BAO bì SINH học CHÍNH THỨC pdf

Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

CHƯƠNG MỞ ĐẦU
Trong xã hội ngày nay, bao bì được sử dụng phổ biến để chứa đựng tất cả các
loại hàng hóa trong quá trình bảo quản, vận chuyển, phân phối và kiểm tra. Bao bì có
tác dụng bảo vệ chất lượng hàng hóa từ khi sản xuất, đến trao đổi thương mại và tiêu
thụ, mang lại sự trật tự, hiệu quả kinh tế và thể hiện sự tiến bộ của xã hội.
Theo thống kê sơ bộ của Bộ Tài nguyên Môi trường, trung bình 1 ngày, 1 người
tiêu dùng phải sử dụng ít nhất một chiếc túi nilon. Thời gian để phân huỷ những chiếc
nylon này là khoảng 50 năm sẽ ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường. Nhựa nhiệt dẻo
phải mất từ 10 tới 30 năm, thậm chí là một thế kỷ, mới có thể phân huỷ. Nếu mang
đốt, chúng sẽ gây ô nhiễm không khí. Trong khi đó, chôn lấp sẽ rất tốn đất và ảnh
hưởng tới nguồn nước ngầm. Hoạt động tái chế cần đầu tư thiết bị máy móc đắt tiền,
hiệu quả kinh tế thấp. Chỉ riêng năm 1996, thế giới sử dụng 150 triệu tấn nhựa nhiệt
dẻo. Chính vì những lý do trên mà nhiều nước trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu
polymer tự phân huỷ kể từ những năm 1980 để sử dụng trong nông, lâm nghiệp, chế
biến thực phẩm (bao túi đựng thực phẩm) và y tế (màng mỏng phủ vết bỏng và
polymer để gắn xương). Năm 1980 trên thế giới mới chỉ có 7-12 sáng chế trong ngành
này. Tuy nhiên, con số đó đã tăng lên 1.500 trong 10 tháng đầu năm 2003. Hiện Mỹ đã
thay thế 30% nhựa nhiệt dẻo bằng polymer tự phân huỷ.

Hình 1 :Xử lý bao bì sau khi sử dụng
1


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

Người Mỹ sử dụng 1901bs nhựa mỗi năm, trong đó khoảng 60lbs thì được dùng
để đóng gói và sẽ được bỏ đi ngay sau khi bao bì được mở. Nhiều vật liệu plastic sẽ
được bỏ trong nơi đổ rác và là nơi mà chúng tồn taị hàng nhiều thế kỉ ở đó. Sự phát
triển dân số liên quan đến vấn đề rác thải và nhu cầu phát triển các vật liệu có tính
chống dỡ tốt hơn, dẫn đến việc ra đời các công ty nghiên cứu và chế tạo ra các vật liệu
polyme phối trộn từ nguồn nông nghiệp. Chúng ta tin tưởng rằng vật liệu polyme sinh
học sẽ có tiềm năng lớn trong thị trường đóng gói thực phẩm trong 10 năm tới. Sự có
mặt của nó góp phần làm giảm đi sự phụ thuộc vào dầu mỏ nước ngoài và chúng ta sẽ
giải quyết được vấn đề môi trường do nguyên liệu plastic gây ra. Trong những năm
gần đây, các quốc gia có các đạo luật như: các cơ sở xản xuất phải có trách nhiệm với
các sản phẩm do mình làm ra ở giai đoạn cuối vòng đời của nó, chính sách giao vấn đề
quản lý chất thải cho các nhà sản xuất, giới hạn lượng bao bì đóng gói thực phẩm,
khuyến khích các chính quyền sử dụng vật liệu sinh học. Những chính sách này giúp
cho việc tạo ra môi trường phát triển cho vật liệu sinh học.

Hình 2: Rác thải và bao bì đã qua sử dụng

2


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ BAO BÌ
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG
Trong ngành công nghệ thực phẩm việc sử dụng bao bì để bao gói là một yêu
cầu tất yếu và phổ biến. Hiện nay trong bao gói thực phẩm người ta sử dụng nhiều loại
bao bì khác nhau như: bao bì giấy, bao bì kim loại, bao bì thủy tinh, bao bì chất dẻo,..
mỗi loại có một đặc tính và ưu, nhược điểm khác nhau. Trong đó bao bì chất dẻo rất

