2.1.4. Lịch sử và quá trình thương mại hố PET................................................ 6
2.1.5. Tính chất của nhựa PET ........................................................................... 7
2.1.6. Ưu và nhược điểm của nhựa PET............................................................. 8
2.1.7. Tình hình sử dụng nhựa trên thế giới và Việt Nam .................................. 9
2.1.7.1. Trên thế giới .......................................................................................... 9
2.1.7.2. Tại việt nam ......................................................................................... 11
2.1.7.3. Phân tích về ơ nhiễm rác thải nhựa tại Việt Nam................................ 12
2.1.8. Tái chế nhựa PET ................................................................................... 13
2.2. PETASE ..................................................................................................... 15
2.2.1. Tìm hiểu chung ....................................................................................... 15
2.2.2. Cấu trúc không gian của PETASE ......................................................... 16
iii


2.3. Ảnh hưởng của petase đến bề mặt nhựa PET ............................................ 18
2.4. Sự khác nhau giữa enzyme PETASE VÀ MHETASE.............................. 19
III.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................... 22

3.1. Thời gian và địa điểm nghiên cứu ............................................................. 22
3.1.1. Thời gian nghiên cứu .............................................................................. 22
3.1.2. Địa điểm nghiên cứu............................................................................... 22
3.1.3. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................. 22
3.1.4. Nội dung nghiên cứu .............................................................................. 22
3.1.5. Sơ đồ nghiên cứu chung ......................................................................... 22
3.2. Vật liệu, hố chất, thiết bị, máy móc ......................................................... 23
3.2.1. Vật liệu.................................................................................................... 23
3.2.2. Hố chất, thiết bị, máy móc .................................................................... 23

3.3. Phương pháp .............................................................................................. 24
3.3.1. Định lượng DNA trong mẫu ................................................................... 24
3.3.3. Tách dịng gen mã hố PETASE ............................................................ 26
3.3.4. Biến nạp plasmid tái tổ hợp vào E.coli bằng phương pháp sốc nhiệt ... 27
3.3.5. Tách chiết dna plasmid từ các tế bào E.coli ........................................... 28
3.3.6. Điện di phát hiện DNA trên gel agarose ................................................ 29
3.3.7. Tách chiết DNA ra khỏi gel agarose ...................................................... 29
3.3.8. Thiết kế vector biểu hiện gen mã hoá cho PETASE .............................. 30
3.3.9. Biểu hiện PETASE ở E.coli ................................................................... 31
IV.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................... 33

4.1. Tách dòng gen mã hoá cho PETASE ........................................................ 33
4.1.1. Nhân gen mã hoá cho PETASE bằng kỹ thuật PCR .............................. 33
4.1.2. Tách dịng gen mã hố cho PETASE ..................................................... 34
4.1.3. Kết quả xác định trình tự gen mã hố cho PETASE .............................. 37
4.2. Biểu hiện PETASE tái tổ hợp .................................................................... 39
4.2.1. Thiết kế vector biểu hiện PETASE – pET22b(+)................................... 39
4.2.2. Biểu hiện PETASE tái tổ hợp ................................................................. 42
iv


V.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 44

5.1. KẾT LUẬN................................................................................................ 44
5.2. KIẾN NGHỊ ............................................................................................... 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 45

PHỤ LỤC ............................................................................................................ 48

v


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Mã nhận diện các loại nhựa .................................................................. 4
Bảng 3.1. Các hoá chất và enzyme ..................................................................... 23
Bảng 3.2. Máy móc và thiết bị ............................................................................ 24
Bảng 3.3. Thành phần phản ứng PCR ................................................................. 26
Bảng 3.4. Chương trình thực hiện phản ứng PCR .............................................. 26
Bảng 3.5. Thành phần hỗn hợp phản ứng ghép nối ............................................ 27
Bảng 3.6. Thành phần môi trường nuôi cấy vi sinh vật ...................................... 28
Bảng 3.7. Thành phần dung dịch tách chiết DNA plasmid ................................ 28
Bảng 3.8. Thành phần hỗn hợp phản ứng ghép nối PETase – pET22b(+) ......... 31
Bảng 3.9. Thành phần và các dung dịch đệm SDS-PAGE ................................. 32

vi


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Cơng thức cấu tạo Polyethylene terephthalate ...................................... 6
Hình 2.2. Polyethylene terephthalate .................................................................... 6
Hình 2.3. Biểu đồ cung cầu nhựa PET các châu lục năm 2018 và 2022 ............ 10
Hình 2.4. Sợi dệt tái chế từ lốp xe đã qua sử dụng ............................................. 11
Hình 2.5. Sản lượng sản phẩm nhựa tiêu thụ giai đoạn 2015-2020 .................... 12
Hình 2.6. Rác thải nhựa tại các bãi sông của Việt Nam ..................................... 13
Hình 2.7. Cấu trúc các sản phẩm thuỷ phân của PETase .................................... 16
Hình 2.8. Cấu trúc khơng gian của PETase ........................................................ 17
Hình 2.9. Kết quả bề mặt PET film chụp bởi kính hiển vi điện tử quét

