Theo BI (Business Intelligence) khoảng 430 triệu tấn nhựa được sản xuất trên toàn cầu mỗi năm, chiếm 14% nhu cầu dầu toàn cầu. Chỉ riêng việc tinh chế nhựa mỗi năm đã thải ra tới 235 triệu tấn khí nhà kính.
“Tái chế là có thật”, song hầu hết nhựa đều không có được cuộc đời thứ hai bởi chi phí để làm sạch và phân loại rất tốn kém. Một báo cáo năm 2022 của Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế cho thấy chỉ 9% tổng số nhựa từng được sản xuất được tái chế; 72% cuối cùng được đưa đến các bãi chôn lấp hoặc thải ra môi trường.
Theo dự báo, lượng rác thải nhựa ở đại dương có khả năng vượt quá số lượng cá ở đại dương vào năm 2050. Do đó, điều quan trọng là phải thay thế nhựa bằng các giải pháp thay thế an toàn hơn như sử dụng “Nhựa sinh học”, có khả năng tương thích sinh học và phân hủy sinh học.
Nhựa là một dẫn xuất hóa dầu, có giá thành phải chăng, bền và là một mặt hàng thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày. Mỗi năm có khoảng 380 triệu tấn nhựa đã được sản xuất trên toàn cầu. Nhu cầu cao về nhựa dẫn đến việc sản xuất ngày càng tăng, việc sử dụng không kiểm soát và thải bỏ không đúng cách, góp phần gây ra tình trạng nghiêm trọng các vấn đề về môi trường và kinh tế. Các mối đe dọa môi trường của nhựa bao gồm bãi chôn lấp, chất thải nhựa ở đại dương, thải khí độc và không phân hủy sinh học. Các hoạt động dọn dẹp hệ sinh thái rất tốn kém; riêng hệ sinh thái biển sẽ tốn tới mười ba tỷ đô la mỗi năm. Những tác động tiêu cực như vậy của nhựa đã buộc các nhà khoa học và chính phủ phải tìm kiếm các giải pháp thay thế có lợi về mặt kinh tế và môi trường.
Vật liệu sinh học là các sản phẩm không liên quan về mặt hóa học được tổng hợp bởi các vi sinh vật và nhựa sinh học là một thành phần chính trong nhóm đó. Nhựa sinh học là vật liệu có nguồn gốc sinh học và có thể phân hủy sinh học có nguồn gốc từ các nguồn tài nguyên tái tạo, chẳng hạn như rau, tinh bột ngô và khoai tây, rơm rạ, mùn cưa, gỗ, chất thải thực phẩm và các chất thải nông nghiệp khác. Chúng tích tụ dưới dạng các hạt lưu trữ bên trong tế bào của vi sinh vật. Các hạt này là các polyme được tạo thành từ các dẫn xuất hydroxy-acyl-CoA thông qua nhiều con đường chuyển hóa khác nhau. Phân loại nhựa sinh học dựa trên các nguồn được sử dụng để tổng hợp, các tính chất vật lý và cấu trúc phân tử của chúng. Nhựa sinh học tương thích sinh học và có thể phân hủy sinh học, làm cho chúng trở thành sự thay thế phù hợp nhất cho nhựa.
Nhựa sinh học có độ bền tương tự như nhựa gốc dầu mỏ như polyethylene glycol và polyethylene terephthalate. Chúng có thể được chế tạo bằng phương pháp hóa học với các đặc tính nhựa tương tự để sử dụng trong công nghiệp. Ngoài ra, chúng còn giảm việc khai thác tài nguyên nhiên liệu hóa thạch và phát thải khí nhà kính. Những lợi ích này chỉ ra một tương lai bền vững đầy hứa hẹn cho nhựa sinh học. Sản lượng nhựa sinh học dự kiến sẽ tăng trưởng với tốc độ hàng năm hơn 15%.
Hiện nay, chưa có một định nghĩa thống nhất về nhựa sinh học (bioplastic). Thuật ngữ “nhựa sinh học (bioplastic)” dùng để chỉ các loại nhựa có nguồn gốc (toàn phần hoặc một phần) từ sinh khối hữu cơ thay vì dầu mỏ. Nhiều loại nhựa sinh học có khả năng phân hủy sinh học – vốn được xem là một trong những ưu điểm lớn nhất. Tuy nhiên, có nhiều thuật ngữ thường bị nhầm lẫn dù nghe có vẻ tương đồng, nhưng lại không thể hoán đổi cho nhau.
