Tổng quan polymer phân hủy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

TỔNG QUAN POLYMER PHÂN
HỦY

CÁN BỘ GIẢNG DẠY: Ts. HUỲNH ĐẠI PHÚ
Nhóm 1

1


PHẦN 1: TỔNG QUAN POLYMER PHÂN HỦY
Giới thiệu chung về biodegradation plastic.
- Nhựa phân hủy là nhựa mà nó sẽ phân hủy hiếu khí hay kị khí trong môi
trường tự nhiên trong một thời gian nhất định (do mỗi vùng quy định ). Sự phân
hủy nhựa có thể đạt được khi các vi sinh vật trong môi trường tiếp xúc và chuyển
hóa cấu trúc phân tử của nhựa để tạo ra một chất gọi là mùn trơ, ít gây hại cho môi
trường.
en.wikipedia.org/.../Biodegradable_plastic
- Bioplastics là nhựa được phân hủy sinh học và thường được sản xuất
chủ yếu hoặc hoàn toàn từ nguồn tài nguyên tái tạo được. ngành công nghiệp sản
xuất bioplastics thường tập trung vào việc làm cho thuận tiện trong sinh hoạt và
phù hợp ổn định với môi trường.
1.1.

- Polymer được xem như là “xanh” thì phải thỏa mãn 2 yêu cầu:
•
•

Một là chúng phải được tạo ra từ những nguồn nguyên liệu có thể tái tạo,
làm đổi mới lại được như cây trồng…
Hai là chúng phải trở thành phân bón khi bị phân hủy hoặc phân hủy hoàn
toàn tạo ra chất không nguy hại với môi trường. Hai điều kiên này không
phụ thuộc vào nhau.

- Có 3 loại polymer phân hủy :
•

Polymer tổng hợp thì dựa vào các chế phẩm của công nghiệp dầu mỏ.
o Polyesters béo (Td., polyglucolic acid, polybutylene succinate,
polycaprolactone)
o Polyesters thơm hoặc hỗn hợp của hai loại (Td., polybutylene
succinate terephthalate)
o Polyvinylalcohols
o Polyolefins biến tính (polyethylene or polypropylene biến tính với các
chất nhạy nhiệt, nhạy ánh sáng)

•

Polymer tự nhiên: được tạo ra từ các nguồn có thể phục hồi lại được như
tinh bột, xenluloz.
o Polysaccharides (Td., tinh bột, cellulose, lignin, chitin)
o Proteins (Td., gelatine, casein, wheat gluten, silk and wool)
o Lipids (Td., dầu castor và mở động vật)
2


o
o

o
•

1.2.

polyesters produced by micro-organism or by plants (e.g.,
polyhydroxy-alcanoates, poly-3-hydroxybutyrate)
polyesters synthesised from bio-derived monomers (polylactic acid)
Các loại khác (natural rubbers, composites).

Polymer nhân tạo:
o PHA: Poly-hydroxy-alkanoate
o PHB: Poly-hydroxy-butyrate
o PHB-PHV: Poly (hydroxybutyrate-hydroxyvalerate)

Lịch sử phát triển của nhựa phân hủy.

3


Các sản phẩm polymer tự nhiên như hổ phách, sen-lăc ( chất nhựa cây ở dạng
những tờ hoặc mảnh mỏng, dùng để làm vécni), gutta-percha (nhựa của
cây nam dương ) đã được con người khai thác và sử dụng từ rất lâu trong lịch
sử phát triển của loài người từ thời La mã và trung cổ. sau này thổ dân châu
mỹ đã cải tiến kỹ thuật để làm môi để múc và muỗng từ sừng động vật
trước khi có những sản phẩm hiện đại. tại châu âu, đúc đồ trang sức và hộp hoa
đèn đã được phổ biến trong thế kỷ 18. Sự thương mại hóa bioplastics chỉ bắt đầu
vào giữa thế kỷ 19. Các nhà phát m i n h n gư ờ i M ỹ đ ã t ì m k i ế m m ộ t vậ t
l i ệ u t h a y t h ế n gà vo i t r o n g s ả n x uấ t banh bida (Nitrocellulose), và năm 1969
bằng sang chế sản xuất banh bida từ một dẫn xuất cellulose. Và loại vật liệu này

được sử dụng nhựa rộng rãi nhất là trong công nghiệp sản xuất phim và ảnh. Trong
những năm 1920, Henry Ford đã thử nghiệm mằng cách sử dụng đậu
tương trong sản xuất ôtô với mong muốn tìm các ứng dụng thưc phẩm
không cho thặng d ư n ô n g n gh i ệp . c h ấ t d ẻ o đ ậ u n à n h đ a n g n gà y c à n g
đ ư ợ c s ử d ụn g n h i ề u trong sản xuất phụ tùng ôtô như bánh xe, trang trí nội
thất và tấm bảng điều k h i ển … c uố i c ù n g , Fo r d đ ã đ i t r ư ớ c t r o n g v i ệ c
s ả n x u ấ t m ộ t m ẫ u x e ô t ô hoàn toàn bằng nhựa. ngày nay, việc sử dụng
4


