đề tài thiết kế nhà máy sản xuất nhựa sinh học phb từ chủng vi khuẩn cupriavidus necator

Mở đầu

Cùng với sự phát triển của quá trình hiện đại hoá-công nghiệp hoá và những bước nhảy vọt trong kinh tế-xã hội; con người đang phải đối mặt với một trong những vấn đề bức thiết nhất và ảnh hưởng trực tiếp tới cuộc sống hiện nay đó là biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường Rác thải nhựa- một sản phẩm của quá trình công nghiệp hóa đã và đang có những ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường sống và làm mất cân bằng sinh thái một cách nghiêm trọng Mỗi năm, có tới 300 triệu tấn rác thải nhựa bị thải ra môi trường ; lượng chất thải nhựa do con người thải ra trên phạm vi toàn cầu đủ để phủ kín 4 lần diện tích bề mặt Trái Đất, trong đó có 13 triệu tấn chất thải nhựa được đổ ra đại dương

Việt Nam đang đối mặt với nhiều nguy cơ từ rác thải nhựa Lượng rác thải nhựa gia tăng nhanh chóng, năm 2014 khoảng 1,8 triệu tấn/năm, năm 2016 khoảng 2,0 triệu tấn/năm và hiện nay khoảng 3,27 triệu tấn/năm được tạo ra Khối lượng rác thải nhựa đổ ra biển mỗi năm khoảng 0,28 đến 0,73 triệu tấn/năm (chiếm gần 6% tổng lượng rác thải nhựa xả ra biển của thế giới) Tại Việt Nam, bình quân mỗi hộ gia đình sử dụng khoảng 1kg túi nilon/tháng, riêng hai thành phố lớn là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, trung bình mỗi ngày thải ra môi trường khoảng 80 tấn rác thải nhựa và túi nilon.

Việc phân loại, thu hồi, tái chế và xử lý rác thải nhựa còn hạn chế Lượng chất thải nhựa và túi nilon ở Việt Nam, chiếm khoảng 8-12% chất thải rắn sinh hoạt Nhưng chỉ có khoảng 11-12 % số lượng chất thải nhựa, túi nilon được xử lý, tái chế, số còn lại chủ yếu là chôn lấp, đốt và thải ra ngoài môi trường Đây có thể dẫn đến thảm họa môi trường, đặc biệt ô nhiễm đại dương Đặc biệt, trong rác thải y tế có khoảng 5% là rác thải nhựa Mỗi ngày, có khoảng 22 tấn chất thải nhựa được thải ra từ các hoạt động y tế, trong số đó lẫn với rác thải nguy hại (thuốc, hóa chất ).

Một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất của nhựa là không thể phân hủy hoàn toàn được, chúng chỉ có thể phân rã thành những mảnh nhỏ hơn Những hạt vi nhựa này có thể đi vào cơ thể con người qua việc tiêu thụ thức ăn, hít thở Các hạt vi nhựa đã được tìm thấy trong phổi, gan, lá lách và thận của con người (thậm chí là trong bào thai của phụ nữ đang mang thai) Những hệ quả của vi nhựa vẫn chưa được tìm hiểu hết; nhưng từ những gì đã được tìm thấy từ các chất trong nhựa, như methyl thủy ngân có thể ngấm vào cơ thể và gây ra những vấn đề về sức khỏe nghiêm trọng.

Với tình trạng sử dụng nhựa và sự quá tải của rác thải nhựa, cũng như những tác động tiêu cực của rác thải nhựa lên môi trường; một quy trình công nghệ tạo ra sản phẩm nhựa có tính thân thiện với môi trường bằng một phương pháp an toàn và hiệu quả là cần thiết

Trên cơ sở đó; em lựa chọn thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế nhà máy sản xuất nhựa

sinh học PHB từ chủng vi khuẩn Cupriavidus necator

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1 Thực trạng về rác thải nhựa

1.1.1 Những loại nhựa được sử dụng phổ biến

A, PET

PET (hoặc PETE) – Polyethylene terephthalate là một loại polymer nhiệt dẻo đa năng thuộc họ polyme polyester Nhựa polyester được biết đến với sự kết hợp tuyệt vời của các đặc tính như khả năng chịu lực, nhiệt, kháng hóa chất cũng như độ ổn định kích thước PET là một trong những loại nhựa nhiệt dẻo được tái chế nhiều nhất, và mã nhận dạng nhựa của nó là số “1”.

Cấu trúc phân tử của Polyethylene Terephthalate

PET tái chế có thể được chuyển đổi thành sợi, vải, tấm để đóng gói và sản xuất các bộ phận ô tô Về mặt hóa học, Polyethylene terephthalate (PET) rất giống với Polybutylen Terephthalate (PBT).

PET là loại nhựa bán tinh thể, không màu và có độ dẻo cao ở trạng thái tự nhiên Tùy thuộc vào cách nó được xử lý, nó có thể ở dạng từ rắn vừa đến rắn Nó cho thấy độ ổn định kích thước tốt, khả năng chống va đập, độ ẩm, cồn và dung môi.