Khái niệm bioplastic là nhựa có nguồn gốc sinh học (bio-based) và/hoặc có khả năng phân hủy sinh học (biodegradable) được chấp nhận rộng rãi nhất. Có 3 nhóm bioplastic được phân loại dựa vào đặc tính biobased hay biodegradable như mô tả ở Hình 2, gồm:
- Nhóm 1 (Bio-based): Bioplastic có nguồn gốc sinh học nhưng không có tính phân hủy sinh học. Các loại nhựa này như: Bio-PE, Bio-PP, Bio-PET có tính chất hoàn toàn giống với nhựa truyền thống (có nguồn gốc hóa thạch) là PE, PP, PET.
- Nhóm 2 (Bio-based và Biodegradable): Bioplastic vừa có tính tự phân hủy sinh học vừa có nguồn gốc sinh học như PLA (Polylactic acid), Polyhydroxyalkanoates (PHA), TPS (Thermoplastic starch).
- Nhóm 3 (Biodegradable): Bioplastic chỉ có tính phân hủy sinh học (nhưng có nguồn gốc nguyên liệu hóa thạch) như: PBAT (Polybutylene adipate terephthalate), PCL (Polycaprolactone), PBS (Polybutylene succinate) và PEF (Polyethylene furanoate).
    |
 |
| Hình 2. Phân loại nhựa sinh học (Nguồn: Trinsenco, 2019) |
Khả năng phân hủy sinh học là sự phân hủy của nhựa do tác động của vi sinh vật (như vi khuẩn, nấm, tảo) thành carbon dioxide (và/hoặc methane), nước, muối khoáng và sinh khối. Tùy thuộc vào bản chất, thành phần nhựa sinh học và điều kiện môi trường, thời gian phân hủy có thể thay đổi trong một khoảng rộng, ví dụ: PLA: 28 - 98 ngày, PHA và PHB: 18 - 300 ngày, PBS: 28 - 170 ngày… Theo tiêu chuẩn châu Âu, vật liệu được xem là phân hủy sinh học nếu có khả năng tự phân hủy ít nhất 90% trong vòng 6 tháng.
Nguồn nguyên liệu sinh học (bio-based) thông dụng gồm 2 loại chính sau:
- Tinh bột, đường... được sử dụng trong quá trình lên men dưới tác dụng của vi sinh hoặc quá trình cơ lý để tạo thành bioplastic thuộc nhóm 2.
- Ethylene được sản xuất từ ethanol sinh học. Từ ethylene sẽ tổng hợp trực tiếp hoặc gián tiếp thành bioplastic nhóm 1.
Nguồn nguyên liệu sản xuất bioplastic nhóm 3 thường sử dụng là các alcohol như 1,4-butanediol; 1,3-propanediol được tổng hợp từ các hóa chất có nguồn gốc hóa thạch.
Bioplastic có thể được sử dụng đơn lẻ hoặc sử dụng như copolymer với các loại nhựa khác. TPS (Chất đồng trùng hợp khối styrene nhiệt dẻo) là sản phẩm thường dùng để phối trộn với các loại nhựa khác. Tương tự quá trình sản xuất nhựa thông thường, trước khi đến thị trường, bioplastic được bổ sung một số phụ gia, hóa phẩm khác để cải thiện và tăng cường tính năng của nhựa. Tuy nhiên, yêu cầu về loại phụ gia, hóa phẩm có khác nhau và thông thường lượng sử dụng sẽ nhiều hơn so với nhựa truyền thống.
Phân loại nhựa sinh học theo nguồn gốc:
1. Nhựa sinh học gốc tinh bột:
Tinh bột được lấy từ nhiều nguồn khác nhau như ngô, khoai tây, lúa mì, gạo, lúa, miến, v.v...Nhựa sinh học gốc tinh bột là hỗn hợp phức tạp của tinh bột và các hợp chất nhựa có thể phân hủy, bao gồm axit polylactic (PLA), polybutylene succinate, polybutylene adipate terephthalate, Polycaprolactone (PCL) và Polyhydroxyalkanoates (PHA). Các hỗn hợp này góp phần tạo nên khả năng chống nước, chịu nhiệt và đặc tính cơ học của nhựa sinh học có nguồn gốc từ tinh bột.
2. Nhựa sinh học gốc cellulose
Cellulose là một thành phần tự nhiên của vật liệu thực vật. Đối với mục đích thương mại, nó được lấy từ cỏ dại, bột gỗ, sợi, tre, chất thải nông nghiệp và rừng, v.v…Nhựa sinh học gốc cellulose được lấy từ este, bao gồm cellulose acetate, cellulose nitrate, cellulose butyrate và cellulose propionate. Các loại nhựa sinh học như vậy, khi pha trộn với tinh bột, sản xuất nhựa sinh học bền chắc về mặt cơ học, thấm khí và chống nước. Chúng có thể được biến đổi thành nhựa nhiệt dẻo và được sử dụng để đóng gói.