thông dụng và chiếm ưu thế. Bao bì chất dẻo dễ gia công và sản xuất, nhẹ, cách điện
và cách nhiệt tốt, có độ bền cơ học cao và đặc biệt là rất tiện lợi khi sử dụng. Tuy
nhiên nhược điểm của nó là phân hủy trong môi trường tự nhiêu rất chậm.
Mặc dù đã có nhưng khuyến cáo về vấn nạn ô nhiễm do bao bì nhựa mạng lại
và đã có các loại bao bì giấy thay thế, nhưng con người không thể phủ nhận sự tiện lợi
của bao bì nhựa và tiếp tục sử dụng bất chấp lời cảnh báo "Một thời gian đến chúng ta
sẽ đi lại trên các đống rác bao bì".
Các loại bao bì bằng nhựa như PE, PP, PVC, PS … gọi chung là polyolefin.
Việc sử dụng các loại nhựa đặc biệt là nhựa olefin tăng đáng kể trong những thập niên
gần đây vì chi phí thấp tính chất cơ lý tốt. Nhưng vấn đề môi trường cũng là thách thức
khi đẩy mạnh sử dụng loại nhựa này. Bởi vì các loại nhựa olefin không dễ dàng phân
hủy trong môi trường tự nhiên, quá trình phân hủy có thể tính bằng đơn vị thế kỷ.
Polyolefin phân hủy được tạo ra nhầm đáp ứng hai yêu cầu:
-

Hàng hóa để phục vụ đời sống

-

Khi phân hủy nhựa đến sản phẩm cuối cùng phải không độc hại với môi trường.

Vấn đề môi trường liên quan đến việc quá lệ thuộc vào bao bì polyolefin đã
khiến cộng đồng các nước trên thế giới lo ngại. Hiện nay vấn đề xử lý các loại rác thải
bằng nhựa chủ yếu là đốt, trôn và tái chế. Tuy nhiên 3 phương pháp này điều mang
đến rủi ro cao như khi đốt polyolefin sẽ sinh ra lượng bụi và CO2 lớn, chôn sẽ gây cho
đất bạc màu, tái chế nhiều lần thì các loại bao bì sẽ không còn tính cơ lý tốt như ban
đầu.
Hiện nay các nhà khoa học đã tìm và quan tâm chế tạo các loại bao bì
polyolefin phân hủy sinh học (giảm cấp sinh học - Oxo-biodegradation) .
Polyme được xem như là “xanh” thì phải thỏa mãn 2 yếu tố:

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 phân hủy.
3


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

Hai điều kiện này thì không phụ thuộc vào nhau. Có 2 loại polyme tự nhiên và
tổng hợp. Polyme tự nhiêu được tạo ra từ các nguồn có thể hồi phục lại được: tinh bột,
cellulose và polyme tổng hợp thì dựa vào các chế phẩm của công nghiệp dầu mỏ.

Hình 1.1: Vòng đời của các polyme phân hủy sinh học
1.2 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI
1.2.1 Định nghĩa
Bao bì là vật dụng chứa đựng, bao bọc thực phẩm thành những đơn vị để bán.
Bao bì có thể gồm nhiều lớp bao bọc, có thể phủ kín hoàn toàn hay chỉ bao bọc
một phần sản phẩm. Bao bì phải đảm bảo chất lượng cho sản phẩm, có thể phân phối
lưu kho, kiểm tra và thương mại một cách thuận lợi.
Bao bì tự hủy được chia làm hai loại: tự hủy thông thường và tự hủy sinh học
-

Tự hủy thông thường: là quá trình phân rã vỡ vụn bao bì nhựa ( có nguồn gốc từ
dầu mỏ) từ mảnh lớn thành nhiều mảnh nhỏ không có lợi cho môi trường do khó
thu gom và không làm bồi bổ cho đất.

-

Tự hủy sinh học: là quá trình pân hủy triệt để bao bì nhựa (từ nguyên liệu nhựa có
nguồn gốc thực vật) do tác động của vi sinh vật và độ ẩm thành phần hữu cơ.

Polyme phân hủy sinh học là những polyme có khả năng phân hủy thành những
phân tử đơn giản như CO2, nước, CH4 , các hợp chất vô cơ hoặc sinh khối, dưới tác

4


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

động của một số yếu tố, trong đó chủ yếu bởi vi sinh vật khi chôn, ủ trong môi trường
tự nhiên. Có số mắt xích cơ bản trong một phân tử polyme nhỏ hơn 5000.
 Sự khác nhau của polyme phân hủy sinh học và polyme không phân hủy sinh
học:
Polyme phân hủy sinh học
-

Polyme không phân hủy sinh học

Phân hủy được.

-

Không phân hủy được.

- Sản xuất từ nguyên liệu thân
- Chủ yếu từ các nguồn tài nguyên

thiện môi trường: tinh bột, xenlulozo… không tái tạo được
-

Cơ tính không cao, chịu nhiệt,

hóa chất, môi trường kém.
-

-

Cơ tính tốt, chịu nhiệt, hóa chất,

môi trường tốt.