(SEM). ............................................................................................... 19
Hình 2.10. Bề mặt PET gần như bị phân huỷ hồn tồn sau 6 tuần ở 30oC ....... 19
Hình 2.11. Cấu trúc tinh thể của (A) PETase và (B) MHETase. ........................ 20
Hình 2.12. Cấu trúc MHETase ( độ phân giải 1,6 Å). ........................................ 21
Hình 3.1. Sơ đồ quy trình các bước tiến hành.................................................... 22
Hình 3.2. Sơ đồ thiết kế vector biểu hiện PETase trong pET22b+ ..................... 31
Hình 4.1. Kết quả PCR nhân gen mã hố cho PETase ....................................... 33
Hình 4.2. Kết quả tách chiết DNA plasmid tái tổ hợp ........................................ 35
Hình 4.3. Kiểm tra sản phẩm cắt plasmid tái tổ hợp bằng enzyme NdeI và
BamHI ............................................................................................... 36
Hình 4.4. Phổ trình tự nucleotide của đoạn gen mã hoá cho PETase ................. 37
Hình 4.5. Trình tự nucleotide của gen mã hố cho PETase với trình tự gen
trên ngân hàng Genbank ................................................................... 38
Hình 4.6. Hình ảnh điện di phản ứng cắt gen plasmid tái tổ hợp PETase-pBT ........ 39
Hình 4.7. Hình ảnh điện di phản ứng cắt gen mở vòng vector pET22b(+) ........ 40
Hình 4.8. Hình ảnh kiểm tra kết quả thơi DNA ra khỏi gel agarose................... 41
Hình 4.9. Biểu hiện protein dung hợp PETase – pET22b(+).............................. 43

vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Tên viết tắt

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

Amp

Ampicillin

Ampicillin

APS

Ammonium persulfate

Ammonium persulfate

Bp

Base pair

Cặp bazơ

DNA

Deoxyribonucleic acid

Axit deoxyribonucleic

E.coli

Escherichia coli

Escherichia coli

EDTA

Ethylene diamine tetra acetic Axit

tetraacetic

ethylene

acid

diamine

IPTG

Isopropyl-b-D-thiogalactoside

Isopropyl-b-D-thiogalactoside

Kb

Kilo base

Kilo base

kDa

Kilo Dalton

Kilo Dalton

LB

Luria – Bertani

Môi trường LB

OD

Optical density

Mật độ quang học

PCR

Polymerase chain reaction

Phản ứng trùng hợp chuỗi

SDS

Sodium dodecyl sulfate

Sodium dodecyl sulfate

SDS – PAGE Sodium dodecyl sulfate –
polyacrylamide

gel

Đệm điện di biến tính SDS
trên gel polyacrylamide

electrophoresis
TEMED

Tetramethyl ethylene diamine

Tetramethyl ethylene diamine

v/v

Volume/Volume

Thể tích/Thể tích

w/v

Weight/volume

Khối lượng/thể tích

viii


TÓM TẮT
Polyethylene terephthalate (PET) là một trong những loại nhựa polyester
được sử dụng phổ biến nhất trên toàn thế giới nhưng cực kỳ khó bị thuỷ phân
trong mơi trường tự nhiên. Vào năm 2016, một nhóm nghiên cứu từ Đại học
Keio đã xác định được một loại enzyme thuỷ phân PET mới có tên là PETase từ
vi khuẩn Ideonella sakaiensis 201-F6 hứa hẹn nâng cao khả năng tái chế nhựa
PET. Đã có nhiều đề tài nghiên cứu về gen PETase và protein PETase tuy nhiên
nghiên cứu biểu hiện của Protein cịn khá ít. Do đó đề tài “ Nghiên cứu tách

dịng và thiết kế vector biểu hiện gen mã hố PETase ” được thực hiện với mục
đích tạo dịng và biểu hiện thành cơng gen PETase mã hố protein PETase.
Vùng gen mã hố được kiểm tra tính chính xác về trình tự sau đó được gắn vào
vector pET22b(+) và biến nạp vào chủng E.coli DH5α, sau đó, tiến hành biểu
hiện gen PETase trong chủng E.coli BL21(DE3), được cảm ứng bằng IPTG. Kết
quả cho thấy rằng gen PETase có kích thước khoảng 890 bp, mức tương đồng
với trình tự gen được cơng bố trên Gen-Bank (mã số: BBYR01000074.1) là
79.26%. Phân tích điện di SDS-PAGE trong điều kiện biến tính cho thấy protein
dung hợp có khối lượng phân tử khoảng 28 kDa.