nhựa phụ tùng ô tô là rất phổ biến nhưng việc sử dụng các sản phẩm nhựa được
làm từ nguyên vật liệu tái sinh do có các thành phần phụ và cần theo dõi khi sử
dụng. Một sản phẩm bioplastic vẫn đứng vững trước sự cạnh tranh của
nhựa tổng hợp là giấy bóng kính cellophane, một vật liệu có nguồn gốc từ
cellulose. N gà y n a y n hu cầ u v ề vậ t l i ệ u n hự a l i ê n t ụ c t ă n g và cô n g
n gh i ệp n hự a l à thành phần quan trọng trong nền kinh tế. cùng với những áp lực
từ chất thải n g à y c à n g t ă n g v à g i ả m b ớ t c á c n g u ồ n l ự c c ó k h ả
n ă n g v ề t á i c h ế c á c polymer tự nhiên và sử dụng chúng làm nguyên
liệu cho chế tạo và công nghiệp. trong tương lai, hứa hẹn một thế hệ mới
của nhựa màu xanh lá cây sẽ ra đời
1.3.
Sự khác nhau giữa nhựa phân hủy và nhựa truyền thống.
Bioplastics là nhựa được phân hủy sinh học và thường được sản xuất chủ
yếu hoặc hoàn toàn từ nguồn tài nguyên tái tạo được. ngành công nghiệp sản xuất
bioplastics thường tập trung vào việc làm cho thuận tiện trong sinh hoạt và phù
hợp ổn định với môi trường. giống như hầu hết các sản phẩm nhựa,
bioplastics bao gồm các polymer kết hợp chất dẻo và phụ gia được chế biến bằng
công nghệ ép phun, tạo hình nhiệt hoặc các phản ứng nhiệt. Nhựa phân hủy có các
thuộc tính:
• Chúng phân hủy được.

• Chúng được làm từ nguyên liệu tái tạo.
• Chúng được chế biến để thân thiện hơn với môi trường.
Chất dẻo hay nhựa truyền thống đều không đáp ứng được với những thuộc tính
này. Chất dẻo truyền thống rất khó để phân hủy, chúng được tạo ra từ
nguyên liệu hóa thạch không tái tạo được và rất có hại với môi trường sống vì
chúng góp phần làm tăng lượng chất thải rắn và gây ô nhiễm môi trường. Nhựa
truyền thống được làm từ nhiên liệu hóa thạch không tái tạo, chứa n h i ề u
c a c bo n t r o n g n hự a t r á i n g ư ợ c vớ i c á c h s ả n x uấ t n hự a p hâ n h ủ y,
cacbon vĩnh viễn bị mắc kẹt lại trong các lưới nhựa và hiếm khi được tái
chế. Mặt khác nhựa phân hủy có thành phần chính là các polymer tự
nhiên nên rất dễ để các vi sinh vật phân hủy.
1.4.
Lợi ích của nhựa phân hủy.
Lợi ích về môi trường của chất dẻo phân hủy phụ thuộc vào cách sử lý thích hợp.
nhựa phân hủy không phải là một liều thuốc cho môi trường tuy nhiên các nhà
khoa học cho rằng một bất lợi về môi trường do phân hủy nhựa gây ra là cacbon
giải phóng vào không khí như là một khí nhà kính. Tuy nhiên chất dẻo phân hủy từ
chất liệu tự nhiên như cây trồng hoặc các sản phẩm động vật, cô lập CO 2
trong giai đoạn phát triển, chỉ giải phóng CO 2 trong giai đoạn phân hủy, vì
vậy không thu dòng khí thải cacbon dioxitde. Chất dẻo phân hủy yêu cầu một
môi trường cụ thể của độ ẩm và oxi thích hợp để phân hủy. có rất nhiều cuộc
tranh luận về tổng số carbon , nhiên liệu hóa thạch và sử dụng nước trong chế
5


biến nhựa phân hủy từ chất liệu tự nhiên cho dù nó có tác động tiêu cự
đến nguồn cung cấp thức ăn cho con người.
en.wikipedia.org/.../Biodegradable_plastic
Nhựa phân hủy có thể thay thế dạng không phân hủy trong các dòng chất
thải, làm phân trộn, là công cụ quan trọng để chuyển hướng số lượng lớn

chất thải khác từ bãi rác. Những ưu điểm của nhựa phân hủy: trọng lượng nhẹ, chi
phí tương đối thấp và khả năng phân hủy hoàn toàn. thay vì cố gắng tái chế
một số lượng tương đối nhỏ bằng nhựa hỗn hợp, chất dẻo phân hủy có thể
dễ dàng kết hợp với các chất thải hữu cơ khác, qua đó cho phép phân trộn
( làm phân bón ) có vị thế cao hơn chất thải rắn. Nhựa phân hủy làm giảm
gánh nặng trong việc phân hủy và xử lý chất thải trong các bãi rác. Việc
sử dụng các chất dẻo phân hủy được xem như một khả năng khác trong việc xử lý
chất thải ngoại trừ việc đốt ra tro hoặc chôn chất thải xuống đất.
1.5.
Ứng dụng của nhựa phân hủy.
Bioplastics để có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tế thì cần phải cạnh tranh được
với các sản phẩm nhựa hiện nay. Bioplastics phải được phát triển bền vững nhờ các
tính chất: linh hoạt, đàn hồi, độ dẻo và trên hết là tính bền. chính các tính chất này
đã giúp nhựa truyền thống có chỗ đứng trên thị trường, phát triển và hoàn thiện
các tính chất này là mục tiêu chính của các nghiên cứu chất dẻo phân hủy
trong nhiều năm qua. Có rất nhiều nghiên cứu hiện nay có liên quan đến
phương pháp phân hủy nhựa, ngoài ra còn có những nghiên cứu về kiểm
soát thời gian phân hủy nhựa. một trong những mục tiêu của những nghiên cứu
này là để tạo ra một sản phẩm mà chúng ta có thể kiểm soát được quá trình phân
hủy của các sản phẩm nhựa theo ý muốn của chúng ta.
Màng bao phủ bằng nhựa phân hủy: Màng bao phủ được đặt trên mặt đất
xung quanh cây trồng để kiểm soát sự tăng trưởng của cỏ dại và giữ độ
ẩm. bình thường, nông dân sử dụng nhựa polyetylen đen được kéo lên sau khi
thu hoạch. Tuy nhiên khảo nghiệm bằng cách sử dụng màng bọc bao phủ phân hủy
trên các loại cây trồng cà chua và ớt đã cho thấy nó thực hiện cũng như các màng
polyethylene nhưng chỉ đơn giản là cấy vào mặt đất sau khi thu hoạch. Nó dễ
dàng hơn và nó làm đất giàu cacbon hơn.
PHẦN 2: BIODEGRADATION PLASTIC
2.1. Sản xuất nhựa phân hủy:
Nhựa phân hủy được các nhà máy sản xuất dựa trên các tài liệu nghiên cứu đã có