Các loại PET có sẵn trên thị trường bao gồm vật liệu không gia cố đến loại có thủy tinh gia cố, chống cháy và vật liệu có nhiệt độ chảy cao dành cho các ứng dụng kỹ thuật khác nhau thường yêu cầu độ bền cao hơn và khả năng chịu nhiệt cao hơn Việc bổ sung các chất độn như sợi thủy tinh, CNTs, vv giúp cải thiện độ bền va đập, hoàn thiện bề mặt, giảm cong vênh và một số lợi ích khác.

Vì lý do kinh tế và an toàn, đây là loại nhựa được sử dụng để làm hộp đựng phổ biến nhất trên thị trường nước ngọt hiện nay, đó là làm chai nhựa.

 Được sử dụng phổ biến trong bao bì cho nước ngọt có ga, nước đóng chai, sữa, nước trái cây, đồ uống năng lượng cho thể thao, bình, thùng, bồn và khay đựng thực phẩm, chai cho gia dụng, chăm sóc cá nhân và dược phẩm, tấm và màng để đóng gói PET là loại nhựa được dán nhãn mã số 1 trên hoặc gần đáy chai và hộp đựng.

 PET đôi khi là tên gọi cho loại polyester và được làm từ mono-ethylene glycol (MEG) và axit terephthalic tinh khiết (PTA), có nguồn gốc từ dầu thô và khí tự nhiên.

Tính chất hóa học

 Khả năng kháng cồn, aliphatic hydrocarbon, dầu, mỡ bôi trơn và axit pha loãng

 Khả năng kháng kiềm pha loãng, hydrocarbon thơm & hydrocarbon halogen hóa

 PET được tạo ra như thế nào?

PET là một loại polyester béo Nó thu được từ phản ứng trùng ngưng của các monomer thu được bằng cách:

 Phản ứng este hóa giữa axit terephthalic và etylene glycol, hoặc

 Phản ứng chuyển hóa este giữa etylene glicol và dimetyl terephtalate

B, HDPE

HDPE (High Density Polyethylene) là loại nhựa nhiệt dẻo làm từ dầu mỏ, cấu trúc phân tử mật độ cao nên dày, cứng, chống chịu va đập, kéo căng tốt hơn so với nhựa PE thông thường Đây là nhựa tổng hợp dùng phổ biến nhất trong sản xuất hiện nay Nhựa HDPE có cấu trúc phân tử đặc biệt, gồm các etylen kết hợp với nhau để tạo thành chuỗi dài Điều này tạo ra cấu trúc linh hoạt, chịu áp lực, va đập, đồng thời chống lại sự hòa tan, ăn mòn bởi hóa chất, tác nhân môi trường khác Với các đặc tính trên, HDPE ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như đóng gói, chế tạo sản phẩm nhựa, sóng nhựa, pallet nhựa, ống dẫn nước, hệ thống thoát nước, đồ chơi, bao bì, bình chứa, ống xả, vật liệu xây dựng

HDPE thường được dùng là vỏ bình sữa cho trẻ, vỏ hộp thuốc, vỏ bình nước giặt, nước lau sàn,

nước tẩy, vỏ bình dầu gội, sữa tắm, Ngoài ra nó còn được ứng dụng làm đường ống cấp thoát nước Nói chung đây là một trong những loại nhựa ổn nhất để sử dụng trong các mục tiêu thường ngày, trong đó có chứa thực phẩm, nhất là các thực phẩm cho trẻ nhỏ như bình sữa, chai nước, bình bột.

C, PVC

Polyvinyl Chloride (PVC) là một loại nhựa nhiệt dẻo được tạo thành thông qua phản ứng trùng hợp vinyl chloride (CH2=CHCl) Đây là một trong những loại nhựa tổng hợp sớm nhất và có lịch sử lâu đời nhất trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp Dưới đây là một số đặc điểm của PVC: -Hình Dạng và Màu Sắc:

o PVC có thể có dạng bột màu trắng hoặc màu vàng nhạt -Dạng Tồn Tại:

o PVC tồn tại ở hai dạng chính là huyền phù (PVC.S – PVC Suspension) và nhũ tương (PVC.E – PVC Emulsion).

 PVC.S có kích thước hạt lớn từ 20 – 150 micron.

 PVC.E nhũ tương có độ mịn cao -Tính Chất Nhiệt Độ:

o PVC là một loại nhựa nhiệt dẻo, có thể thay đổi hình dạng dựa trên nhiệt độ Nó có khả năng chịu nhiệt độ cao và giữ được độ cứng ổn định.

-Ứng Dụng:

o PVC được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng khác nhau như làm ống nước và ống cống, sản xuất đồ gia dụng, vật liệu xây dựng, đồ chơi, đồ nội thất, và nhiều ứng dụng công nghiệp khác.

o PVC có khả năng chống ăn mòn và chống hóa chất tốt, làm cho nó trở thành một vật liệu phổ biến trong việc làm ống và kết cấu xây dựng.

o PVC có tính chất nhiệt dẻo cao, giúp nó dễ dàng định hình thành các sản phẩm có độ phức tạp khác nhau.

-Tính linh hoạt và đa dạng của PVC đã làm cho nó trở thành một trong những vật liệu phổ biến và có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và sản xuất.