ix


I. MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay, vấn đề môi trường và bảo vệ môi trường không chỉ là vấn đề
của riêng từng quốc gia mà còn là vấn đề chung của toàn cầu, đang thu hút sự
quan tâm đặc biệt của khắp các quốc gia trên thế giới. Tại các hội thảo quốc tế,
nhiều biện pháp về bảo vệ môi trường đã được đưa ra và thu hút được sự quan
tâm của những người tham dự. Bởi nó khơng chỉ ảnh hưởng đến sự phát triển
của một quốc gia, mà còn quyết định sự tồn tại của con người trên thế giới hôm
nay và các thế hệ tương lai.
Xã hội ngày càng phát triển nên nhu cầu tiêu thụ hàng hoá tiêu dùng của
mọi người cũng ngày càng tăng. Điều đó làm cho lượng rác thải thải ra mơi
trường cũng ngày càng nhiều, đặc biệt là rác thải nhựa. Tại Việt Nam, mức độ
tiêu thụ nhựa bình quân đầu người là 81kg/người/năm trở thành rác thải và
23kg/người/năm được tái chế phục vụ cho các ngành công nghiệp. Và hơn một
nửa số rác thải nhựa phát sinh tại Việt Nam – khoảng 3,6 triệu tấn/năm vẫn chưa
được thu gom và xử lý (Asia et al., 2020.). Còn trên thế giới, người ta ước tính
rằng sản lượng nhựa thế giới gần đạt 350 triệu tấn trong năm 2017 và lĩnh vực

ứng dụng lớn nhất là bao bì, đạt giá trị 39,7% tổng nhu cầu nhựa. Polyethylene
terephthalate (PET) là một trong những polyme nhựa nhiệt dẻo phổ biến nhất và
được sử dụng rộng rãi cho chai nước giải khát và bao bì thực phẩm (Puspitasari
et al., 2021).
Việc tìm kiếm các phương án mới trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm từ
rác thải nhựa vẫn đang là nỗ lực của các nhà khoa học trong nhiều năm qua. Một
vật liệu có khả năng phân huỷ rác thải nhựa, cụ thể là nhựa PET có nguồn gốc từ
vi khuẩn Ideonella sakaiensis 201-F6 đã và đang được đầu tư nghiên cứu trong
thời gian gần đây. Đó là PETase (có bản chất là protein) được phân lập từ vi
khuẩn Ideonella sakaiensis 201-F6, có tác động phân huỷ lên bề mặt nhựa PET
nên được ứng dụng trong việc tạo nguồn vật liệu để phân huỷ rác thải nhựa,
ngăn ngừa ô nhiễm môi trường…
1


Cho đến nay, PETase thường được tổng hợp bằng con đường hoá học.
Tuy nhiên phương pháp tổng hợp hoá học bị hạn chế bởi cách thức tổng hợp
thường qua nhiều khâu và giá thành sản xuất cao. Vì vậy PETase đang được chú
trọng nghiên cứu, tạo ra bằng công nghệ DNA tái tổ hợp.
Ở Việt Nam, hướng nghiên cứu về PETase tự nhiên và tái tổ hợp vẫn còn
hạn chế và mới bắt đầu được triển khai tại Phịng Hố sinh Protein., Viện Công
nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam. Chính vì vậy,
tơi đã thực hiện đề tài khoá luận tốt nghiệp “ Nghiên cứu tách dòng và thiết kế
vector biểu hiện gen mã hố PETase ”.
1.2. Mục đích
Tách được dịng và thiết kế được vector biểu hiện gen mã hoá PETase
1.3. Yêu cầu
(1) Tách dịng gen mã hố PETase.
(2) Thiết kế vector biểu hiện gen mã hoá PETase.