Không tái chế được

-

Có thể tái chế được

Bảng 1: Sự khác nhau của polyme phân hủy sinh học và polyme không phân
hủy sinh học

Hình 1.2: Bao bì thực phẩm và bao bì sinh học
1.2.2 Phân loại
Trên cơ sở phương pháp sản xuất, nói chung các vật liệu polyme sinh học dùng
để sản xuất bao bì tự hủy gồm ba nhóm chính sau:
- Polyme được tách trực tiếp từ các nguồn tự nhiên (chủ yếu là thực vật). Ví dụ
như: các polysaccarit (tinh bột, cellulose, chitin, chitosan,..) và protein ( như casin,
gluten của bột mì)

- Polyme được sản xuất từ bằng phương pháp tổng hợp hóa học từ monome. Ví
dụ: vật liệu polylactat (PLA) là một polyeste sinh học được polyme hóa từ monome
5


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

acid lactic. Các monome này được sản xuất nhờ phương pháp lên men các
carbohydrate tự nhiên.
- Polyme sản xuất nhờ vi sinh vật hoặc vi khuẩn cấy truyền gen. Vật liệu polyme
sinh học điển hình nhất trong trường hợp này là polyhydroxy-alkanoat (PHA): chủ yếu
là polyhydroxybutyrat (PHB) và copolyme của PHB và hydroxy-valerat.
Cả ba loại polyme sinh học nói trên đều có tiềm năng làm nguồn vật liệu cho bo
bì trong tương lai gần và sẽ thay thế các loại bao bì vật liệu polyme hiện tại có nguồn
gốc dầu mỏ như: PE, PS, PP, PC,..
1.3 ĐẶC TÍNH
Bao bì từ vật liêu sinh học phải đáp ứng được các tiêu chuẩn như: tính chống
chấm (nước, khí, ánh sáng, mùi), đặc tính quang học( trog suốt,..), tính co giãn, có thể
đóng dấu hoặc in ấn dễ dàng, kháng nhiệt và hóa chất. Tính ổn định cũng như thân
thiện với môi trường và có giá cả cạnh tranh. Hơn nữa, bao bì phải phù hợp với quy
định về bao bì thực phẩm.
Đặc tính của bao bì thực phẩm thể hiện qua ba chức năng quan trọng sau:
- Tương tác giữa bao bì và thực phẩm phải đảm bảo chất lượng và an toàn thực
phẩm.
-

Thông tin, giới thiệu sản phẩm, thu hút người tiêu dùng.

-

Thuận tiện trong phân phối, lưu kho, quản lí và tiêu dùng.

Bao bì vật liệu sinh học có thể tự phân hủy trong tự nhiên, vì vậy không ảnh
hưởng đến môi trường. Nhờ không sử dụng hóa chất tổng hợp, bao bì vật liệu sinh học
sẽ an toàn đối với thực phẩm và sức khỏe con người.
.

Hình 1.3: Quá trình tự hủy của bao bì sinh học

6


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

Hình 1.4: Cái ly từ vật liêu sinh học tự phân hủy sau 1, 15, 30 và 50 ngày

7


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

CHƯƠNG 2: VẬT LỆU TỪ TINH BỘT
2.1

VẬT LIỆU TỪ TINH BỘT

2.1.1 Sự tạo thành tinh bột.
Đây là polymer rất phổ biến trong tự nhiên, là sản phẩm của quá trình quang
hóa trong tự nhiên.
Trùng ngưng:
C6H12O6  (C6H12O6)n + 3nH2O.
Tinh bột được biết đến như là nguồn thực phẩm dinh dưỡng quan trọng cho con
người và các loài sinh vật. Đây là nguồn nguyên liệu phong phú, có sẵn và rẻ tiền.
Trong tự nhiên tinh bột có nhiều ở ngũ cốc, một số loại củ và một số loại đậu.
Hạt tinh bột có thể được kết hợp với plastic truyền thống, đặc biệt kết hợp với
polyfins. 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.

Hình 2.1: Sự tạo thành tinh bột
Về bản chất tinh bột là những hạt có cấu trúc tinh thể dạng hạt d = 15-100μm.
Tinh bột bao gồm 2 thành phần chính là amilozo và amylopectin với tỉ lên
amilozo/amilopecitn = ¼, liên kết với nhau chủ yếu bằng liên kết α-D-1,4 glucozit.
2.1.1.1 Amylose
Amylose: là polymer mạch thẳng, M= 105-106 g/mol, chiều dài trung bình từ
500-2000 đơn vị glucozo. Ở dạng tinh thể amilozo có cấu trúc xoắn ốc.
8


