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

SINH VIÊN THỰC HIỆN: PHẠM MINH ĐIỆP NGUYÊN LÊ DUY TRÂN

LÊ TIẾN LINH

PHẦN 1: TỔNG QUAN POLYMER PHÂN HỦY

1.1. 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.

- 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)

o polyesters produced by micro-organism or by plants (e.g.,

polyhydroxy-alcanoates, poly-3-hydroxybutyrate)o polyesters synthesised from bio-derived monomers (polylactic acid)

o 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)

1.2. Lịch sử phát triển của nhựa phân hủy.

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 minh người Mỹ đã t ìm kiếm một vậ t l iệu thay thế ngà voi t rong sản xuất 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 dư nông nghiệp . chất dẻo đậu nành đang ngày càng được sử dụng nhiều trong sản xuất phụ tùng ôtô như bánh xe, trang trí nội thất và tấm bảng điều khiển… cuối cùng, Ford đã đ i t rước t rong việc sản xuất một mẫu xe ô tô hoàn toàn bằng nhựa. ngày nay, việc sử dụng

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. Ngày nay nhu cầu về vậ t l iệu nhựa l iên tục tăng và công nghiệp nhựa là 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 đời1.3. 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 nhiều cacbon t rong nhựa t rá i ngược với cách sản xuất nhựa phân hủy, 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 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 PLASTIC2.1. 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

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 dạng 3D) , thường ở dạng các d ịnh vụ t iện ích thực phẩm, và phim ảnh, 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 tỷ lệ lớn t inh bột . t inh bột có thể được xử lý t rực t iếp vào một b ioplas t ic nhưng một đặc đ iểm hạn chế của t inh bột là dễ hòa tan t rong nước vì vậy  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 PLA đắt hơn nhựa thông thường nên PLA đã không thành công t rong việc dành 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

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 sản phẩm có giá t r ị cao mà không gây ô nhiễm môi t rường. từ các vậ t l iệu đó 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.Từ đầu năm 2003 đến nay, công ty ALTA đã sản xuất và xuất khẩu mặt 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.http://vietbao.vn/Khoa-hoc/Bao-bi-nhua-tu-phan-huy-da-duoc-san-xuat-tai- VN/ 20453677/189/

- 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 việc sử dụng dầu mỏ để tạo chất dẻo mà còn có khả năng cho phép con 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 nghiêncứu, chất dẻo sinh học mới sẽ có mặt trên thị trường trong vòng 5 năm tới.http://www.tin247.com/nhua_phan_huy_duoc-12-21553065.htmlCác nhà khoa học Hàn Quốc đã chế tạo ra một loạ i polymer dùng để sản xuất ra loạ i chất dẻo được ứng dụng nhiều t rong đời sống dựa t rên công 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. Chìa khóa của nghiên cứu này chính là ac id polylac t ic (PLA), một loạ 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 bột như bột lúa mì . Đặc b iệ t các polymer này có thể phân hủy s inh học t rong vòng 2 tháng ở đ iều k iện lý tưởng. 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. So với thời đ iểm ra đời cách đây và i năm, g iá cả nhựa dẻo PLA đã g iảm xuống nhưng nó vẫn đắ t hơn nhựa dẻo sản xuất từ dầu hỏa . Hiện tạ i , đội 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 thể nhìn thấy nhựa dẻo PLA được sử dụng rộng rã i t rong đời sống. 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

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”.

http://www.tin247.com/nhua_deo_khong_dung_nhien_lieu_hoa_thach-12-21516339.html2.2. 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 G e r n g r o s ư ớ c t í n h r ằ n g n ă n g l ư ợ n g h ó a t h ạ c h c ầ n t h i ế t đ ể 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 thạch t rong khoảng 54-56,7MJ. Nature works thực h iện sản xuất một kgPLA với 27 ,2MJ nhiên l iệu hóa thạch và dự đoán con số này có thể g iảm xuống 16.6MJ/Kg ở thực vậ t thế hệ kế t iếp của họ. Ngược lạ i polypropylene , polyethylene 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.Có nhiều polymer phân hủy sản xuất từ nguồn nguyên l iệu tá i tạo(PHA, PLA,

tinh bột) cũng cạnh tranh với sản xuất nguyên liệu chính là Ngô.Mức độ phân hủy nhựa được đo bằng nhiều cách. Các hoạt động của v i khuẩn arobic có thể được đo bằng lượng oxi chúng t iêu thụ hoặc lượng 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 _ plasticCompost 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

suy thoái nhựa phân hủy. các chất xúc tác, phụ gia có nhiều loại và được phổ biến rộng rã i t rong th iên nhiên , được sử dụng phổ biến t rong nhiều nghành công 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 nhưng OBP th ì không. HBP có thể được làm từ nguồn tà i nguyên nông 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)http://en.wikipedia.org/wiki/BiodegradationNhựa 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

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:-đưa ra những nghiên cứu mở rộng về v iệc đóng gói bao b ì có bổ sung khí quyển.-t iếp tục nhắm vào các mặt hàng của hàng tạp hóa , các sản phẩm t rá i cây, rau, sản phẩm snack cho trẻ em và thực phẩm cho vật nuôi trong nhà.-Tìm kiếm sự đồng t ình , ủng hộ của các tổ chức có quan tâm đến vấn đề môi trường như: các trường đại học, cao đẳng, các tổ chức khác có quan tâm đến vấn đề này. Nhấn mạnh vào sự t iện ích bởi v ì có rấ t nhiều người không quan tâm đến môi trường và sự tiện ích của nhựa sinh học.2.4.1. Vật liệu PLANhững 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

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 chảy2.4.2. Vật liệu PHA Polyhydroxyl alkanoatesPHA là một vật liệu polymer khác có nhiều hứa hẹn. polymer này đang được nghiên cứu để thay thế cho bao bì plasticCác 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:-Phương pháp lên men gồm: t rồng các cây t rồng như bắp rồ i thu hoạch, 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 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.

2.4.4. Vật liệu từ celluloseCellulose 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

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….

2.4.5. 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

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