2


II. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Nhựa
2.1.1. Khái niệm
Nhựa (hay còn gọi là chất dẻo) là một loại vật liệu được điều chế từ các
nhóm cao phân tử, được sử dụng để sản xuất các vật liệu tiêu dùng hàng ngày
hay các vật liệu phục vụ cho công nghiệp ( Phạm Văn Đan Thuỷ và cs, 2011).
2.1.2. Phân loại nhựa
Nhựa có thể được phân loại thành nhựa nhiệt rắn (thermoset) và nhựa
nhiệt dẻo (thermoplast) (United Nations Environment Programme, 2009).
Nhựa nhiệt dẻo: Nóng chảy dưới tác dụng của nhiệt độ và đơng đặc lại
khi làm nguội để tạo ra các hình dạng và sản phẩm mới. Bao gồm các loại:
Polyethylene terephthalate (PET); Poly Ethylene mật độ thấp (LDPE); Poly
Vinyl Chloride (PVC); Poly Ethylene mật độ cao (HDPE); Polypropylene (PP);
Polystyrene (PS); và các loại khác.
Nhựa nhiệt rắn: Có thể làm mềm và tan chảy nhưng chỉ tạo hình một lần.
Nếu tác động nhiệt lặp đi lặp lại thì chúng sẽ ở trạng thái rắn vĩnh viễn. Nhựa
nhiệt rắn được ứng dụng cho các sản phẩm điện tử và ô tô. Bao gồm: Alkyd,
Epoxy, Ester, Melamine formaldehyde, Phenol formaldehyde, Silic, Urea
formaldehyde, Polyurethane, Nhựa kim loại và nhựa nhiều lớp, Polyurethane
(PU), Phenolic, và các loại khác.
Nhựa nhiệt dẻo chiếm đến 80% còn lại 20% là nhựa nhiệt rắn. Điều này
có ý nghĩa quan trọng trong việc tái chế do tính chất của chúng khi chịu sự tác
động của nhiệt độ. Nhựa nhiệt dẻo có thể tái chế được cịn nhựa nhiệt rắn thì
khơng (ACRR, 2004).
Hiệp hội Công nghệ Nhựa (SPI) đã thiết lập một hệ thống phân loại vào
năm 1988 để cho phép người tiêu dùng và các nhà tái chế xác định các loại nhựa
khác nhau. Các nhà sản xuất đã đặt một mã số trên mỗi sản phẩm nhựa, thường

được đặt ở đáy.

3


Bảng 2.1. Mã nhận diện các loại nhựa
Mô tả

Mã

Polyethylene Terephthalate (PET)
PET thường được sử dụng để sản
xuất các vật phẩm tiêu dùng như
chai nước ngọt, nước uống, màng
bao bì thực phẩm và khay chế biến
thức ăn. Nhựa PET có thể tái chế và
được sử dụng ngày càng nhiều trong
sản xuất sợi dệt thảm
Polyethylene mật độ cao (HDPE)
Là những loại nhựa có độ bền cực kì
tốt, chịu được hố chất và độ ẩm, rất
phù hợp để làm bao bì cho các sản
phẩm có thời hạn sử dụng ngắn.
Nhựa HDPE được ứng dụng để sản
xuất bao bì cho sản phẩm sữa, dầu
gội đầu, nước giặt, mỹ phẩm,…
Vinyl (Polyvinyl Chloride, V hay
PVC)
Nhựa PVC có độ bền, dẻo, có khả
năng chống chịu rất tốt với hoá chất,

thời tiết. Nhựa PVC được sử dụng
rộng rãi trong ngành xây dựng như
sản xuất ống nước, vật liệu ốp
tường. Ngồi ra nhựa PVC mềm dẻo
cịn được ứng dụng sản xuất dây cáp
điện, túi đựng máu, ống y tế. Loại
nhựa này khơng được tiếp xúc gần
với thực phẩm vì nó có thể gây hại

4


khi ăn phải.
Polyethylene mật độ thấp (LDPE)
Do tính chất mềm dẻo nên nhựa
LDPE được ứng dụng làm màng.
Được sử dụng để sản xuất một số
nắp chai, dây và cáp điện.
Polypropylene (PP)
Có khả năng chịu được hố chất, dễ
uốn, chống ẩm, chống nhiệt do vậy
rất phù hợp để chứa chất lỏng nóng.
PP được sử dụng để sản xuất chai,
hộp sữa chua, phụ tùng ô tô. Nắp
chai nhựa được làm từ nhựa PP.
Polystyrene (PS)
Polystyrene là loại nhựa có dạng
cứng/ xốp, cách nhiệt, dễ tạo hình.
Có nhiệt độ nóng chảy tương đối
thấp. Ứng dụng phổ biến làm bao bì,

hộp, nắp đậy, ly chai và khay, vỏ đĩa
compact.
Mã 7 được sử dụng để chỉ loại nhựa
khác với 6 loại nhựa còn lại. Loại
nhựa này được làm từ 1 loại nhựa
khác 6 loại liệt kê trên hoặc do sự
kết hợp giữa các loại nhựa
(Goverment-UK 2012)

5


2.1.3. Khái niệm nhựa PET
PET là viết tắt của Polyethylene terephthalate, là một loại nhựa trong,
bền, nhẹ thuộc họ polyester. Nhựa PET được hình thành từ các acid trung gian
terepthalic (TPA) và ethylene glycol (EG). Nhựa PET được sử dụng rộng rãi để
đóng gói thực phẩm và đồ uống, đặc biệt là nước ngọt và nước trái cây. Hầu hết
các chai nước ngọt có ga đều được làm từ nhựa PET (Phạm Văn Đan Thuỷ và
cs, 2011).

Hình 2.1. Cơng thức cấu tạo Polyethylene terephthalate (Thuy et al., 2011)

.