sẵn trong nhiều năm qua. Tuy nhiên chi phí để sản xuất nhựa phân hủy là rất cao
6


có nghĩa là chi phí sản xuất là yếu tố chính ngăn cản nhựa phân hủy thay
thế nhựa truyền thống trên thị trường đại chúng.
Nhựa phân hủy thường được sản xuất bằng hai hình thức: ép phun (rắn, hình dạ n g
3 D ), t h ư ờ n g ở d ạ n g c á c d ị n h v ụ t i ệ n í c h t h ự c p hẩ m , và p h i m
ả n h, thường đóng gói trái cây hữu cơ và bộ sưu tập túi cho lá cây và cỏ trang trí,
nông nghiệp và mulch.
Sản xuất: trong nỗ lực để khắc phục những thiếu sót, các nhà nghiên cứu đã tìm
cách phát triển các sản phẩm nhựa phân hủy được làm từ nguồn tái tạo, như thực
vật chẳng hạn. các chất dẻo truyền thống không phân hủy hoặc phân hủy với thời
gian dài là vì các phân tử polymer của nó quá lớn và liên kết chặt chẽ với
nhau nên rất khó được chia ra và đồng hóa bởi các vi sinh vật. tuy nhiên
chất dẻo phân hủy được làm từ lúa mì và tinh bột ngô có các phân tử dễ dàng
được tấn công và chia nhỏ bởi các vi sinh vật. Tinh bột là các polymer tự nhiên.
Các loại cây ngũ cốc và củ thường có chứa t ỷ l ệ l ớ n t in h b ộ t . t in h b ộ t c ó
t h ể đ ư ợ c x ử l ý t r ự c t i ế p và o m ộ t b i o p l a s t i c n h ư n g m ộ t đ ặ c đ i ể m
h ạ n c h ế c ủa t i n h bộ t l à d ễ hò a t a n t r o n g n ư ớ c v ì vậ y bioplastics
được làm từ tinh bột sẽ bị trương lên và biến dạng khi tiếp xúc với độ
ẩm, đây là hạn chế của nó khi sử dụng. Vấn đề này được khắc phục bằng
cách trộn tinh bột vào những polymer khác nhau.
Trước tiên tinh bột được thu hoạch từ cây ngô, lúa mì hoặc khoai tây, sau đó vi
sinh vật biến nó thành axit lactic, một monomer. Cuối cùng, các phân tử
của axit lactic đươc liên kết thành chuỗi dài hoặc polymer. Sau đó chúng liên kết
với nhau để tạo thành nhựa gọi là polylactide(PLA). PLA có thể dùng cho
các sản phẩm như chậu cây và tã trẻ em dùng một lần, nó đã được thương
mại hóa từ năm1990, và một số pha trộn đã tỏ ra hiệu quả trong việc cấy ghép.
Tuy nhiên vì P L A đ ắ t h ơ n n h ự a t h ô n g t h ư ờ n g n ên PL A đ ã kh ô n g

t h à n h cô n g t r o n g vi ệ c d à n h được sự chấp nhận rộng rãi của người tiêu
dùng.
Nhựa cũng có thể được sản xuất bởi vi khuẩn. một cách làm polymer
phân hủy liên quan đến việc sản xuất hạt nhựa từ bên trong tế bào vi khuẩn có
tên polyhydroxyalkanoate(PHA). Vi khuẩn được nuôi cấy và nhựa được
thu hoạch từ tế bào của vi khuẩn. các nhà khoa học đã lấy gen từ các vi khuẩn và
7


cấy chúng vào cây bắp và sau đó sản xuất nhựa trong các tế bào riêng của
nó.
www.science.org.au/.../061key.htm
- Chất thải động vật có cơ hội trở thành nhựa phân hủy. Một nghiên cứu được phát
triển tại trường đại học Waikato sẽ cho phép các chất thải động vật được
chuyển thành nhựa có ích và phân hủy. quy trình mới được phát triển
trong hơn hai năm do trường đại học Waikato, các kỹ sư, tiến sĩ và thạc sĩ
Johan Verbeek, sinh viên Lisa van den Berg, có thể biến rác thải từ động vật như
máu và lông thành một loại nhựa phân hủy bằng cách sử dụng tiêu chuẩn đùn nhựa
và ép phun.Tiến sĩ Verbeek rất hài lòng vì sử dụng chất thải có giá trị thấp để tạo ra
một s ả n p h ẩ m c ó g i á t r ị ca o m à kh ô n g g â y ô n h i ễ m m ô i t r ư ờ n g . t ừ
c á c vậ t l i ệ u đ ó chúng ta có thể sản xuất sản phẩm có thế mạnh của
polyethylene-nhựa được sử dụng trong chai sữa và các túi nhựa siêu thị nhưng
nó phân hủy hoàn toàn. Tiến sĩ Verbeek nói protein là polymer để chúng tôi biến
chúng thành nhựa. ông dự kiến rằng các bioplastic sẽ phù hợp với tấm
plastic nông nghiệp, khay cây giống, chậu cây và thậm chí cả sân golf (cọc
phát bóng).
Ở Việt Nam, chúng ta đã sản xuất được nhựa phân hủy theo công nghệ của nước
ngoài. Công ty cổ phần văn hóa Tân Bình ( công ty ALTA) đã sản xuất được bao bì
nhựa tự hủy theo công nghệ nước ngoai. Công nghệ sản xuất bao bì nhựa tự hủy
tương tự như công nghệ sản xuất bao bì thường, nhưng trong quá trình sản