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

Tính chất của amilozo: dễ thoái hóa trong nước, tan trong formandehyt,
cloralhydrat, nước, mềm dẻo, nhiều nhóm OH, tạo được liên kết hydro giữa các mạch,

làm giảm ái lực giữa amilozo với nước, kết tinh tốt.
2.1.1.2 Amylopectin
Amylopectin: là polymer mạch nhánh, có khối lượng phân tử 107-109 g/mol ,
cấu trúc mạch nhánh được tạo nhờ liên kết α-D-1,6 glucozit, liên kết chủ yếu trong
amylopectin là α-D-1,4 gulcozit. Mỗi nhánh chứa 20-30 mắt xích glucose
Tính chất: Amylopectin do có mạch nhánh bởi vậy mà độ kết tinh của nó thấp
hơn nhiều so với amilose. Do cấu trúc không gian lập thể nên nó có khả năng giữ nước
và không hòa tan trong nước, không có xu hướng kết tinh do đó amylopectin không bị
biến thoái,.
2.1.2 Tính chất của tinh bột
- Tinh bột có khả năng tạo màng, kéo sợi.
- Có khả năng tương tác với chất khác như. : trương nở trong nước.
- Liên kết glucozit bị phân hủy ở nhiệt độ 2500C. Ở nhiệt độ thấp xảy ra hiện
tượng thoái biến: sự tổ chức lại liên kết hydro và sắp xếp lại các mạch phân tử trong
quá trình nhiệt độ hạ xuống. Độ bền với ứng suất không lớn.
-

Có nhóm –OH dễ tham gia phản ứng, nên lợi dụng để biến tính tinh bột, do đó

màng tinh bột giòn, có độ xuyên thấm thấp.
- Do tính chất giòn, chịu ứng suất kém nên dùng nguyên tinh bột để chế tạo màng
thì không có giá trị thực tế bởi vậy tinh bột thường được dùng để tạo blend với
polymer khác để tạo polymer phân hủy sinh học.
2.1.3 Các loại polyme phối trộn
Có 3 loại polyme phối trộn: poly hydroxyalkanoates (PHA), polylatic acid
(PLA), thermoplastic tinh bột (TPS). Ba lọai này được quan tâm trong những năm gần
đây.
PLA được sản xuất từ sự lên men tinh bột( chủ yếu là tinh bột bắp). Loại
polyme này tiêu tốn ít năng lượng hơn plastic. Mặc dù những polyme này rất thân
thiện với môi trường, nhưng vẫn chưa được sử dụng rộng rãi do chi phí sản xuất còn

cao.
Polyme TPS là polyme 100% từ tinh bột đã có chỗ đứng trên thị trường. Nó có
ưu điểm là: chi phí năng lượng, giá cả thấp hơn plastic truyền thống.
Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng vẫn còn nhiều rào cản khiến chúng chưa được
sử dụng rộng rãi: sự hoài nghi của người tiêu dùng, chi phí nguyên liệu, chi phí kỹ
thuật.
9


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

Hình 2.2: Bắp là nguồn nguyên liệu sản xuất vật liệu tinh bột
2.2

Vật liệu polylactic acid (PLA)

2.2.1 Polylactic acid (PLA)
Được điều chế thành công lần đầu tiên năm 1833 bởi Gay Lussac khi đun nóng
Al. Tới năm 1932 cơ sở lý luận của việc tổng hợp PLA được phát minh bởi Wallace
Carthers, theo đó PLA được tạo thành khi đun nóng Al trong chân không.
PLA là một polyeste mạch thẳng, thuộc nhựa nhiệt dẻo, sản phẩm ngưng tụ của
acid lactic. PLA là một trong những vật liệu hứa hẹn nhất thu được từ quá trình lên
men từ nguyên liệu sắn, ngô, ri đường.... là tài nguyên tái tạo dễ phân hủy sinh học.
PLA có khả năng phân hủy hoàn toàn trong môi trường tự nhiên trong thời gian 6-24
tháng.
Trong tất cả các biopolymer thì polylactic acid có tính thương mại nhất. PLA
thương mại là một chất đồng trùng hợp giữa poly (L-lactic acid) và poly (D-lactic
acid). Tùy thuộc vào tỷ lệ L-lactic acid/D-lactic acid mà các tính chất PLA có thể thay

đổi đáng kể.
2.2.2 Cấu tạo và tính chất
2.2.2.1 Tính chất vật lý:
-

PLA là một polyeste béo, được tổng hợp nhờ phản ứng trùng ngưng Al. Tồn tại ở
20oC và áp suất 101.3 kPa, và là những viên sáng bóng, trong mờ hoặc mờ đục, có
mùi kẹo.

-

Nhiệt độ nóng chảy 160 - 180oC, d = 1,24g/cm3 . Là chất không bay hơi.

-

Kích thước hạt: mỗi viên khoảng 40mg.

-

Độ hòa tan trong nước: khoảng 20mg/l tại 20oC.
10


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

-

Không dễ bốc cháy và không nổ

-

Có khả năng phân hủy hoàn toàn trong môi trường tự nhiên.

-

PLA có tính bền cơ học, trong suốt, tính đàn hồi cao, dễ gia công nhiệt như cán
mỏng, tạo khuôn, thổi phun..

-

Không độc đối với con người. Thời gian phân hủy ngắn hơn so với các chất dẻo
thông thường khác

2.2.2.2 Tính chất hóa học
-

Do PLA chịu nước kém nên xảy ra sự thủy phân và phân cắt của các mối liên kết
este qua phản ứng thủy phân PLA.