Hình 2.2. Polyethylene terephthalate (Crawford & Quinn, 2017)
2.1.4. Lịch sử và quá trình thương mại hoá PET
Lịch sử của polyester tổng hợp bắt đầu từ những khám phá của nhà hoá
học người Mỹ Wallace H. Carothers (1896–1937) về các polyme nhựa nhiệt dẻo
được thực hiện tại phịng thí nghiệm của cơng ty DuPont. Tuy nhiên sự ra đời
của nhựa PET là do công lao của nhà hoá học người Anh John R. Whinfield

(1901–1966) và trợ lý của ông là James T. Dickson vào năm 1941 tại Hiệp hội
các nhà in Calio ở Manchester (Anh). Cả hai nhà khoa học đã tổng hợp PET
6


bằng cách thực hiện các quá trình ngưng tụ liên quan đến hai monome (là axit
terephthalic và EG). Ngoài ra, trong cùng năm đó, khám phá này đã được ứng
dụng vào sản xuất sợi PET đầu tiên với tên gọi Terylene ( quyền sáng chế được
cấp bởi Imperial Chemical Industry, ICI) (Nisticị, 2020).
Vào những năm 1950, PET cũng được Cơng ty DuPont sản xuất cho thị
trường Mỹ bằng cách cải tiến công nghệ đã được khai thác để sản xuất
polymide, phát triển sợi PET cho ngành dệt có tên là Darcon. Ngồi ra Liên Xơ
đã sản xuất PET vào những năm 1949 trong các phịng thí nghiệm của Viện Hàn
lâm Khoa học Liên Xô dưới nhãn hiệu Lavsan. Việc khai thác PET trong lĩnh
vực đồ uống là do cơng trình của kỹ sư người Mỹ Nathaniel C. Wyeth (1911–
1990) tại Công ty DuPont. Wyeth đã phát minh và cấp bằng sáng chế cho 25 sản
phẩm/ quy trình, và đã đạt bằng Nghiên cứu sinh kỹ thuật cao cấp tại Công ty
DuPont. Đóng góp lớn nhất của Wyeth là ý tưởng lưu trữ CSD (chất lỏng có áp
suất) thành khn thổi PET định hướng 2 chiều (được cấp bằng sáng chế năm
1973), mở ra hướng phát triển vượt bậc của PET trong phân khúc đồ uống đóng
chai (Wyeth et al., 1973). Cuối cùng, những tiến bộ gần đây đạt được trong quy
trình tái chế PET đã ủng hộ sử dụng R-PET cũng trong ngành công nghiệp nước
giải khát. Đầu những năm 1990, R-PET đã được chấp thuận cho tiếp xúc với
thực phẩm ở Hoa Kỳ và Công ty Coca-Cola bắt đầu sản xuất nhựa chai nước
giải khát giới thiệu R-PET trong cơng thức của họ (Welle, 2011).
2.1.5. Tính chất của nhựa PET
Polyetylen terephthalate (PET) là một trong những polyme nhiệt dẻo phổ
biến nhất và được sử dụng chủ yếu để sản xuất sợi quần áo, chai lọ, cũng như
một số vật liệu xây dựng.
Về tính chất quang học, mức độ kết tinh của nhựa PET ảnh hưởng đến

tính chất quang học của nhựa PET. Cụ thể, PET vơ định hình (amorphous)
trong suốt, trong khi PET bán tính thể (semi-Crystalline) mờ đục hoặc có màu
trắng sữa. Sự mất độ trong suốt như vậy trong các vật liệu polyme kết tinh là do
sự hình thành các quả cầu tinh thể làm tán xạ ánh sáng (Saleh A.Jabarin, 1982).
7


Hơn nữa, tính trong suốt của PET vơ định hình giúp ngành cơng nghiệp chế biến
đồ uống có thể thiết kế các bao bì đựng trong suốt, giúp người tiêu dùng nhìn
thấy nội dung mong muốn.
Do các yếu tố như tính chất vật lý tốt (chống ăn mịn, độ bền cao, dễ gia
công) ngay cả khi ở nhiệt độ thấp (< 70oC) (Aging et al. 2021) và có khả năng
chống lại các hố chất vơ cơ, PET được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành
cơng nghiệp (máy móc, ơ tơ, điện tử). Khả năng chống chịu cao với các yếu tố
môi trường khác nhau nên PET được ứng dụng để phục vụ cho ngành công
nghiệp thực phẩm.
PET được sử dụng rộng rãi trong ngành bao bì cịn do tính thấm thích hợp
của nó đối với một số loại khí (oxy, hydro, nitơ) (Nisticị, 2020). PET trơ về mặt
hố học đối với một số dung môi và chất phản ứng. Tuy nhiên, PET dễ tan trong
axit và bazơ mạnh, bazơ yếu và hydrocacbon (Nisticị, 2020). Độ hồ tan trong
dung mơi hữu cơ của PET là rất nhỏ và PET không thấm nước, khá bền nhiệt, có
thể bị biến dạng co rút màng khi nhiệt độ ở 70oC.
2.1.6. Ưu và nhược điểm của nhựa PET
Mặc dù PET có nhiều cơng dụng và được sử dụng phổ biến, nhưng vẫn có
những hạn chế nhất định đối với nó. Dưới đây là bảng so sánh những ưu và
nhược điểm của nhựa PET.
Ưu điểm