xuất có thêm chất phụ gia để bao bì nhựa có thể tự phân hủy. Quá trình
sản xuất vẫn cho phép in ấn lên bao bì sản phẩm như các loại bao bì nhựa
thông thường.Thời gian để một bao bì nhựa phân hủy là từ 3 tháng đến lâu
hơn tùy theo yêu cầu của khách hàng. Sau thời gian trên, bao bì nhựa tự
phân hủy, rã ra thành một loại bột mịn. Trong môi trường yếm khí như bãi rác,
bao bì nhựa tự hủy càng phân hủy nhanh hơn.T ừ đ ầ u n ă m 2 0 03 đ ến n a y,
c ô n g t y A LTA đ ã s ả n x u ấ t và x uấ t k hẩ u m ặ t hàng này qua các nước
Italia, Đức, Anh, Pháp theo đơn đặt hàng của khách hàng. Trong 6 tháng đầu
năm 2005, Công ty ALTA đã xuất khẩu được 30 tấn bao bì nhựa tự hủy. Tuy
nhiên, giá thành của bao bì nhựa tự hủy cao hơn bao bì nhựa thường từ 15-20%.
Do đó, loại bao bì nhựa tự hủy này chưa được các khách hàng trong nước chuộng
Hiện Công ty ALTA (thông qua một nhà phân phối) đã làm việc với Thương xá
TAX và Sở Y tế TP.HCM để đưa bao bì nhựa tự hủy vào sử dụng trong
cuộc sống. Trước mắt, Thương xá TAX đã đặt hàng 16 tấn bao bì nhựa tự
hủy để đưa vào sử dụng trong siêu thị.
/>8


- Các nhà khoa học thuộc Đại học Hoàng đế London (Anh) đã tìm được cách
chuyển đổi đường có trong những loại cây mọc nhanh và cỏ thành một phân tử lớn,
được biết đến với cái tên polymer, và dùng nó để chế tạo ra chất dẻo. Vì những loại
cây này không cần phải chăm bón và không cần nhiều đất để mọc, việc dùng chúng
sản xuất chất dẻo sẽ ít bị phản đối như dùng các loại cây trồng khác để làm nhiên
liệu cho xe hơi. Bên cạnh đó, chu trình sản xuất vật liệu mới lại cần ít năng
lượng hơn so với các phương pháp chế tạo chất dẻo hiện nay. Mặc dù trên
thị trường đã có những loại chất dẻo làm từ các vật liệu tự nhiên như bắp,
tiếc thay những loại chất dẻo này lại không phân hủy nhanh chóng. Phát hiện của
các chuyên gia Anh không những cắt giảm v i ệ c s ử d ụn g d ầ u m ỏ đ ể t ạ o
c h ấ t d ẻ o m à cò n có kh ả n ă n g c h o p hé p c o n người làm phân trộn từ nhựa
tại nhà. Chất dẻo có nguồn gốc dầu mỏ thường phải mất rất nhiều năm để phân

hủy, nhưng vật liệu làm từ đường thực vật có thể dễ dàng được phân hủy
trong vòng vài tháng. Theo các nhà nghiên cứu, chất dẻo sinh học mới sẽ có
mặt trên thị trường trong vòng 5 năm tới.
/>C á c n hà k ho a họ c H à n Q u ố c đ ã c h ế t ạ o r a m ộ t l o ạ i p o l ym e r d ùn g
đ ể s ả n x uấ t r a l o ạ i c h ấ t d ẻ o đ ư ợ c ứ n g d ụ n g n h i ề u t r o n g đ ờ i s ố n g
d ự a t r ên c ô n g nghệ sinh học không sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Nghiên cứu
này có thể giúp sản xuất ra loại chất dẻo thân thiện hơn với môi trường, có khả
năng phân hủy sinh học và ít độc hại hơn. C h ìa kh ó a c ủ a n gh i ên c ứ u n à y
c h ín h l à a c i d p o l y l a c t i c ( PL A ), m ộ t l o ạ i polymer sinh học được sản xuất
bằng nguồn nguyên liệu tự nhiên và có thể tái tạo được. Nguyên liệu sản xuất PLA
là bột bắp hoặc những chất giàu tinh b ộ t n h ư b ộ t l ú a m ì . Đ ặ c b i ệ t cá c
p o l y m e r n à y có t h ể p h â n h ủ y s i n h họ c t r o n g vò n g 2 t h á n g ở đ i ề u
k i ện l ý t ư ở n g . PLA sẽ được dùng làm vật liệu để sản xuất bao bì phân
bón, thực phẩm và các loại bát đĩa dùng một lần. Nó cũng được sử dụng trong
một số ứng dụng y sinh như chỉ phẫu thuật, các thiết bị đặt trong cơ thể và các thiết
bị truyền thuốc. S o vớ i t hờ i đ i ể m r a đ ờ i c á c h đ â y và i n ă m , g i á cả
n hự a d ẻ o P L A đ ã g i ả m x uố n g n hư n g n ó vẫ n đ ắ t hơ n n h ự a d ẻo s ả n
x uấ t t ừ d ầ u h ỏ a . H i ệ n t ạ i , đ ộ i nghiên cứu đã thành công trong việc đơn
giản hóa quá trình sản xuất PLA, giúp giảm chi phí sản xuất. Điều này có nghĩa
là chẳng bao lâu nữa chúng ta có t h ể n h ì n t hấ y n h ự a d ẻ o P L A đ ư ợ c s ử
d ụ n g r ộ n g r ã i t r o n g đ ờ i s ố n g . Trước đó, PLA được sản xuất qua 2
bước: lên men và tiến hành phản ứng trùng hợp, rất phức tạp và tốn kém.
Nhưng bằng cách sử dụng công nghệ chuyển hóa vi khuẩn E. Coli, đội nghiên
cứu thuộc Trường ĐH KAIST (Hàn Quốc) và công ty hóa chất LG Chem đã phát
9