-

Trong tự nhiên, sự phân hủy polymer gây ra bởi kích hoạt nhiệt, thủy phân, hoạt
động sinh học ( ví dụ: enzyme), quá trình oxy hóa hoặc phóng xạ.

-

Trong quá trình phân hủy các polymer chịu tác động của môi trường. Môi trường
có sự ảnh hưởng quan trọng về số lượng của vi sinh vật và về hoạt động của vi

sinh vật .

-

PLA có thể được thủy phân với nước sôi hoặc hơi nước để có thể tái chế lại
monomer. Điều này có thể dẫn đến tái chế phân tử

-

PLA có thể thủy phân ở 18oC – 35oC trong 30 phút.

Hình 2.3: Polylactic acid (PLA)
2.2.3 Nguyên liệu và quá trình
2.2.3.1 Sản xuất PLA dựa vào nguồn nguyên liệu là bột bắp
PLA sử dụng ngô tinh bột làm nguyên liệu để sản xuất polyme. Bắp được xay và cán.
Sau đó sẽ được đường hóa thành các dextrin. Các dextrin này sẽ được chuyển thành
các acid lactic qua quá trình lên men. Thông qua một quá trình hóa học gọi là sự
ngưng tụ, hai phân tử axit lactic đượcchuyển đổi thành một phân tử theo chu kỳ được
gọi là một lactide. Và rồi sẽ được cô đặc, lúc này 2 phân tử lactic sẽ kết hợp lại thành
cấu trúc vòng gọi là lactide. Hợp chất lactide này sẽ được làm sạch qua quá trình
11


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

chưng cất. Sau đó chúng sẽ được trùng hợp tạo chuỗi polyme mạch dài. Để có nhiều
loại thì ta có thể thay đổi phân tử lượng và độ trong. Bằng cách thêm vào nhiều chất bổ
sung ta sẽ có 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 bị hủy đi hoặc được
tái chế lại.

Hình 2.4: Cơ chế phân hủy PLA
2.2.3.2 Sản xuất PLA từ nguyên liệu là vỏ dưa hấu
Hiện nay nguồn nguyên liệu từ vỏ dưa hấu rất dồi dào, giá trị không cao nên tận
dụng sản xuất bao bì sẽ phù hợp.
Vỏ dưa hấu sau khi được nghiền (nếu vỏ khô bỏ thêm nước) rồi tiến hành lên
men acid lactic để thu được dung dịch acid lactic. Sau đó tiến hành kết tinh để làm
sạch lactic rồi polyme hóa thu được polylactic acid. Cuối cùng định hình theo dạng
theo yêu cầu.
2.2.4 Điều chế PLA từ acid lactic
Hiện nay, có 3 phương pháp chính để tổng hợp PLA:
 Phương pháp trùng ngưng mở vòng lactit (Ring opening polymerization, ROP ).
12


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

Chất tham gia gồm: Lactic axit (đã làm khan trước khi đưa vào phản ứng) cùng
với p- Xylen, xúc tác cho phản ứng là SnCl2 , phản ứng trùng ngưng được tiến hành tại
138 – 140oC, dưới môi trường khí nitơ. Một lượng dung môi p-Xylen tinh khiết được
bổ sung thêm vào trong quá trình phản ứng để giữ cho nồng độ monome phản ứng
luôn ổn định.
 Trùng ngưng trực tiếp Al trong dung dịch có kèm theo quá trình tách nước để
thu được polymer có khối lượng phân tử lớn.
Đây là 1 phương pháp phổ biến nhất dùng để điều chế PLA. Phương pháp này

được Carother phát hiện năm 1932. Theo đó, Quá trình tổng hợp PLA trải qua 2 giai
đoạn:
• Giai đoạn 1: Trùng ngưng Al để được oligome phân tử khối thấp, sau đó phân
hủy oligome này với xúc tác thích hợp để tạo thành lactit.
• Giai đoạn 2: Polyme hóa mở vòng lactit thành PLA, giai đoạn này quyết định
hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
Phương pháp ROP sử dụng các loại xúc tác cơ kim như Sn(II)octoat, ZnCl2, và
của các kim loại khác như Al, La, Fe, Ti… cho chất lượng sản phẩm tốt hơn và có độ
chọn lọc cao với điều kiện phản ứng đơn giản hơn.
Chất lượng của PLA phụ thuộc rất nhiều vào thành phần LA, tỷ lệ DLA/LLA
trong hỗn hợp. PLA thu được có thể ở dạng vô định hình hoàn toàn, một phần vô định
hình, một phần tinh thể, hoặc gần như tinh thể hoàn toàn
 Trùng ngưng Al thành PLA phân tử khối thấp (vài nghìn đến vài chục nghìn
đvc), sau đó tăng phân tử khối bằng các tác nhân kéo dài mạch cho đến phân tử khối
mong muốn.
Hai phương pháp trùng ngưng mở vòng và trùng ngưng trực tiếp là phổ biến nhất.