Nhược điểm

Trong suốt, chịu lực tốt, trọng lượng Khả năng chịu nhiệt thấp
nhẹ
Có khả năng chống ẩm tốt

Dễ bị oxi hố, khó phân huỷ

Có thể dễ dàng tái chế

Nguyên liệu sản xuất hạn chế, nhu cầu
năng lượng cao và lượng khí thải carbo
dioxide cao.

8


2.1.7. Tình hình sử dụng nhựa trên thế giới và Việt Nam
2.1.7.1. Trên thế giới
Polyethylenen terephthalate (PET) là một trong những loại polyme được
sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất bao bì do đặc tính bền, trong suốt và kháng
khí. Khoảng 583 tỷ chai nhựa đựng đồ uống bằng sẽ được sản xuất vào năm
2021 (Benavides et al., 2018), trong đó 62% sẽ được làm từ PET (Zhang et al.,
2020).
Trong năm 2015, khoảng 7% nhu cầu nhựa được tạo thành bởi PET trên
toàn thế giới, đạt 18,8 triệu tấn (Taniguchi et al., 2019). Các báo cáo cho thấy
rằng 62% chai sản xuất được làm từ PET, và chai PET chiếm 62% tổng số chai
được thu gom để tái chế (Zhang et al., 2020). Trong năm 2017, tổng sản lượng
nhựa toàn cầu đạt 348 triệu tấn, 29,4% đến từ Trung Quốc. Tuy nhiên, một nửa
số nhựa được sản xuất để dùng một lần (Zhang et al., 2020) . Tính đến năm
2018, sản lượng nhựa toàn cầu hàng năm đạt 359 triệu tấn và có khả năng tiếp
tục tăng khoảng 3,5% mỗi năm (Ket Academic Repository School of

Biosciences, 2021).
Sản phẩm PET tiêu dùng ở Liên minh Châu Âu tăng từ 1,9 lên 2,9 triệu
tấn từ năm 2001 đến 2008 và tăng từ 42 triệu tấn (2014) lên 73 triệu tấn vào
2020. Hơn thế nữa, chất thải nhựa tích tụ trong các bãi chôn lấp và môi trường
sống tự nhiên khi lượng tiêu thụ nhựa tăng lên là vấn đề rất đáng quan tâm. Năm
2012, lượng PET thải trong chất rắn đô thị tại Hoa Kì là 4,1 triệu tấn, trong tổng
số trong đó 1,3 triệu tấn, trong đó 1,3 triệu tấn PET, hay 31% PET phế thải.
Vật liệu PET là vật liệu có nhu cầu tiêu dùng tăng trưởng tương đối
nhanh. Châu Á là khu vực có lượng tiêu thụ nhựa PET lớn nhất thế giới và gấp
đôi các khu vựa khác với sản lượng 10 triệu tấn/năm vào năm 2018. Nhu cầu về
lượng tiêu thụ nhựa PET được dự đoán sẽ phát triển nhanh chóng với mức tăng
trưởng 30% ở Châu Á và 20 % ở Châu Âu từ năm 2018 đến năm 2022, cịn ở
khu vực Trung Đơng và Châu Phi là 33%. Sản xuất PET ở Nam Mỹ chỉ có thể
9


đáp ứng 50% nhu cầu tiêu dùng trong khu vực, phần sản lượng thiếu hụt được
Châu Á cung cấp. Đặc biệt Trung Quốc là nước xuất khẩu vật liệu PET lớn nhất
thế giới do có có lợi thế về chi phí sản xuất từ nguyên liệu than đá (Tạ Việt
Phương, 2019).

Hình 2.3. Biểu đồ cung cầu nhựa PET các châu lục năm 2018 và 2022
Nguồn: Nexant, Bloomberg, FPTS tổng hợp
Mức độ tiêu thụ nhựa PET tăng nhanh làm nảy sinh nhiều vấn đề khác
nhau. Chúng bao gồm ô nhiễm môi trường, lo ngại về sức khoẻ cho người dân.
Mối quan tâm về bảo vệ môi trường, bảo tồn tài nguyên trở thành yếu tố quan
trọng trong chuỗi cung ứng nhựa PET. Phân huỷ và tái chế nhựa PET giúp làm
giảm thiểu việc sử dụng năng lượng và khí thải nhà kính.
Nguồn PET phế thải có thể được phân loại thành ba nhóm chính (Sulyman
et al., 2016): (i) chai lọ - khi tái chế sẽ gặp các vấn đề liên quan đến tạp chất (ví