3. Nhựa sinh học gốc protein
Nhựa sinh học gốc protein được lấy từ các nguồn protein cao như gluten lúa mì, casein, albumin, váng sữa và đậu nành.
Albumin và nhựa sinh học whey thể hiện các đặc tính nhiệt và nhớt đàn hồi tương tự, trong khi nhựa sinh học đậu nành có các đặc tính nhớt đàn hồi đã được sửa đổi và nhạy cảm với nước.
4. Nhựa sinh học gốc Polyester aliphatic
Nhựa sinh học aliphatic chủ yếu được sản xuất bằng cách lên men vi khuẩn tự nhiên các nguồn cacbon rẻ tiền như mật mía, sucrose, lactose, glycerol, dầu và metan. Hơn nữa, chúng bao gồm PHA, poly (3-hydroxybutyrates (PHB), PLA, axit polyglycolic (PGA), PCL và poly (3-hydroxyvalerate). Trong số này, PHA và PHB được sản xuất rộng rãi. PHA là polyester tuyến tính và là ứng cử viên mạnh nhất để thay thế nhựa. Vi khuẩn phát triển trong điều kiện stress tạo ra các đại phân tử PHB. Nhựa sinh học thu được từ PHB có thể phân hủy sinh học 100%, tuy nhiên, chi phí sản xuất của chúng cao hơn nhựa hóa dầu. Nó thường có giá cao hơn 20%–100% so với nhựa thông thường. PLA tương tự như nhựa khối có nguồn gốc từ dầu mỏ, nó có bản chất nhớt và nhiệt dẻo và có thể được tái chế mà không làm mất đi các đặc tính cơ học của nó.
5. Nhựa sinh học gốc Polyamide
Nhựa sinh học gốc polyamide có nguồn gốc từ quá trình ngưng tụ các diamine và axit dibasic (ví dụ: axit ricinoleic, axit sebacic, axit 1,12-dodecanedioic và pentamethylenediamine). Việc sản xuất chúng làm giảm lượng khí thải nhà kính và mức tiêu thụ nhiều loại tài nguyên thiên nhiên. Chúng có khả năng chịu nhiệt đáng kể. Các loại được sử dụng phổ biến nhất là polyamide 6 và polyamide 66.
Chúng được sử dụng cho các hoạt động hiệu suất cao như đường ống nhiên liệu trong ô tô, ống thông, ống dẫn khí, v.v…
6. Nhựa sinh học gốc Polyetylene
Polyethylene sinh học tương tự như polyethylene truyền thống. Ethylene là cơ bản của vật liệu này và được lấy từ etanol, được sản xuất bằng cách lên men các nguồn nguyên liệu nông nghiệp như mía hoặc ngô.
Tương tự như polyamide, polyethylene không thể phân hủy sinh học nhưng có thể tái chế [24].
7. Nhựa sinh học gốc lipid
Các polymer sinh học gốc lipid được tổng hợp từ các triglyceride của các nguồn lipid có nguồn gốc từ động vật và thực vật. Các triglyceride gốc thực vật thường được sử dụng có nguồn gốc từ dầu hướng dương, cọ, hạt lanh, thầu dầu và đậu nành. Các loại nhựa sinh học lipid, bao gồm polyurethane, PHA và nhựa epoxy, được sử dụng trong thương mại [25].
Ứng dụng của nhựa sinh học:
1. Trong bao bì thực phẩm
Việc sử dụng nhựa sinh học trong bao bì thực phẩm là một yếu tố quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm. Chúng ngăn chặn sự phân hủy thực phẩm, duy trì thành phần dinh dưỡng, dễ vận chuyển và tăng thời hạn sử dụng của sản phẩm. Chúng chủ yếu được sử dụng trong bao bì của cả sản phẩm có thời hạn sử dụng ngắn và dài cũng như trong các mặt hàng thực phẩm có nhu cầu hạn chế về oxy và nước. Màng đóng gói từ nhựa sinh học được sử dụng cho mục đích thương mại cũng như cho các điều kiện đóng gói khắc nghiệt hơn, bao gồm cả đóng gói trong môi trường khí quyển biến đổi. PLA là loại nhựa sinh học được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp bao bì thực phẩm.