Hình 2.5:Máy gia công vật liệu PLA
13


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

2.2.5 Ứng dụng của PLA
PLA đáp ứng yêu cầu như là một cái bao bì nhựa nhiệt dẻo và được sử dụng như một
mặt hàng bao bì nhựa PVC, LDPE, LLDPE, PP và PS.
PLA được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực bao gói, màng phủ trong nông
nghiệp, dệt may và trong y học như chi phẩu thuật, các thiết bị đặt vào bên trong cơ

thể và dụng cụ truyền thuốc...
PLA có giá thành sản xuất cao, nên nó chủ yếu được sử dụng trong ngành y tế:
chỉ tự tiêu, vỏ bọc thuốc nhả chậm,.. tới những năm 1980 khi áp lực vấn đề xử lí rác
thải từ polyme truyền thống thì PLA bắt đầu được quan tâm bởi khả năng tự phân hủy
của nó.
Trong công nghệ thực phẩm, PLA có thể được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất bao
bì, dụng cụ chứa đựng thức ăn nhanh trong các cửa hàng thực phẩm như: các loại
chén, đũa, muỗng, ly uống, ống hút, dao kéo dùng một lần... PLA còn được sử dụng để
làm các lớp lót trong chén cho đồ uống nóng, thức ăn ngon và bao bì chứa đựng thực
phẩm

Hình 2.6: Bao bì vật liệu PLA
2.2.6 Ưu, nhược điểm vật liệu PLA
2.2.6.1Ưu điểm
Những vật liệu đóng gói bằng plastic vững chắc, sạch được sử dụng phải thõa
mãn các điều kiện:
-

Không đắt tiền

-

Thân thiện với môi trường và dễ phân hủy
14


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng
-

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

Các đặc tính của nó không thua gì các loại bao bì khác và việc sử dụng chúng
để thay thế các loại vật liệu khác sẽ trở thành xu thế của thế giới sau này.

-

Nhẹ, sạch, không thấm khí

-

Không thấm nước và dầu.

2.2.6.2 Nhược điểm:
Mặc dù có nhiều lợi ích 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 thì phụ thuộc rất nhiều vào độ ẩm. Điều này có nghĩa là PLA không
được sử dụng trong thị trường chai, lọ.
Tốn năng lượng hóa thạch để sản xuất 1kg PLA thì phải mất 54MJ nên sẽ
gây hiện tượng nóng lên toàn cầu và hiệu ứng nhà kính.
Mặc khác, PLA chịu nhiệt kém, PLA chịu được nhiệt độ tối đa là khoảng
o

114 F. Nếu vượt qua nhiệt độ này thì PLA sẽ bị tan chảy ra.

Hình 2.7: Quy trình sản xuất vật liệu PLA
2.3

Vật liệu poly hydroxyalkanoates (PHA)

2.3.1 Poly hydroxylalkanoates

Poly hydroxylalkanoates hay PHA là một vật liệu polyme khác có nhiều hứa
hẹn. Polyme 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
15


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

PHA đã được tổng hợp từ các nguồn cacbon, vi sinh vật hữu cơ khác nhau và qua quá
trình gia công.
PHA được tạo thành nhờ quá trình lên men đường và các chất béo bởi vi khuẩn
trong tự nhiên, chúng dễ bị phân hủy trong đất, bền với nước và dễ được chế biến theo
tiêu chuẩn chế biến chất dẻo thông thường.

Hình 2.8: Nhóm PHA
2.3.2 Tính chất
2.3.2.1 Tính chất vật lý
Là chất dẻo có khả năng đàn hồi, đặc tính tạo màng tốt. Các PHA được sản xuất
ra có tính chất gần giống với PE, polypropylen (PP) hoặc polyeste (PET), polystyren
và có thể thay đổi tính chất bằng cách thay đổi thành phần nguyên liệu chế tạo.
Nhiệt độ nóng chảy cỡ 180oC, tỷ trọng 1,25 g/cm 3. Thêm vào đó, loại polymer
này hoàn toàn bền trong môi trường ẩm và có độ thẩm thấu oxy rất thấp.
2.3.2.2 Tính chất hóa học
Là poly hydroxylalkanoates phổ biến nhất là polyhydroxybutyrate (PHB), được
trùng hợp các monome 3-hydroxybutyrate với tính chất tương tự như polypropylen
16

Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

(PP, PE nhưng cứng hơn và giòn. Các chất đồng trùng hợp Polyhydroxybutyratevalerat (PHBV) được sử dụng làm vật liệu để sản xuất bao bì.
PHBV phân hủy trong 5-6 tuần trong các môi trường có vi khuẩn hoạt động
sinh ra khí CO2 và nước trong điều kiện hiếu khí, còn trong môi trường yếm khí được
phân hủy nhanh hơn tạo ra khí metan.