dụ: keo trên nhãn), các loại phụ gia khác nhau được sử dụng trong quá trình sản
xuất ( ví dụ: chất ổn định, chất màu), trọng lượng phân tử của PET,...ảnh hưởng
đến độ lặp lại của sản phẩm thu được. (ii) lá (kim loại) – gặp các vấn đề liên
quan đến chất phụ gia được sử dụng trong q trình sản xuất ( ví dụ: chất ổn
định, chất tạo màu) làm ảnh hưởng đến độ lặp lại của sản phẩm thu được. (iii)
sợi dệt từ lốp xe – là nguồn nguyên liệu quan trọng và rẻ tiền poly có giá trị
(ethylene terephthalate).

10


Hình 2.4. Sợi dệt tái chế từ lốp xe đã qua sử dụng (Sulyman et al., 2016)
2.1.7.2. Tại Việt Nam
Tại Việt Nam, các sản phẩm nhựa được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh
vực như thực phẩm, xây dựng, viễn thơng,…Số kg nhựa sử dụng tính trên đầu
người tại Việt Nam đã tăng từ 33kg/người/năm năm 2010 lên 41kg/người/năm
năm 2015, điều đó cho thấy nhu cầu sử dụng nhựa của người dân ngày càng gia
tăng (Trần Thị Thu Trang, 2017).
Theo một khảo sát của WWF trên 10 tỉnh thành, từ năm 2019 đến năm
2020, mỗi hộ gia đình ở Việt Nam sử dụng trung bình 2-4 túi nylon và 2-4 chai
nhựa mỗi ngày trở lên. Riêng tại Thành phố Hồ Chí Minh, lượng rác thải nhựa
ước tính khoảng 1800 tấn/ngày, trong đó có khoảng 1000 tấn đền từ các hộ gia
đình (Trần Thu Hương, 2020). Tuy nhiên, chỉ hơn 900 tấn được thu gom tại các
bãi chơn lấp, cịn số lượng còn lại được xử lý và đốt tại chỗ, một phần được sử
dụng cho các mục đích khác.
Ngành nhựa Việt Nam vẫn phụ thuộc chủ yếu vào nguyên liệu nhập khẩu
từ nước ngồi. Khơng giống như một số ngành công nghiệp khác như dệt may,
dược phẩm,..sản lượng nhập khẩu nguyên liệu nhựa hàng tháng của Việt Nam
trong năm 2020 vẫn được duy trì ổn định so với năm 2019 (Trần Thu Hương,
2020) . Mức tiêu thụ sản phẩm nhựa của Việt Nam năm 2020 ước tính đạt 9,1

triệu tấn, tăng 5,3 % so với năm 2019. Mặt khác, mức tăng trưởng thấp hơn
nhiều so với tốc độ tăng trưởng sản lượng trung bình của các năm trước.

11


Hình 2.5. Sản lượng sản phẩm nhựa tiêu thụ giai đoạn 2015-2020
Nguồn: Tổng cục thống kê, FPTS ước tính
2.1.7.3. Phân tích về ơ nhiễm rác thải nhựa tại Việt Nam
Việt Nam hiện đang là một trong những quốc gia có lượng tiêu thụ nhựa
cao hàng đầu thế giới. Khoảng 2,8 đến 3,1 triệu tấn rác thải nhựa trên đất liền
mỗi năm (Jambeck et al., 2015). Theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi
trường, mỗi năm Việt Nam thải ra mơi trường khoảng 1,8 triệu tấn rác thải nhựa,
trong đó 280.000 – 730.000 tấn là thải ra biển ( chiếm khoảng 6% tổng lượng
rác thải nhựa ra biển của toàn thế giới). Điển hình như Hà Nội và Thành phố Hồ
Chí Minh thải ra khoảng 80 tấn nhựa và nylon mỗi ngày (Nguyễn Thị Thu Hiền
và cs, 2021). Tại các địa điểm khảo sát, tỷ lệ các loại nhựa được tìm thấy là bao
bì và chai PET (18%), nắp cốc, nắp và nhựa nhỏ (19%), Polystyrene, bao gồm
hộp đựng thực phẩm (40%) (Asia et al., 2020).
Theo kết quả khảo sát tổng hợp của World Bank tại các địa điểm thu gom
như một số bờ sông, ven biển của các tỉnh thành thấy rằng số lượng rác thải
nhựa đang chiếm ưu thế trong tổng thành phần. Hơn 50% lượng nhựa tiêu thụ
hàng ngày là các sản phẩm nhựa dùng một lần. Điều đó có nghĩa là hàng triệu
tấn đồ nhựa được sản xuất mỗi năm, hơn một nửa trong số đó chỉ mang lại cảm
giác tiện lợi như cốc nhựa, ống hút, túi nhựa (Nguyễn Đạt Minh và cs, 2019).