Bảng 1. Một số polyme sinh học và ứng dụng của chúng
|
Các loại polyme
|
Ứng dụng
|
|
PLA
|
Bao bì giấy bìa đựng trà và cà phê
|
|
Cốc và chai đựng đồ uống
|
|
Khay đựng rau, bánh và salad
|
|
Hũ sữa chua
|
|
Túi đựng khoai tây chiên và bánh quy
|
|
Đóng gói thực phẩm có thời hạn sử dụng dài như mì ống và khoai tây chiên
|
|
Bát đựng salad
|
|
Polyme có nguồn gốc tinh bột
|
Khay đựng từ bột ngô cho sôcôla sữa
|
|
Bao bì từ ngô cho cà chua hữu cơ
|
|
Polyme có nguồn gốc cellulose
|
Màng bọc cellulose cho trái cây. Ví dụ: Kiwi
|
|
Màng bao gói cho chips
|
|
Màng bao gói kim loại hóa cho kẹo
|
|
Bao bì cellulose cho mì ống
|
2. Trong y tế
Nhiều lựa chọn thay thế rẻ hơn nhưng đầy hứa hẹn cho nhựa đang được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực y tế.
Vật liệu sinh học phải có khả năng phân hủy bên trong cơ thể mà không gây ra bất kỳ sự can thiệp nào vào quy trình y tế hoặc gây bất tiện về mặt thể chất cho bệnh nhân. PHA được sử dụng để phát triển nhiều thiết bị y tế (thiết bị phục hồi thoát vị, gân và thần kinh) và là một loại polyme sinh học đáng tin cậy do tính tương thích sinh học của nó. PHB, khi tiếp xúc với dịch cơ thể, sẽ phân hủy thành monome D, L-β-hydroxybutyrate và ngăn ngừa apoptosis tế bào trong môi trường nuôi cấy dày đặc. Nó được sử dụng trong quá trình phát triển các dụng cụ phẫu thuật như kim bấm, đinh ghim và chỉ khâu. Ngoài ra, nó được sử dụng trong nhiều hoạt động kỹ thuật mô và tế bào, bao gồm thay thế đĩa đệm và xương, vòng thần kinh, miếng vá tim mạch, thay thế mạch máu và đưa thuốc. Băng thu được từ thực vật sản xuất nhựa sinh học được sử dụng trong các phương pháp điều trị tăng sinh tế bào. Nhựa sinh học kết hợp với các hạt nano hữu cơ hoặc vô cơ đóng vai trò là một cải tiến vượt trội trong các lĩnh vực khoa học sự sống, kỹ thuật y sinh và công nghệ nano. Chúng được sử dụng làm cấy ghép nha khoa và trong sản xuất hộp đựng trong ngành công nghiệp mỹ phẩm. Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ và Cơ quan Dược phẩm Châu Âu đã chấp thuận việc sử dụng poly (axit lactic-co-glycolic) cho các ứng dụng y tế.
3. Trong nông nghiệp
Các công ty hàng đầu như BASF SE (Đức) và Biome Technology (Vương quốc Anh) đã phát triển các loại nhựa sinh học chất lượng cao để sử dụng trong nông nghiệp. PLA và polyme tinh bột chiếm 47% và 41% trong các ngành công nghiệp thương mại.
Nhựa sinh học và polyme sinh học được sử dụng trong nông nghiệp và làm vườn để sản xuất băng hạt giống và lớp phủ. Các băng này có thể phân hủy sinh học và màng phủ cung cấp độ ẩm, duy trì nhiệt độ đất và ngăn chặn sự phát triển của cỏ dại không mong muốn.
Lưới và lá được phát triển từ nhựa sinh học được sử dụng trên các cánh đồng nấm để cải thiện chất lượng và cung cấp môi trường tăng trưởng cần thiết. Tương tự như vậy, sợi làm từ nhựa sinh học được sử dụng để phủ lên các sườn dốc để ngăn chặn xói mòn đất cho đến khi rễ cây phát triển hoàn toàn. Màng phủ Solaplast được triển khai trong nghề làm vườn cho vườn nho và bụi chuối. Các vỏ chôn cất phân hủy sinh học được sử dụng trong các nghĩa trang và có triển vọng tăng trưởng lớn về lợi ích môi trường và tài chính. Các áo phông PLA dành cho người chơi golf được ưa chuộng vì chúng không độc hại và phân hủy sinh học 100%.
4. Trong ngành công nghiệp ô tô
Ngành công nghiệp ô tô tập trung vào việc cải thiện các kỹ thuật sản xuất, cho phép tái chế tài nguyên và ngăn ngừa thiệt hại về môi trường. Hai tiêu chí thiết yếu nhất là giảm gánh nặng tiêu thụ nhiên liệu và khí thải độc hại. Theo một nghiên cứu, nhựa sinh học phù hợp với nhiều ứng dụng ô tô, mang lại hiệu suất cao và tiềm năng độc đáo trong việc giảm tác động của sản phẩm đến môi trường.