triển thành công quy trình sản xuất PLA và các chất đồng trùng hợp của nó
chỉ qua một giai đoạn là quá trình lên men trực tiếp. Điều này giúp giảm chi
phí sản xuất ra PLA và chất đồng trùng hợp (gồm muối lactat), tăng khả

năng đưa vào sản xuất đại trà loại polymer này. GS. Sang Yup Lee thuộc
ĐH KAIST, người đứng đầu nghiên cứu trên cho biết: “Bằng cách phát triển
một chiến lược kết hợp công nghệ chuyển hóa và công nghệ enzym, chúng tôi đã
phát triển thành công quy trình sản xuất một giai đoạn, sản xuất PLA và các chất
trùng hợp của nó hiệu quả”. . ” “Polyester và các polymer khác mà chúng ta
sử dụng hằng ngày hầu như được sản xuất từ dầu mỏ bằng quá trình tinh chế
hay các quy trình hóa học”.“Ý tưởng sản xuất polymer từ sinh khối có thể tái
tạo thu hút được sự quan tâm của nhiều người do lo ngại ô nhiễm môi trường
và suy giảm của nguồn nguyên liệu ngày càng tăng”. “PLA được xem như một
sự thay thế tuyệt vời cho nhựa dẻo sản xuất bằng dầu mỏ nhờ khả năng phân
hủy sinh học và ít độc hại hơn đối với sức khỏe con người”.
/>2.2. Năng lượng và chi phí cho sản xuất nhựa phân hủy:
Các nhà nghiên cứu khác nhau đã tiến hành đánh giá chu kì tuần hoàn rộng lớn
của polyme phân hủy để xác định xem các polymer phân hủy có nhiều
hiệu quả về năng lượng hơn polymer do nguyên liệu hóa thạch thông thường dựa
trên cách thức phương tiên sản xuất. nguyên cứu được thực hiện bởi giáo sư
Gerngros ước tính rằng năng lượng hóa thạch cần thiết để
t ạ o 1 k g polyhydroxyalkanoate(PHA) là 50,4MJ/kg, Akiyama cũng ước
tính giá trị khoảng 50-59MJ/kg. Polylactide (PLA) có chi phí năng lượng nhiên
liệu hóa t hạ c h t r o n g kh o ả n g 5 4 - 5 6, 7 M J . N a t u r e wo r ks t h ự c h i ện s ả n
x uấ t m ộ t k g P L A vớ i 2 7, 2 M J n h i ên l i ệ u h ó a t hạ c h và d ự đ o á n c o n
s ố n à y có t h ể g iả m x uố n g 1 6 . 6 M J / K g ở t h ự c vậ t t h ế h ệ k ế t i ế p c ủ a
h ọ . N g ư ợ c l ạ i p o l yp r o p y l en e , p o l y e t h y l e n e độ cao đòi hỏi 85,9 và
73,7MJ/kg tương ứng. Ngày nay,công nghệ sản xuát PHA đang được phát triển,
mức tiêu thụ năng lượng có thể được giảm hơn nữa bằng cách loại bỏ các
bước lên men, hoặc bằng cách dùng chất thải thực phẩm làm nguyên liệu sản
xuất. việc sử dụng các loại cây trồng khác như ngô, mía đường dự kiến sẽ có năng
lượng thấp hơn yêu cầu sản xuất PHA bởi quá trình lên men, bã mía được sử dụng
như một nguồn năng lượng tái tạo. việc sử dụng các loại cây trồng khác như ngô,
mía đường dự kiến sẽ có năng lượng thấp hơn yêu cầu sản xuất PHA bởi quá trình

lên men, bã mía được sử dụng như một nguồn năng lượng tái tạo.C ó n h i ề u
p o l y m e r p hâ n h ủ y s ả n x uấ t t ừ n gu ồ n n gu y ê n l i ệ u t á i t ạ o ( P H A , PLA,
10


tinh bột) cũng cạnh tranh với sản xuất nguyên liệu chính là Ngô.M ứ c đ ộ p hâ n
h ủ y n hự a đ ư ợ c đ o bằ n g n h i ề u cá c h . C á c ho ạ t đ ộ n g c ủ a v i k h uẩ n
a r o b i c có t h ể đ ư ợ c đ o b ằ n g l ư ợ n g o x i c h ú n g t i ê u t h ụ ho ặ c l ư ợ n g
cacbon dioxide nó sản xuất được. hoạt động của vi khuẩn kị khí và số lượng khí
mêtan thoát ra.
-PLA, PHA có chi phí sản xuất đắt hơn và chưa được thay thế sử dụng rộng rãi
trong đời sống so với nhựa hóa dầu truyền thống. sản phẩm nhựa phân
hủy hiên nay trên thị trường thường đắt hơn từ 2- 10 lần so với nhựa hóa dầu
truyền thống. nhưng với chi phí như vậy, nhựa truyền thống không phản ánh đầy
đủ tác động của nó đến môi trường. nếu các tác động đến môi trường và các chi
phí liên quan được xem xét đầy đủ thì chất dẻo truyền thống sẽ có chi phí
nhiều hơn và nhựa phân hủy sẽ có thể cạnh tranh hơn với chất dẻo truyền
thống trên thị trường. nếu chi phí là một rào cản lớn đến sự thu hút của
nhựa phân hủy đến người tiêu dùng thì biện pháp giải quyết vấn đề đó là nghiên
cứu tìm ra các phương thức sản xuất có chi phí thấp để sản xuất nhựa phân hủy.
tại Úc, các trung tâm nghiên cứu (CRC) thực phẩm Quốc tế và khoa học
sản xuất bao bì là dựa vào cách sử dụng tinh bột cơ bản,pha trộn với nhiều
loại polymer khác đắt tiền để sản xuất chất dẻo.
en.wikipedia.org/.../
Biodegradable
_
plastic
Compost có thể là chìa khóa để tối đa hóa lợi ích về môi trường của chất dẻo phân
hủy. một trong những trở ngại lớn để phân compost chất thải hữu cơ là hỗn hợp
phân hủy bao bì nhựa không có lãi về kinh tế do đó toàn bộ hỗn hợp chất thải kết