-Đặc Tính Của PVC +Không Độc Hại:

o PVC có đặc tính không độc từ vựng, và nếu có độc tác động chủ yếu từ phụ gia, monome VC còn dư Trong quá trình chế tạo sản phẩm, có sự tách thoát HCl (Hydroclorua) từ PVC.

+Chịu Va Đập Kém:

o PVC chịu va đập kém, và để cải thiện tính chất này, thường thêm các chất như MBS, ABS, CPE, EVA vào với tỉ lệ từ 5 – 15%.

+Tính Cách Điện Tốt:

o PVC là loại vật liệu cách điện tốt, và các vật liệu cách điện từ PVC thường được kết hợp với các chất hóa dẻo để tăng tính mềm dẻo và độ dai.

+Tỉ Trọng:

o Tỉ trọng của PVC khoảng từ 1,25 đến 1,46 g/cm3 PVC là loại nhựa chìm trong nước, có tỉ trọng cao hơn so với một số loại nhựa khác như PE, PP, EVA (nhựa nổi trên nước).

So sánh nhu cầu tiêu thụ nhựa giữa các loại nhựa phổ biến

Các loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng nhiều nhất là PE, PP, PVC và PET Trong cơ cấu tiêu thụ vật liệu nhựa toàn cầu năm 2017, PE (với các dẫn xuất HDPE, LDPE, LLDPE) và PP chiếm tỉ trọng cao nhất với lần lượt 28% và 20% Đứng thứ 3 trong cơ cấu tiêu thụ là PVC với 12%.

Thượng nguồn ngành nhựa Việt Nam không chỉ không sản xuất đủ số lượng mà cơ cấu sản phẩm cũng không đủ đa dạng để đáp ứng được nhu cầu của hạ nguồn Hiện tại thượng nguồn ngành nhựa Việt Nam chỉ có khả năng sản xuất 4 loại nguyên liệu là PVC, PP, PET và PS trong đó nguyên liệu nhựa PVC chiếm đến 51% năng lực sản xuất của toàn ngành Trong khi đó, hàng năm hạ nguồn ngành nhựa Việt Nam sử dụng đến 30 loại nguyên liệu nhựa nguyên sinh khác nhau và chủ yếu phụ thuộc vào nhập khẩu Trong số hơn 30 loại nguyên liệu nhựa nhập khẩu hàng năm, PE là loại nguyên liệu quan trọng nhất Đây là loại nguyên liệu nhựa phổ biến nhất thế giới và hiện tại thượng nguồn ngành nhựa Việt Nam chưa có khả năng sản xuất loại nguyên liệu này Điều này gây ảnh hưởng tiêu cực nhất đến mảng nhựa bao bì do PE là nguyên liệu quan trọng nhất, được sử dụng nhiều nhất trong các sản phẩm bao bì nhựa.

1.1.2 Ứng dụng của nhựa trong sản xuất và đời sống

Nhựa trong công nghiệp

Nhựa có vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Một trong những lĩnh vực quan trọng mà nhựa đóng góp là ngành xây dựng Với tính linh hoạt cao và độ bền vượt trội, nhựa đã thay đổi cách chúng ta xây dựng và xử lý các công trình Nhựa được sử dụng rộng rãi trong sản xuất ống nước, ống thoát nước, và các vật liệu cách nhiệt trong xây dựng Sự đa dạng và khả năng gia công dễ dàng của nhựa đã giúp nâng cao hiệu quả công việc và giảm thiểu chi phí.

Ngành công nghiệp ô tô cũng không thể thiếu nhựa Nhựa được sử dụng để sản xuất nhiều bộ phận quan trọng trong ô tô như bảng điều khiển, tay lái, và ghế Nhựa không chỉ giúp giảm trọng lượng của ô tô mà còn cải thiện tính an toàn và hiệu suất Ngoài ra, nhựa còn giúp giảm thiểu tiếng ồn và rung động trong ô tô, mang lại trải nghiệm lái xe thoải mái hơn.

Ứng dụng khác của nhựa nằm trong ngành đóng chai và đóng gói Nhờ tính linh hoạt, độ bền và khả năng bảo quản tốt, nhựa đã thay thế nhiều vật liệu truyền thống trong việc đóng chai và đóng gói sản phẩm Các chai nhựa có thể tái đóng sau khi mở nắp, giúp tiết kiệm và hạn chế lãng phí Việc sử dụng nhựa trong ngành đóng chai và đóng gói cũng giúp giảm tác động tiêu cực đến môi trường.

Nhựa trong đời sống

Sự phát triển của ngành công nghiệp nhựa đã tác động mạnh mẽ đến cuộc cách mạng công nghiệp hiện đại Trước khi có nhựa, các sản phẩm được sản xuất từ kim loại và gỗ chủ yếu Nhưng nhựa đã thay đổi cách chúng ta sống và làm việc.

Ví dụ, nhựa đã cách mạng hoá ngành đóng chai và đóng gói Trước kia, chai thủy tinh và hộp kim loại là lựa chọn chính cho đóng gói sản phẩm Tuy nhiên, nhựa đã thay thế chúng vì tính linh hoạt và tính tiện dụng hơn Nhựa giúp bảo quản sản phẩm tốt hơn và giảm thiểu rủi ro vỡ hỏng trong quá trình vận chuyển.