Polyester, polyamide và polypropylene có nguồn gốc sinh học được sử dụng để phát triển các thành phần ô tô (tấm chắn bùn, vỏ ghế và túi khí, vô lăng, v.v.).
Các loại nhựa sinh học được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp ô tô bao gồm PLA, polyamide, PHA, axit succinic và PCL.
Nhiều nhà sản xuất ô tô như các mẫu xe Toyota, Corolla, Lexus và Camry đã triển khai nhựa sinh học trong hệ thống sản xuất của họ.
5. Trong ngành công nghiệp điện tử
Các công ty điện tử như Siemens, Philips, Sony, Apple và Samsung sử dụng nhựa sinh học trong sản xuất thiết bị của họ. Nhựa sinh học cải thiện hiệu suất của tiện ích và độ bền của nó. Hiện nay, chúng được sử dụng trong máy tính, pin, bộ sạc, điện thoại di động, màn hình cảm ứng, chuột, bàn phím, v.v. SUPLA đã phát triển các hợp chất PLA có khả năng chịu nhiệt cao cho người dùng thiết bị điện tử và máy tính màn hình cảm ứng bằng nhựa sinh học đầu tiên hợp tác với Kuender. Hỗn hợp PLA cũng được sử dụng trong máy chơi game, máy tính bảng và tai nghe.
|
 |
| Hình 4. Năng lực sản xuất nhựa sinh học theo lĩnh vực, năm 2021. |
Nhựa sinh học mang lại lợi thế cho trái đất bằng cách giảm lượng khí thải carbon và việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Nhờ khả năng phân hủy sinh học và khả năng tái tạo của polyme sinh học, nhựa gốc dầu mỏ có thể được thay thế bằng polyme gốc sinh học để giảm thiểu rủi ro cho môi trường. Quá trình tái chế sinh học đã đưa ra một hướng đi mới cho việc quản lý chất thải.
Ngành công nghiệp bao bì thực phẩm chủ yếu sử dụng hầu hết các loại nhựa sinh học, tiếp theo là các ngành y tế, nông nghiệp, ô tô và điện tử. Thị trường nhựa sinh học đang dần tăng lên và nhận ra các ứng dụng tiềm năng tối đa trong nhiều lĩnh vực khác nhau như dệt may và xây dựng. Nhựa sinh học aliphatic được sử dụng nhiều hơn các loại nhựa sinh học khác; tuy nhiên, chi phí sản xuất nhựa sinh học aliphatic cao. Một thách thức quan trọng khác đối với nhựa sinh học là khả năng phân hủy sinh học của chúng. Polyamide và nhựa sinh học gốc polyethylene có thể tái chế nhưng không phân hủy sinh học hoàn toàn.
Những nhược điểm này chỉ ra rằng cần phải nghiên cứu thêm để cải thiện chức năng của nhựa sinh học.
Tóm lại, với những đặc tính tuyệt vời và ứng dụng công nghệ sinh học rộng rãi, nhựa sinh học có tương lai cực kỳ hứa hẹn như một chất thay thế cho nhựa. Tuy nhiên, cần phải tiếp tục nghiên cứu để giảm chi phí sản xuất, cải thiện khả năng phân hủy sinh học, ngăn ngừa tác động tiêu cực đến môi trường và xây dựng các chiến lược mới để thu hút thị trường và xã hội hướng tới tính bền vững.
Nguồn tham khảo:
1. Jahnavi Dalmia, Gayatri Wadiye. Review of Types and Applications of Bioplastics. International Advanced Research Journal in Science, Engineering and Technology Vol. 7, Issue 6, June 2020. DOI 10.17148/IARJSET.2020.7607
2. Lê Dương Hải, Nguyễn Hữu Lương, Huỳnh Minh Thuận, Nguyễn Hoàng Anh. Nhựa sinh học và khả năng triển khai tại Việt Nam. Tạp chí Dầu khí Số 4 - 2020, trang 32 – 39. ISSN 2615-9902.
3. https://aneco.com.vn/tin-tuc-su-kien/nhua-sinh-hoc-tren-the-gioi.html
4. https://biopolymer.vn/tin-tuc-su-kien/nhua-sinh-hoc/
5. https://tapchimoitruong.vn/muv/giai-phap-cong-nghe-xanh-22/bao-bi-phan-huy-sinh-hoc-lua-chon-phu-hop-de-bao-ve-moi-truong-25856