12


Hình 2.6. Rác thải nhựa tại các bãi sơng của Việt Nam (Chau et al., 2020)

Mười loại rác nhựa thường thấy nhất ở địa điểm ven sông, ven biển chiếm
83% tổng số lượng và 73% tổng khối lượng các vật dụng nhựa. Ở các khu vực
sông, nhựa sử dụng một lần chiếm 72% số lượng, còn ở các khu vực ven biển, tỷ
lệ này là 52% (Asia et al., 2020). Hiện tại hiểu biết của người dân Việt Nam về
rác thải nhựa còn hạn chế. Do giá thấp và thuận tiện cho sửu dụng nên các sản
phẩm nhựa ngày nay được sử dụng rất rộng rãi nhưng vẫn chưa có chế tài quản
lý, tái chế và tái sử dụng. Các chính sách và quy định về quản lý sản xuất, kinh
doanh và sử dụng sản phẩm nhựa cịn thơ sở, chưa đủ để giảm thiểu thiệt hai do
chất thải nhựa gây ra một cách hiệu quả. Dự báo với sự phát triển kinh tế - xã
hội, nếu khơng có biện pháp kịp thời để ngăn ngừa thì lượng chất thải nhựa ở
Việt Nam sẽ gia tăng chóng mặt, gây ra những thiệt hai nghiêm trọng không chỉ
đối với môi trường, hệ thống sinh thái, đa dạng sinh học mà còn đối với sự phát
triển kinh tế, đặc biệt là phát triển kinh tế biển.
2.1.8. Tái chế nhựa PET
Mặc dù có vẻ như các giải pháp để loại bỏ nhựa là tái chế, nhưng chỉ có
10% tổng số nhựa được sản xuất đã được tái chế, do đó, một lượng lớn nhựa
13


được sản xuất vẫn cịn trong mơi trường và hệ sinh thái (Kent Academic
Repository School of Biosciences, 2021). Với nhận thức ngày càng tăng về ô
nhiễm nhựa, một số doanh nghiệp nhỏ và cá nhân đã cố gắng tái chế nhựa, đặc
biệt là nhựa sử dụng một lần.
Các phương pháp đang được sử dụng để tái chế nhựa bao gồm cả nhựa
PET là phương pháp hoá học và cơ học. Phương pháp tái chế rác thải nhựa cơ
học ( gồm có thu gom, phân loại, làm sạch và nghiền) (Ragaert et al., 2017) gặp
phải khó khăn lớn là sự có mặt của các chất không tinh khiết vô cơ và hữu cơ
trong rác thải nhựa sau khi sử dụng (Drzyzga & Prieto, 2019). Cịn tái chế hố
học đã được sử dụng như một biện pháp thay thế để cải tiến quy trình xử lý rác
nhựa, trong đó các polyme nhựa có thể chuyển đổi thành các vật liệu thơ để sử

dụng cho tổng hợp các chất hoá học, các loại nhiên liệu hoặc các nhựa mới
(Drzyzga & Prieto, 2019). Tuy nhiên phân huỷ nhựa bằng phương pháp hố học
địi hỏi các điều kiện về nhiệt độ, áp suất (Al-Sabagh et al., 2016) và tiêu tốn
nhiều năng lượng. Mặc dù còn tồn tại nhiều bất lợi nhưng cho đến nay, PET vẫn
đang được tái chế theo phương pháp hoá học hoặc cơ học. Bắt đầu từ những
năm 1990, nghiên cứu phân huỷ sinh học các polymer tổng hợp đã được thúc
đẩy mạnh mẽ do liên quan đến vấn đề môi trường tồn cầu. Từ đó, phương pháp
tái chế sinh học với các tác động nhẹ nhàng và thân thiện với môi trường hơn
nhờ sử dụng các chất xúc tác sinh học như các enzyme thuỷ phân (Drzyzga &
Prieto, 2019) đã được quan tâm ngày càng nhiều. Hiện nay đã có một số ứng
dụng của enzyme vi khuẩn và nấm được phân loại là polyesterase cho thấy khả
năng phân huỷ PET. Sự hiện diện của các liên kết este trong chuỗi polyme của
PET liên kết các monome trong chuỗi. Các enzyme thuỷ phân đã được nghiên
cứu được phân loại là cutinase hoặc lipase (Joo et al., 2018) .
Tại Việt Nam, việc nghiên cứu tái chế nhựa PET đã được chú trọng từ lâu
chủ yếu vẫn bằng các phương pháp hoá học và cơ học. Một số cơng trình nghiên
cứu về tái chế PET đã được công bố như phản ứng cắt mạch PET bằng dietylen
glycol (Võ Thị Hai, 2008), chế tạo phụ gia chống cháy từ nhựa PET thải (Hoàng
14