Cũng như vậy, trong gia đình và đời sống hàng ngày, nhựa đã trở thành một phần quan trọng Chúng ta sử dụng nhựa trong các vật dụng như chai nước, bình đun nước, hộp đựng thực phẩm và nhiều sản phẩm khác Nhựa mang đến sự tiện lợi và an toàn cho cuộc sống của chúng

1.1.3 Tình hình sản xuất và tiêu thụ nhựa tại Việt Nam

Năm 2015, ngành Nhựa sản xuất và tiêu thụ gần năm triệu tấn sản phẩm Nếu sản phẩm nhựa tính trên đầu người năm 1990 chỉ đạt 3,8 kg/năm thì nay đã tăng lên 41 kg/năm Mức tăng này cho thấy nhu cầu sử dụng sản phẩm của ngành Nhựa ở trong nước ngày một tăng lên Nhiều doanh nghiệp tạo dựng được những thương hiệu sản phẩm uy tín trong nước như: ống nhựa của Bình Minh, Tiền Phong, Minh Hùng; bao bì nhựa của Rạng Đông, Tân Tiến, Vân Ðồn; chai PET và chai ba lớp của Oai Hùng, Ngọc Nghĩa, Tân Phú v.v.

Đến nay toàn ngành Nhựa Việt Nam gồm khoảng hơn 2.000 doanh nghiệp trải dài từ Bắc vào

Nam và tập trung chủ yếu ở Tp.HCM (tại Tp.HCM chiếm hơn 84%) thuộc mọi thành phần kinh tế

với hơn 99,8% là doanh nghiệp tư nhân.

Thành phần kinh tế tư nhân vốn được đánh giá là một bộ phận năng động trong toàn bộ nền kinh tế, do đó có thể nói rằng ngành Nhựa là một trong những ngành kinh tế có tính năng động ở nước ta Các sản phẩm thế mạnh của các doanh nghiệp Việt Nam là bao bì, sản phẩm nhựa tiêu dùng, nhựa xây dựng và sản phẩm nhựa kỹ thuật cao.

Sản phẩm của ngành Nhựa rất đa dạng và ngày càng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, nhiều ngành Trong lĩnh vực tiêu dùng, sản phẩm từ nhựa được sử dụng làm bao bì đóng gói các loại, các vật dụng bằng nhựa dùng trong gia đình, văn phòng phẩm, đồ chơi v.v Trong các ngành kinh tế khác, các sản phẩm từ nhựa cũng được sử dụng ngày càng phổ biến; đặc biệt trong một số ngành, nhựa còn trở thành một nguyên liệu thay thế cho các nguyên liệu truyền thống, như trong xây dựng, điện - điện tử v.v.

Ngành nhựa là một trong những ngành công nghiệp có tăng trưởng cao nhất Việt Nam với mức tăng hàng năm từ 16 - 18%/năm Trong năm 2022, sản lượng nhựa đạt 9,54 triệu tấn, với 3.300 doanh nghiệp nhựa và 250.000 người lao động Nhu cầu tiêu thụ sản phẩm nhựa ở Việt Nam liên tục tăng, mức tiêu thụ nhựa bình quân đầu người gia tăng nhanh chóng ở mức 10,6% mỗi năm Theo báo cáo hiện trạng chất thải nhựa năm 2022, tổng khối lượng chất thải nhựa phát sinh là 2,9 triệu tấn và có tốc độ gia tăng khoảng 5%/năm Tổng lượng rác thải nhựa được thu gom là 2,4 triệu tấn nhưng chỉ có 0,9 triệu tấn rác thải nhựa được phân loại cho tái chế và 0,77 triệu tấn rác được tái chế Tổng thất thoát chất thải nhựa vào môi trường là 0,42 triệu tấn, trong đó một phần lớn đến từ sản phẩm nhựa sử dụng một lần và bao bì nhựa khó phân hủy sinh học.

Những năm gần đây, ngành nhựa Việt Nam tiêu thụ khoảng 5, 9 triệu tấn nguyên liệu nhựa nguyên sinh, tương đương mức tiêu thụ bình quân 63 kg/người/năm, cao hơn nhiều so với mức trung bình thế giới là 46 kg/người/năm Tăng trưởng trung bình khoảng 10%/năm Cuộc khủng

hoảng rác thải tại Việt Nam kéo theo khủng hoảng chôn lấp, mất an ninh lương thực, ảnh hưởng đến phát triển kinh tế và gây nhiều nguy hại cho hệ sinh thái.

Thực trạng rác thải nhựa ở Việt Nam

Theo số liệu thống kê từ Bộ Tài nguyên và Môi trường, mỗi năm tại Việt Nam có khoảng 1,8 triệu tấn rác thải nhựa thải ra môi trường, 0,28 triệu đến 0,73 triệu tấn trong số đó bị thải ra biển -nhưng chỉ 27% trong số đó được tái chế, tận dụng bởi các cơ sở, doanh nghiệp.