thúc chu kỳ trong bãi rác. Bằng cách đảm bảo chất dẻo phân hủy được sử dụng để
gói tất cả các sản phẩm hữu cơ, trong tương lai gần có thể thiết lập một đường
dây phân compost quy mô lớn trong đó bao bì và vật liệu được trộn lẫn
làm một. kết quả là phân compost được đưa vào sản xuất nông nghiệp, do đó
có thể chuyển hướng vào phát triển những nguyên liệu để sản xuất chất dẻo phân
hủy.
2.3. Các loại nhựa phân hủy.
Có hai loại chính của chất dẻo phân hủy trên thị trường : thủy phân phân hủy chất
dẻo(HBP) và oxo-nhựa phân hủy (OBP). Cả hai đầu tiên sẽ trải qua sự
suy thoái hóa học bằng cách thủy phân và oxi hóa tương ứng. điều này dẫn đến sự
tan rã thể chất của nhựa và giảm đáng kể trọng lượng phân tử của nó. Sau đó tuân
theo sự phân hủy nhựa. OBP được thực hiện bằng cách thêm một tỷ lệ nhỏ các hợp
chất của các kim loại chuyển tiếp cụ thể (sắt, mangan, coban và niken) được sử
dụng phổ biến vào sản xuất bình thường của polyolefin(PE và PP) và polystyrene.
Các chất xúc tác và các chất phụ gia được sử dụng để đẩy mạnh quá trình
11


suy thoái nhựa phân hủy. các chất xúc tác, phụ gia có nhiều loại và được phổ biến
rộng r ã i t r o n g t h i ê n n h i ên , đ ư ợ c s ử d ụ n g p hổ b i ến t r o n g n h i ề u
n gh à n h cô n g nghiệp. HBP có xu hướng suy thoái và phân hủy nhanh hơn OBP
nhưng chúng phải được thu thập vào một đơn vị phân compost công nghiệp. kết
quả cuối cùng thì giống nhau, cả hai được chuyển đổi thành carbondioxide,
nước và sinh khối. OBP ít tốn kém hơn, có tính chất vật lý tốt hơn và có
thể được thực hiện với thiết bị chế biến nhựa. BHP thải ra metan trong
điều kiện yếm khí n hư n g O B P t h ì k hô n g . H B P c ó t h ể đ ư ợ c l à m t ừ
n gu ồ n t à i n gu y ê n n ô n g nghiệp như ngô, lúa mì, mía hay tài nguyên hóa
thạch (dầu mỏ) hoặc pha pha trộn từ hai nguồn. một số polymer thường
được sử dụng bao gồm: PHA(polyhydroxyalkanoates), PVA( polyvinyl ankyl),
PET (polyethylene terephthalate), PCL (polycaprolacton), PLA (acid polylactic),

PHBV(polyhydroxybutyrate-valerate)
/>Nhựa phân hủy cũng có thể được chia thành các loại sau:
• Hydro-biodegradable. Đầu tiên nhựa sẽ được phân hủy theo sự
tương tác với nước (có tham gia của quá trình thủy phân), sau đó có sự
tham gia của vi sinh vật.
•
Photo- biodegradable. Đầu tiên nhựa sẽ được phân hủy theo sự tương tác
với ánh sáng mặt trời (một quá trình gọi là photolysis), sau đó có sự tham
gia của vi sinh vật.
•
Oxo-degradable. Một số công ty đã tuyên bố họ có thể tạo ra một phụ gia
mà có thể được bổ sung vào các sản phẩm nhựa truyền thống giúp
nó phân hủy được. các sản phẩm này trở thành oxo-phân hủy. phụ
gia cho phép các vật liệu nhựa dễ phá vỡ khi tiếp xúc với nước thành các
thành phần nhỏ hơn đủ để vi khuẩn phân hủy chúng tuy nhiên vi khuẩn
không thể thực sự phá vỡ các sản phẩm này. kết quả cuối cùng là có
dư lượng sinh khối polymer và nhựa không bao giờ được phân hủy như
kết quả của sự tương tác với vi sinh vật.
2.4.
MỘT SỐ VẬT LIỆU SẢN XUẤT POLYMER PHÂN HUỶ.
Hiện nay, vật liệu bao bì sinh học chủ yếu từ polymer sinh học chẳng hạn như: tinh
bột, cellulose, protein, pullulan, gelatin… và các monomer từ các chất hữu cơ lên
men.Vật liệu từ tinh bột: đây là nguồn nguyên liệu phong phú, có sẵn và rẻ tiền.
Tinh bột có 2 thành phần là Amilose và Amilopectin. Trong tự nhiên, tinh bột có
nhiều ở ngũ cốc, một số loại rau củ và một số loại đậu. Hạt tinh bột có thể được kết
hợp với plastic truyền thống, đặc biệt kết hợp với polyolefins. Khi đó plastic sẽ
được phân hủy bởi vi sinh vật, vi sinh vật sẽ sử dụng tinh bột, làm tăng độ xốp tạo
khoảng trống làm mất tính nguyên vẹn của mạng plastic. Có 3 loại polymer phối
trộn: polyhydroxylalkanoates(PHA), polylacticacid(PLA), thermoplastic tinh
bột(TPS). Ba loại này đang được quan tâm trong những năm gần đây. PLA được