Hình 2.9: Máy khuấy và máy ly tâm sản xuất vật liệu PLA
2.3.3 Phương pháp tổng hợp PHA
Có 2 phương pháp để tổng hợp nên PHA:
- Phương pháp lên men gồm: trồng các cây trồng như bắp, rồi thu hoạch, tách
chiết glucose từ cây trồng. Sau đó lên men đường bằng các vi sinh vật có khả năng
tổng hợp PHA trong những tế bào 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 mà đang được theo đuổi. Người ta sử dụng một lượng lớn dung môi được trích
ly từ nhựa cây trồng. Sau đó tìm cách loại dung môi đi.

17


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

Hình 2.10: Quá trình tổng hợp PHA
2.3.4 Ưu, nhược điểm vật liệu PHA
2.3.4.1 Ưu điểm

Ưu điểm: PHA có khả năng tự phân hủy cao và dễ tổng hợp. Khi 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 trong cuộc sống.
Chúng dễ phân hủy trong dất, bền với nước và dễ được chế biến theo tiêu chuẩn
chế biến chất dẻo thông thường.
2.3.4.2 Nhược điểm
Nhược điểm: tốn kém năng lượng. Chi phí sản xuất cao.
2.3.4.3Ưu điểm của PHA so với PLA:
So với PLA, khả năng tự phân hủy của PHA rất cao và dễ tổng hợp. Khi được
đặt vào môi trường sinh vật tự nhiên thì nó sẽ phân hủy thành CO2 và nước. Điều này
giúp nó có nhiều ứng dụng trong cuộc sống.
 Ứng dụng:
Một copolymer PHA gọi PHBV ( poly 3 -hydroxybutyrate -co -3hydroxyvalerate ) ít cứng và ít dai hơn nên nó có thể được sử dụng như vật liệu đóng
18


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

gói. Có những ứng dụng tiềm năng cho PHA được tạo ra bởi các vi sinh vật trong các
ngành công nghiệp y tế và dược phẩm, chủ yếu là do khả năng phân hủy sinh học của
chúng ví dụ như chỉ tự tiêu, da thay thế, băng vết thương,...

Hình 2.11: Bao bì vật liệu PHA
2.4

Vật liệu thermoplastic (TPS)
Vật liệu từ tinh bột có chứa chất dẻo chịu nhiệt (Thermoplastic Starches).

Thermoplastic Starches đã có nhiều bước phát triển trong công nghiệp polyme sinh
học. Những polyme này được tạo ra từ tinh bột bắp, lúa mì, khoai tây.
Thermoplastic Starches (TPS) khác với 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 polyme tổng hợp khác, với hàm lượng tinh bột có thể
lớn hơn 50% sẽ tạo nên các loại plastic đáp ứng nhu cầu thị trường.
2.4.1 EAA (copolyme là ethylen-acrylic acid)
EAA (copolyme là ethylen-acrylic acid) được nghiên cứu từ 1977. Nhược điểm
của loại plastic này là nhạy cảm với sự thay đổi môi trường, dễ bị rách trượt và không
được phân hủy một cách hoàn toàn bởi vi sinh vật.
2.4.2 Starch/vinyl alcohol copolymers
Starch/vinyl alcohol copolymers tùy vào điều kiện gia công, loại tinh bột và
thành phần của copolymer sẽ tạo nên nhiều loại plastic với hình dạng và hoạt tính khác
nhau. Plastic chứa tinh bột có tỉ lệ AM/AP lớn hơn 20/80, sẽ không hòa tan ngay cả
19


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

trong nước sôi. Còn Plastic chứa tinh bột có tỉ lệ AM/AP nhỏ hơn 20/80 sẽ được hòa
tan từng phần.
Tỉ lệ tinh bột được phân rã bởi vi sinh vật trong vật liệu này tỉ 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 của sự phân hủy:
Thành phần tự nhiên: dù bị che chắn bởi cấu trúc mạng nhưng vẫn bị phân hủy
bởi enzyme 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 thủy phân các thành phần tự nhiên.

Hình 2.12: Bao bì ật liệu TPS
2.4.3 Aliphatic polyesters:
Tinh bột cũng có thể cấu trúc lại với sự hiện diện của các polymer kỵ nước nhứ
các polyester béo. Polyester béo có điểm tan chảy thấp khó, tạo thành các vật liệu nhiệt
dẻo và thổi tạo hình. Khi trộn tinh bột với polyester béo sẽ cải thiện được nhiệt điểm
này.
Một số polyester béo là poly--caprolactone và các copolymer của nó, hoặc các
polymer tạo thành từ phản ứng của các glycol như 1,4 – butandiol với một số acid:
succinin, sebasic, adipic, azelaic, decanoic, brassilic. 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.
20


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

Nguồn nguyên liệu từ bắp có thể thõa mãn được nhu cầu lớn của bao bì plastic.
Vật liệu làm từ nguồn nguyên liệu này hạn chế việc gây ô nhiễm môi trường do khi
phân hủy nó không tạo ra các hợp chất gây độc.
Việc thay thế đầu tiên được tiến hành vào ngày 1 tháng 11 năm 2005, 114 triệu
thùng chứa bằng plastic được sử dụng hằng năm cho các đại lý bán lẽ rau quả, dâu tây,
thảodược. Hiệu quả kinh tế được thể hiện rõ rệt.