Điều đáng nói là việc xử lý và tái chế rác thải nhựa còn nhiều hạn chế khi có đến 90% rác thải nhựa được xử lý theo cách chôn, lấp, đốt và chỉ có 10% còn lại là được tái chế.

Việt Nam đang đối mặt với nhiều nguy cơ từ rác thải nhựa Lượng rác thải nhựa gia tăng nhanh chóng, năm 2014 khoảng 1,8 triệu tấn/năm, năm 2016 khoảng 2,0 triệu tấn/năm và hiện nay khoảng 3,27 triệu tấn/năm được tạo ra tại Việt Nam Khối lượng rác thải nhựa đổ ra biển mỗi năm khoảng 0,28 - 0,73 triệu tấn/năm (chiếm gần 6% tổng lượng rác thải nhựa xả ra biển của thế giới) Tại Việt Nam, bình quân mỗi hộ gia đình sử dụng khoảng 1kg túi nilon/tháng, riêng hai thành phố lớn là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, trung bình mỗi ngày thải ra môi trường khoảng 80 tấn rác thải nhựa và túi nilon.

Phân loại, thu hồi, tái chế và xử lý rác thải nhựa còn hạn chế Lượng chất thải nhựa và túi nilon ở Việt Nam, chiếm khoảng 8-12% chất thải rắn sinh hoạt Nhưng chỉ có khoảng 11-12 % số lượng chất thải nhựa, túi nilon được xử lý, tái chế, số còn lại chủ yếu là chôn lấp, đốt và thải ra ngoài môi trường Đây có thể dẫn đến thảm họa môi trường, đặc biệt ô nhiễm đại dương Đặc biệt, trong rác thải y tế có khoảng 5% là rác thải nhựa Mỗi ngày, có khoảng 22 tấn chất thải nhựa được thải ra từ các hoạt động y tế, trong số đó lẫn với rác thải nguy hại (thuốc , hóa chất ) Thu gom, tái chế và chôn lấp loại rác thải nhựa này đều ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng và ô nhiễm môi trường.

Để khắc phục vấn đề rác thải nhựa tại Việt nam, cần có lộ trình, giải pháp thu hút đầu tư và công nghệ các lĩnh vực: Giảm thiểu, phân loại tại nguồn, tăng cường khả năng tái sử dụng, tái chế các thành phần rác thải nhựa: Sử dụng vật liệu thay thế túi nilon và sản phẩm nhựa dùng một lần; công nghệ tái chế rác thải túi nilon, rác thải nhựa.

1.2.Tình hình xử lý rác thải nhựa hiện nay

Theo ông Đặng Huy Đông, nguyên Thứ trưởng Bộ Kế hoạch – Đầu tư, thì chỉ có 10% lượng rác thải nhựa ở Việt Nam được đem đi tái chế, còn lại 90% lượng rác thải nhựa sẽ bị chôn lấp, đốt, hoặc thải trực tiếp ra môi trường.

Các phương pháp xử lý rác thải đang được áp dụng:

-Chôn lấp: Theo thống kê, mỗi năm Việt Nam có 25,5 triệu tấn rác thải sinh hoạt thì 75% được

đem đi chôn lấp Nhưng chôn lấp làm ảnh hưởng đến diện tích đất, và có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường đất, làm ô nhiễm đất, ô nhiễm nguồn nước ngầm…

-Đốt rác thải nhựa: Đốt rác thải nhựa giúp giải quyết vấn đề về quỹ đất hạn hẹp, nhưng lại có thể

sản sinh ra dioxin gây biến đổi gen, mang đến nhiều nguy hiểm cho con người và sinh vật.

-Tái chế rác thải nhựa: Việc tái chế tại nước ta chưa được thực hiện ở quy mô lớn mà vẫn còn

nhỏ lẻ Công nghệ tái chế hiệu quả thấp, chi phí cao… nên chưa mang lại khả năng xử lý cao Bên cạnh đó, tỷ lệ rác thải nhựa được phân loại từ nguồn là rất thấp cũng gây thêm nhiều khó khăn cho việc phân loại và tái chế.

Hiện nay, Việt Nam đang chú ý đến việc áp dụng các mô hình xử lý rác thải hiệu quả và an toàn hơn như: Đốt rác phát điện, điện khí hóa, xử lý chất thải rắn thành phân vi sinh… Tuy nhiên, cần có sự quan tâm sát sao, đầu tư đúng mức và cả sự chung tay của toàn xã hội để có được hiệu quả tốt nhất.

Thế giới đã sản xuất hơn 9 tỷ tấn nhựa kể từ những năm 95 Với con số 165 triệu tấn trong số đó đã trôi ra đại dương và gây hại đến môi trường biển cũng như đời sống của sinh vật biển, với gần

9 triệu tấn nữa đi vào các đại dương mỗi năm Vì chỉ có khoảng 9% nhựa được tái chế, phần lớn còn lại gây ô nhiễm môi trường hoặc nằm trong các bãi chôn lấp, nơi có thể mất tới 500 năm để phân hủy trong khi thời gian chúng tồn tại sẽ tiết ra các hóa chất độc hại vào lòng đất.