12


sản xuất từ sự lên men tinh bột (chủ yếu là tinh bột bắp). loại polymer này tiêu tốn
ít năng lượng hơn plastic. Mặc dù những polymer này rất thân thiện với môi trường
nhưng vẫn chưa được sử dụng rộng rãi do chi phí sản xuất còn cao. Polymer TPS
là polymer 100% từ tinh bột đã có chỗ đứng trên thị trường. nó có ưu điểm là: chi
phí năng lượng, giá cả thấp hơn so với plastic truyền thống. mặc dù có nhiều ưu
điểm nhưng vẫn còn nhiều rào cản khiến chúng chưa được sử dụng rộng rãi như sự
hoài nghi của người tiêu dùng, chi phí nguyên liệu, chi phí kỹ thuật. Để vượt qua
những rào cản đó chúng ta phải có những chính sách như sau:- đ ư a r a n hữ n g
n gh i ên c ứ u m ở r ộ n g về v i ệ c đ ó n g gó i b a o b ì c ó bổ s un g khí quyển.t i ếp t ụ c n hắ m và o c á c m ặ t hà n g c ủ a h à n g t ạ p h ó a , cá c s ả n p hẩ m
t r á i cây, rau, sản phẩm snack cho trẻ em và thực phẩm cho vật nuôi trong nhà.T ì m ki ế m s ự đ ồ n g t ì n h, ủn g hộ c ủa cá c t ổ c h ứ c c ó q ua n t â m đ ến
vấ n đề môi trường như: các trường đại học, cao đẳng, các tổ chức khác có quan
tâm đến vấn đề này. N h ấ n m ạ n h và o s ự t i ện í c h b ở i v ì c ó r ấ t n h i ề u
n gư ờ i k hô n g q ua n t â m đến môi trường và sự tiện ích của nhựa sinh học.
2.4.1. Vật liệu PLA
Những vật liệu đóng gói bằng plastic vững chắc, sạch được sử dụng phải thỏa mãn
điều kiện: không đắt tiền, nhẹ, không thấm khí, không thấm nước và dầu. Người ta
sản xuất PLA dựa vào nguồn nguyên liệu từ tinh bột bắp. Bắp được xay và cán sau
đó sẽ được đường hóa thành các dextrin. Các dextrin này sẽ được chuyển thành
axit lactic qua quá trình lên men. Và rồi sẽ được cô đặc, lúc này 2 phân tử lactic sẽ
kết hợp lại thành cấu trúc vòng gọi là lactid. Hợp chất lactid này sẽ được làm sạch
qua quá trình chưng cất sau đó chúng sẽ được trùng hợp tạo chuỗi polymer mạch
dài. Để có nhiều loại thì ta có thể thay đổi phân tử lượng hoặc độ trong. Bằng cách
thêm vào nhiều chất bổ sung ta sẽ có vật liệu PLA

13

14


Quy trình sản xuất vật liệu PLA

sau đó vật liệu này sẽ được bán cho các công ty và nó sẽ được gia công thêm để
cho ra sản phẩm cuối cùng. Sau một thời gian sử dụng thì PLA sẽ được hủy đi hoặc
được tái chế lại. mặc dù có nhiều ích lợi đối với môi trường nhưng vẫn có nhiều
khía cạnh kỹ thuật cần giải quyết. ví dụ: tinh bột rất dễ tương tác với nước nên
nhiều thuộc tính của PLA phụ thuộc rất nhiều vào độ ẩm. điều này có nghĩa là PLA
sẽ không được sử dụng trong thị trường chai lọ. mặt khác PLA chịu được nhiệt độ
tối đa là khoảng 114 độ F (45.50C). nếu vượt qua nhiệt độ này thì PLA sẽ tan chảy
2.4.2. Vật liệu PHA Polyhydroxyl alkanoates
PHA là một vật liệu polymer khác có nhiều hứa hẹn. polymer này đang được
nghiên cứu để thay thế cho bao bì plastic
Các nhà sinh học đã biết đến sự tồn tại của PHA từ năm 1925 trong tế bào vi
khuẩn. nhiều loại PHA được tổng hợp từ các nguồn cacbon, vi sinh vật hữu cơ
khác nhau và qua các quá trình gia công. Có 2 phương pháp để tổng hợp nên PHA:
- P h ư ơ n g p há p l ên m en gồ m : t r ồ n g c á c c â y t r ồ n g n hư b ắ p r ồ i t h u
h o ạ c h, tách chiết glucose từ cây trồng sau đó lên men đường trong tế bào có chứa
PHA, rửa và xoáy đảo tế bào để giải phóng PHA sau cùng là cô đặc và phơi khô
trong khuôn.
-Quá trình tổng hợp dựa vào sự phát triển PHA trong tế bào cây trồng là một kỹ
thuật đang được theo đuổi. quá trình này giống với quá trình đã mô tả ở trên nhưng
bỏ qua giai đoạn lên men. Người ta sử dụng một lượng lớn dung môi để trích ly
nhựa từ cây trồng, sau đó tìm cách loại dung môi đi do đó rất tốn kém về năng
lượng. Một ưu điểm của PHA so với PLA là khả năng tự phân hủy của nó rất là cao
15