21

Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU CELLULOSE, CHITIN VÀ CHITOSAN
3.1

VẬT LIỆU TỪ CELLULOSE
Cellulose là thành phần chính trong màng tế bào thực vật, là bộ khung của cây

cối. Có nhiều trong bông, đay, gai, gỗ….
Cellulose là polyme tự nhiên có khối lượng phân tử rất lớn, có liên kết β-1,4glicozit.
Cellulose là nguồn nguyên liệu phong phú, không hòa tan trong nước và hầu hết
các dung môi hữu cơ.
Cellophane ( giấy bóng kín) 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. Cellophane thường được
phủ một lớp ngoài với nitro cellulose hay là acrylate để tăng khả năng chống thấm,
mặc dù lớp này thì không được phân hủy bởi lớp vi sinh vật.

Hình 3.1: Cellulose
Chúng ta có thể gói bánh mì bằng cellophan- một loại vật liệu phân hủy sinh
học dùng bao gói thực phẩm, loại vật liệu này có giá 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
nước và thấm khí cao.

22


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

Hình 3.2: Đường cong phân hủy của plastic sinh học
Vật 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...

Hình 3.3: Bao bì sinh học bảo quản rau củ

23


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng
3.2

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

VẬT LIỆU TỪ CHITIN VÀ CHITOSAN
Chitin được tổng hợp chủ yếu bởi côn trùng, tôm cua và 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 hai loại polymer có đặc tính cơ phù hợp để
tạo màng và dạng sợi
3.2.1 Chitin
3.2.1.1Cấu tạo

Tên hóa học: Poly-N-Acetyl-D-Glucosamine
hoặc [(1-4)]-2-Acetamido-2-deoxy-β-D-glucan.
Công thức phân tử: (C8H13NO5)n
Chitin là đại phân tử tìm thấy trong vỏ cua, tôm và các loại động vật giáp xác
khác. Nó bao gồm 2-axetamit-2-deoxy-β-D-glucozơ thông qua liên kết β-(1-4)glucozit.

Hình 3.4: Chitin
3.2.1.2 Quá trình sản xuất chi tin
Vỏ giáp xác cho tác dụng với NaOH loãng để loại bỏ protein, sau đó cho vào
HCl để loại bỏ CaCO3. Cuối cùng rửa qua nước sạch ta thu được các mảnh chitin. Các
mảnh chi tin thu được ở trên ở dạng ướt và được đem đi sản xuất chitosan hoặc sấy
khô để bảo quản.
3.2.1.3 Ứng dụng
Chitin có thể bị chitinaza phân hủy. Sợi chitin đã được dùng để làm da nhân tạo
và chỉ khâu hấp thụ ở dạng tự nhiên không hòa tan.Vật liệu tương hợp sinh học tốt và
24


Gv: Nguyễn Thị Thúy Hồng

Bài Báo cáo Bao bì sinh học

có hoạt tính kháng vi sinh vật và khả năng hấp thụ ion kim loại mạnh do đó ứng dụng
trong công nghiệp mỹ phẩm do tính giữ ẩm tốt.
3.2.1.4 Ưu, nhược điểm
Chitin phân hủy sinh học rất chậm nên việc xử lý một lượng chất thải lớn như
thế sẽ gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên nếu tận dụng được chitin để tạo ra chitosan và
các dẫn xuất để bảo quản rau quả, thực phẩm,..thì lại nâng cao được hiệu quả chế biến
hải sản và bảo vệ môi trường.
3.2.2 Chitosan

3.2.2.1Cấu tạo và đặc điểm
-

Tên hoá học: poly-(1-4)-Amino-2-deoxy-β-D-Glucan.

-

Công thúc phân tử: (C6H11O4N)n

-

Là polysaccharide không độc hại, có khối lượng phân tử lớn.

-

Là một chất rắn xốp, nhẹ, hình vây,có thể xay khô theo kích cỡ khác nhau.

-

Có màu trắng, hay vàng nhạt, không mùi vị.

Hình 3.5: Chitosan
3.2.2.2 Tính chất hóa học
Chitosan có tính kiềm nhẹ, không tan trong nước và trong kiềm nhưng hòa tan
hoàn toàn trong các acid loãng như acetic, acid propionic, acid lactic, acid citric... Khi
hòa tan trong môi trường acid loãng tạo thành keo dương. Đây là một điểm rất đặc biệt
vì phần lớn các keo polysaccharide có điện tích âm và có khả năng tạo phức với một
số ion kim loại.

25