2 Sự cần thiết của việc sản xuất nhựa sinh học

Nhựa sinh học có một lịch sử ra đời từ đầu thế kỷ 20, phát minh bởi nhà khoa học người Pháp Maurice Lemoigne Đó cũng là thời gian bùng nổ của công nghệ ứng dụng nhựa vào sản xuất các công cụ phục vụ đời sống Trong khoảng thời gian những cuộc cách mạng công nghiệp nổ ra, các nhà sản xuất đều tập trung vào những sản phẩm với công đoạn chế tác đơn giản và hiệu quả nhất, nên phát mình nhựa sinh học đó cứ vậy mà trôi vào dĩ vãng Cùng với phong trào bảo vệ môi trường ngày một hiện hữu với thế kỷ 21, nhu cầu sử dụng nhựa sinh học cũng ngày một tăng, với mức tăng trưởng 20% mỗi năm từ 2010 đến 2015 Lệnh cấm và hạn chế sử dụng vật phẩm nhựa ở một số nước như Bangladesh, Gabon, Morocco cùng với giá dầu thô biến động không ngừng đã góp phần thúc đẩy các doanh nghiệp tìm đến nghiên cứu thị trường nhựa xanh mới mẻ này Cho đến nay, các nhà khoa học đã tìm được hơn một chục loại nguyên liệu để gia công nhựa sinh học Những nguyên liệu phổ biến nhất gồm có ngô, tinh bột và thức ăn thừa.

Năm 2017, các nhà nghiên cứu từ Đại học York, Anh phát minh ra nhựa làm từ rơm và cho đến gần đây, công ty Biofase của Mỹ cũng chế tác ra loại nhựa sinh học từ vỏ quả bơ So sánh với nhựa tổng hợp có thành phần gốc là dầu thô, những loại “nhựa xanh” này có thành phần thân thiện với môi trường Lượng carbon thải ra không khí trong quá trình chế biến, sử dụng và phân hủy của chúng cũng giảm đáng kể sơ với nhựa thông thường Đến năm 2017, sản lượng nhựa sinh học thế giới đã vượt mức 2 triệu MT mỗi năm.

Nhựa sinh học không chỉ là một vật liệu duy nhất; có định nghĩa cơ bản là nhựa được làm từ các vật liệu có khả năng tự phân huỷ Chúng bao gồm cả một hệ thống vật liệu với các tính chất và ứng dụng khác nhau Theo nhựa sinh học châu Âu, một vật liệu nhựa được định nghĩa là nhựa sinh học nếu nó là sinh học, phân hủy sinh học hoặc có cả hai tính chất.

Hiện nay, chưa có một định nghĩa thống nhất về nhựa sinh học (bioplastic) 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 [1 - 4] Có 3 nhóm bioplastic được phân loại dựa vào đặc tính biobased hay biodegradable 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)

2.3.1 Khả năng phân huỷ sinh học

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 Một số thông tin cơ bản như phạm vi ứng dụng, nguyên liệu, quy trình sản xuất, tình hình thương mại hóa và xu hướng phát triển công nghệ

2.3.2 Nguyên liệu sinh học

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 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

2.4.Thực trạng nghiên cứu và ứng dụng sản xuất nhựa sinh học trên thế giới và tại Việt Nam

2.4.1 Xu hướng nghiên cứu, ứng dụng nhựa sinh học trên cơ sở bằng sáng chế

A, Số liệu sáng chế về nhựa PHSH (giai đoạn 1972-2010)

Trong hàng trăm triệu sáng chế trên thế giới ở nhiều lĩnh vực khác nhau, tính đến nay, số liệu khảo sát các nghiên cứu về nhựa PHSH trên hệ CSDL sáng chế quốc tế WipsGlobal [09] cho thấy đã có gần 8.000 nghiên cứu có kết quả là sáng chế được cấp bằng bảo hộ tại nhiều quốc gia và tổ chức quốc tế.

Theo biểu đồ trên, tình hình nghiên cứu và bảo hộ sáng chế trên thế giới thời gian qua có thể chia thành ba giai đoạn: - Giai đoạn 1972-1990: Đây là giai đoạn có thể gọi là khởi thủy của các kết quả nghiên cứu về nhựa theo hướng PHSH, với số lượng sáng chế rất khiêm tốn và hầu như không có “cao trào” sáng chế giai đoạn này Lượng sáng chế nhiếu nhất là 52 (năm 1989), năm ít nhất chỉ có 01 sáng chế (1979;1983).

- Giai đoạn 1991–2000: Đường biểu diễn số lượng các sáng chế có hướng đi lên khá liên tục, cho thấy các nghiên cứu về nhựa PHSH trong giai được này rất được quan tâm và kết quả của các nghiên cứu hình thành và chuyển hóa thành các sáng chế cũng “bùng nổ” trong thời gian này Các mốc cao trào nghiên cứu:

o 1991-1992: tăng từ 140 lên 233 sáng chế, o 1994-1995: tăng từ 270 lên 373 sáng chế

- Giai đoạn 2001-2010: Là giai đoạn có đường biểu diễn tình hình sáng chế tăng lên đến đỉnh rồi suy giảm Đỉnh của đường biểu diễn tại năm có số sáng chế nhiều nhất, năm 2003 với 645 sáng chế Các năm cũng có nhiều sáng chế là khoảng 2000 – 2005 Các năm gần đây (từ 2006) số sáng chế giảm (năm 2011 chưa cập nhật hết số liệu nên số lượng sáng chế còn ít)

Nhận xét:

- Số lượng sáng chế tăng mạnh từ 1990 đến 2010 Các phân tích tiếp theo sẽ tập trung vào giai đoạn này.