và dễ tổng hợp. khi được đặt vào môi trường sinh vật tự nhiên thì nó sẽ tự phân
hủy thành CO2 và nước. điều này giúp nó có nhiều ứng dụng trongcuộc sống.
2.4.3. Vật liệu TPS
(Thermoplastic starches) là vật liệu bằng tinh bột có chứa nhựa nhiệt
dẻo.Thermoplastic starches đã có nhiều bước phát triển trong ngành công
ngiệp polymer sinh học. những polymer này được tạo ra từ tinh bột bắp, lúa mì,
khoai tây. Thermoplastic starches (TPS) khác PLA và PHA là chúng không qua
giai đoạn lên men. Để có những thuộc tính giống như plastic, TPS được trộn với
các vật liệu tổng hợp khác.
-Tinh bột liên kết với các polymer tổng hợp khác, với hàm lượng tinh bột có thể
lớn hơn 50% sẽ tạo nên các loại plastic mà đáp ứng được nhu cầu thị trường.
-EAA(copolyme là ethylen- acrylic acid): được nghiên cứu từ năm 1977. nhược
điểm của loại plastic này là nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường, dễ bị rách
trượt và không được phân hủy hoàn toàn bởi vi sinh vật. Starch/ vinyl alcohol
copolymers: tùy vào điều kiện gia công, loại tinh bột và thành phần của copolymes
sẽ tạo nên nhiều loại plastics với hình dạng và hoạt tính khác nhau. Plastic chứa
tinh bột có tỷ lệ AM/AP lớn hơn 20/80 sẽ không hòa tan ngay cả trong nước sôi.
Còn plastic chứa tinh bột có tỷ lệ AM/AP nhỏ hơn 20/80 sẽ được hòa tan từng
phần. tỷ lệ tinh bột được phân rã bởi vi sinh vật trong những vật liệu này tỷ lệ
nghịch với hàm lượng của AM/ phức vinyl alcohol. Điểm hạn chế của những vật
liệu này là giòn và nhạy cảm với độ ẩm.
Cơ chế tự hủy:
-Thành phần tự nhiên: dù được che chắn bởi cấu trúc mạng nhưng vẫn bị phân hủy
bởi enzim ngoại bào của vi sinh vật.
-Thành phần tổng hợp được phân hủy do sự hấp thụ bề mặt của vi sinh vật, tạo bề
mặt trống cho sự phân hủy các thành phần tự nhiên.
-Aliphatic polyester: tinh bột cũng có thể được cấu trúc lại với sự hiện diện của các
polymer kị nước như các polyester béo. Polyester béo có điểm tan chảy thấp khó
tạo thành vật liệu nhiệt dẻo và thổi tạo hình. Khi trộn tinh bột với polyester béo sẽ
cải thiện được nhược điểm này. Một số polyester béo thích hợp là: poly- Ɛ

-caprolactone và các copolymer của nó, hoặc các polymer tạo thành từ các
phản ứng của các glycol như 1,4- butandiol với một số acid như succinic, adipic,
sebacic, azelaic, dicanoic, decanoic, brassillic. Sự kết hợp này sẽ tăng thuộc tính
cơ, giảm sự nhạy cảm với nước và tăng khả năng phân hủy. Đã có những nghiên
cứu thay thế bao bì plastic từ các chế phẩm dầu mỏ sang dạng bao bì plastic từ
bắp. Nguồn nguyên liệu bắp có thể thỏa mãn nhu cầu lớn của bao bì plastic.Vật
liệu làm từ nguồn nguyên liệu này hạn chế việc ô nhiễm môi trường do khi phân
hủy nó không tạo ra các hợp chất độc. Việc thay thế đầu tiên được tiến hành vào
ngày 1-11-2005, 114 triệu thùng chứa bằng plastic được sử dụng hàng năm cho các
đại lý bán lẻ rau quả, dâu tây, thảo dược… hiệu quả kinh tế thể hiện rõ rệt.
16


Vật liệu từ cellulose
Cellulose là nguồn nguyên liệu phong phú, không hòa tan trong nước và hầu hết
dung môi hữu cơ. Cellophane (giấy bóng kính) là một trong những dạng phổ biến
của bao bì từ cellulose, được sử dụng cho nhiều loại thực phẩm bởi tính
chống thấm dầu, khả năng ngăn cản sự tấn công của vi khuẩn và tính trong suốt
của nó. C e l l o p h a n e t h ư ờ n g đ ư ợ c p h ủ m ộ t l ớ p n g o à i v ớ i n i t r o
c e l l u l o s e h a y l à acrylate để tăng khả năng chống thấm mặc dù lớp phủ này
không được phân hủy bởi vi sinh vật. Chúng ta có thể bao gói bánh mỳ bằng
celophane- một loại vật liệu phân hủy sinh học dùng bao gói thực phẩm, loại vật
liệu này có giá cả cạnh tranh với plastic thông thường, một ưu điểm khác là nó có
thể phân hủy nhanh sau khi sử dụng, thậm chí nó có thể ăn được. Ngoài ra
cellulose acetate được kết hợp với tinh bột để tạo nên plastic dễ phân hủy
bởi vi sinh vật. cellulose cũng kết hợp với chitosan tạo màng có khả năng
thấm khí và thấm nước cao
2.4.4.

17

Đường cong phân hủy của plastic sinh họcVật liệu bao bì từ cellulose sử dụng để
bảo quản một số loại rau quả dễ bị hư hỏng như dâu tây, đào, chuối, nấm….

Vật liệu từ Chitin và Chitosan:
Chitin được tổng hợp chủ yếu từ côn trùng, tôm cua, nấm sợi, là một loại composit
bền vững tạo bộ khung ngoài bảo vệ cho chúng. Chitin khi khử nhóm acetyl sẽ tạo
thành Chitosan. Chitin và Chitosan là 2 loại polymer có đặc tính cơ học phù hợp để
tạo dạng màng và dạng sợi
-Chitin:
Tên hóa học: Poly-N-Acetyl-D-Glucosamine hoặc (1,4)-2-Acetamido-2-deoxy-β—D-glucanCT phân tử: ( C8H13NO5)n
2.4.5.

18


-Chitosan:
Tên hóa học: poly-(1-4)-2-Amino-2-Deoxy-β – D-GlucanCT phân tử:
( C6H11O4N)n

19