- Hiện nay, chưa có thống kê chính thức về sản lượng nhựa PHSH trên thế giới nhưng các nhà sản xuất cho rằng mặt hàng này mới chỉ chiếm một thị phần khiêm tốn trên thị trường chất dẻo toàn cầu ước đạt 250 tỉ USD với tổng sản lượng khoảng 180 triệu tấn mỗi năm (Nguồn Viện KHVLƯD TP.HCM).

B, Các quốc gia có nhiều đăng ký sáng chế

Khi xem xét chỉ tiêu quốc gia có lượng sáng chế nhiều nhất, cho thấy 10 quốc gia dẫn đầu thế giới về nghiên cứu nhựa PHSH đạt được bảo hộ sáng chế lần lượt là: Mỹ (US), Nhật (JP), Hàn Quốc (KR), Trung quốc (CN), Đức (DE), Úc (AU), Canada (CA), Pháp (FR), Anh (GB) và Italia (IT) Lượng sáng chế bảo hộ tại các nước này về nhựa PHSH chiếm đến 86,5% tổng số sáng chế về nhựa PHSH trên thế giới

C, Các loại nhựa sinh học đã được sản xuất

D, Xu hướng sử dụng và tiềm năng áp dụng tại Việt Nam1 Xu hướng

Trong 3 nhóm bioplastic (Bio-based; Bio-based và Biodegradable; Biodegradable), nhóm 2 sẽ được ưu tiên phát triển do vừa phân hủy sinh học vừa có nguồn gốc sinh học Kết quả nghiên cứu sơ bộ về thị trường cho thấy PLA thuộc nhóm 2 được sử dụng nhiều nhất trong các loại

bioplastic PLA sẽ tiếp tục được khuyến khích trong tương lai Điểm chính cần cải thiện của loại

nhựa này là giảm chi phí sản xuất và nghiên cứu khả năng phối trộn với sản phẩm khác để cải thiện tính năng của nhựa Trong nhóm 3, PBAT là loại nhựa chiếm tỷ trọng cao nhất và cao thứ nhì, chỉ sau PLA Với đặc tính kỹ thuật tương tự LDPE, PBAT dự kiến vẫn là loại nhựa sinh học chiếm tỷ trọng cao và được khuyến khích sử dụng Nhóm 1 là các loại nhựa tương tự như nhựa truyền thống nhưng nguyên liệu có nguồn gốc sinh học Nhóm nhựa này tuy hiện nay vẫn sử dụng tương đối nhiều nhưng do đặc tính không phân hủy sinh học nên khó được thị trường, những người tiêu dùng cuối yêu môi trường chấp nhận Tuy nhiên, việc khuyến khích và xúc tiến sử dụng sẽ được nhiều công ty, chính phủ có nền công nghiệp sản xuất bioethanol, biomass phát triển triển khai Một số nghiên cứu gần đây cho rằng PHA có tiềm năng phát triển trong tương lai, đặc biệt là khi sử dụng được nguồn vật liệu CO2 trong khí quyển và H2 sản xuất từ năng lượng tái tạo Quy trình sản xuất PHA từ khí thải nhà kính như Hình 6

2 Đánh giá nhu cầu và tiềm năng áp dụng ở Việt Nam

Nhìn chung, ngành công nghiệp nhựa ở Việt Nam đang phát triển rất mạnh, sản phẩm cuối đáp ứng nhu cầu trong nước và xuất khẩu Lượng nhựa nguyên sinh sử dụng ở Việt Nam rất lớn, sản xuất nhiều sản phẩm đa dạng, từ dân dụng cho đến công nghiệp Ước tính, với sản lượng tiêu thụ nhựa bình quân mỗi người là 63kg, tổng sản lượng nhựa tiêu thụ Việt Nam năm 2019 khoảng 6 triệu tấn trong đó chỉ khoảng 10% được tái chế Trong các loại nhựa truyền thống tiêu thụ tại Việt Nam, thì PP, PE và PET chiếm tỷ trọng lớn nhất với lượng tiêu thụ năm 2019 lần lượt khoảng 2 triệu tấn, 1,7 triệu tấn và 150 nghìn tấn Sản phẩm sản xuất từ các loại nhựa này được sử dụng nhiều trong các ngành bao bì thực phẩm, dệt may và đồ uống Trong cơ cấu sử dụng của ngành nhựa Việt Nam, nhựa bao bì chiếm tỷ trọng lớn nhất, lên đến 36%, khoảng 2,1 triệu tấn vào năm 2017 (Hình 7) Do đó, nếu có thể thay thế được một phần các loại nhựa này thì tiềm năng sử dụng nhựa sinh học tại Việt Nam tương đối lớn Ước tính với tỷ lệ thay thế như của thế giới, khoảng 1%, thì tổng nhu cầu nhựa sinh học của Việt Nam sẽ khoảng 60 nghìn tấn mỗi năm Sản lượng này là tương đối lớn và với tốc độ tăng trưởng nhu cầu nhựa hàng năm của Việt Nam khoảng 10,8%/ năm thì tiềm năng phát triển của nhựa sinh học Việt Nam vẫn đáng kể.

3 Đánh giá khả năng sản xuất bioplastic tại Việt Nam

Đối với loại nhựa nhóm 1, Việt Nam có thể xem xét khả năng sản xuất bio-PE, bio-PP từ nguồn nguyên liệu bio-ethylene, bio-propylene được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu sinh khối như biomass, bioethanol trong nước Việc sản xuất các sản phẩm bio-PE, bio-PP này dễ dàng thực hiện được tại phân xưởng sản xuất PP của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất hay của Liên hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn hoặc tại các dự án sản xuất PE (Liên hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn), PP (Nhà máy PP Hyosung) đang được đầu tư xây dựng Do không có sự khác biệt về tính chất nguyên liệu nên việc sản xuất bio-PE, bio-PP hoàn toàn khả thi về mặt kỹ thuật Tuy nhiên, dự kiến giá thành sản xuất nguyên liệu bio-ethylene và bio-propylene cao do hiện tại Việt Nam chưa phát triển nền công nghiệp này nên việc sản xuất sản phẩm bio-PE, bio-PP sẽ khó cạnh tranh so với sản phẩm bio-PE, bio-PP nhập khẩu Ngoài ra, sản phẩm bio-PE, bio-PP dự kiến sẽ gặp trở ngại trong việc thâm nhập thị trường Việt Nam dưới danh nghĩa là bioplastic vì sản phẩm cuối không khác gì PE thông thường Đối với nhựa nhóm 2, PLA là một khả năng có thể được xem xét thông qua việc cải hoán các nhà máy sản xuất bioethanol hiện hữu tại công đoạn lên men để chuyển từ sản xuất bioethanol sang sản xuất PLA Theo đó, các nhà máy này có thể sản xuất linh động đồng thời 2 loại sản phẩm (bioethanol và PLA) hoặc chỉ một loại sản phẩm (bioethanol hoặc PLA) tùy theo nhu cầu thị trường và hiệu quả mang lại cho nhà máy Việt Nam là nước với đặc thù sản xuất

nông nghiệp vẫn chiếm tỷ trọng lớn nên có nhiều nguồn nguyên liệu sinh khối, gồm cả tinh bột để cung cấp nguồn nguyên liệu sinh học, vì vậy, sẽ có thuận lợi trong việc sản xuất bioplastic nhóm 2 Tuy nhiên, một số yếu tố như nền sản xuất còn nhỏ lẻ, thị trường nguyên liệu và sản phẩm phân tán và đặc biệt là gần 2 nước có nền công nghiệp nhựa sinh học đã phát triển khá lâu (Trung Quốc, Thái Lan), việc sản xuất nhựa sinh học nhóm 2 dự báo vẫn chưa có khả năng cạnh tranh với nhựa truyền thống và nguồn nhựa sinh học nhập khẩu Các phân xưởng chế biến nhựa sinh học ở Việt Nam hiện hoạt động dưới hình thức phối trộn các nguyên vật liệu để sản xuất nhựa/sản phẩm nhựa có khả năng phân hủy sinh học Đối với nhựa nhóm 3, việc nghiên cứu và tìm kiếm sản phẩm để phát triển, thay thế nhựa truyền thống sẽ phù hợp với nhu cầu thị trường Việt Nam hơn Trong nhóm này, PBAT, PBS là các loại nhựa nổi trội, sử dụng nhiều trong lĩnh vực bao bì và may mặc, do đó, có thể xem là những loại nhựa tiềm năng thay thế cho PE và PP Ngoài ra, PEF cũng là loại sản phẩm có thể được chú trọng, xem xét nghiên cứu hoặc chuyển giao công nghệ vì có thể thay thế PET trong tương lai Để có thể sản xuất các sản phẩm này tại Việt Nam, cần xem xét đánh giá xây dựng nhà máy mới hoàn toàn Các nhà máy sản xuất nhựa hiện hữu (PE, PP) không thể cải hoán để sản xuất sản phẩm nhựa nhóm 3 này

2.4.2 Xu hướng nghiên cứu và sản xuất PHB

Tình hình sản xuất polyhydroxyalkanoate (PHA), bao gồm polyhydroxybutyrate (PHB), đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi Các xu hướng đáng chú ý bao gồm sử dụng vi sinh vật khắc nghiệt để sản xuất PHB, sự tăng trưởng của thị trường PHB trong những năm tới do nhu cầu cao về các sản phẩm sinh học hoặc có khả năng phân hủy sinh học, và các tiến bộ trong công nghệ sản xuất PHB.

Mở rộng sản xuất PHB trên toàn cầu Thị trường PHB dự kiến sẽ tăng trưởng mạnh trong

những năm tới, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về các sản phẩm sinh học hoặc có khả năng phân

hủy sinh học Các công ty trên toàn thế giới đang đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển để tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất PHB