ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG SẢN XUẤT BIOPLASTIC

DANH MỤC HÌNHiiiDANH MỤC BẢNGvMỞ ĐẦU1CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU31.1Tổng quan về nhựa sinh học31.1.1Tổng quan về tình hình tiêu thụ vật liệu nhựa trên thế giới31.1.2Phân loại bao bì nhựa:41.1.3Công nghiệp nhựa sinh học41.2Các loại vật liệu nhựa sinh học91.2.1Vật liệu PLA (polylactic acid)91.2.2 Vật liệu TPS (Thermoplastic Starches)101.2.3 Vật liệu PHA (Polyhydroxylalkanoates)111.3Sự giảm cấp sinh học của bioplastic141.4Nhựa sinh học và những ứng dụng trong cuộc sống161.4.1 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm161.4.2 Ứng dụng trong nông nghiệp16CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT BIOPLASTIC202.1Con đường sản xuất PHA trong tự nhiên202.1.1Tổng hợp PHA trong tế bào vi sinh vật202.1.2Tổng hợp biopolymer từ thực vật222.2Các phương pháp tiếp cận công nghệ sinh học để sản xuất PHA242.2.1Sản xuất PHA từ E.coli biến đổi gen242.2.2Sản xuất PHA từ cây trồng chuyển gen342.2.2.1Vật liệu và phương pháp342.2.2.2Tổng hợp trong tế bào chất342.2.2.3Tổng hợp PHA trong lạp thể352.2.2.4Tổng hợp PHA trong Peroxisome362.2.2.5Kết quả và biện luận372.3Sản xuất PHA từ huyết thanh sữa một ngành công nghiệp tiềm năng382.3.1Giới thiệu về nguồn nguyên liệu382.3.2 Giống và nhân giống392.3.2Sản xuất PHB từ dịch whey sử dụng vi khuẩn Escherichia coli tái tổ hợp392.3.3 Chủng Bacillus megaterium CCM 203744

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC ∗∗∗∗ ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: PGS.TS NGUYỄN THÚY HƯƠNG SINH VIÊN: PHẠM NGỌC XUÂN MSSV: 60703075 NĂM HỌC 2011-2012 Nhận xét của giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng 06 năm 2011 Đồ án môn học Đồ án môn học GVHD: PGS.TS Nguyễn Thúy Hương MỤC LỤC SVTH: Phạm Ngọc Xuân Trang 4 Danh mục hình GVHD: PGS.TS Nguyễn Thúy Hương DANH MỤC HÌNH SVTH: Phạm Ngọc Xuân Trang 5 Mở đầu GVHD: PGS.TS Nguyễn Thúy Hương DANH MỤC BẢNG SVTH: Phạm Ngọc Xuân Trang 6 Mở đầu GVHD: PGS.TS Nguyễn Thúy Hương MỞ ĐẦU Mối nguy hại tiềm ẩn từ rác thải nhựa: Từ những năm 1960-1970, người ta đã nhận ra rằng, môi trường đang bị hủy hoại bởi những hoạt động tạo ra các sản phẩm mới của chính mình. Cụ thể, các vật liệu polymer từ hóa dầu đã làm cho con người tiến xa về phía trước, nhưng người ta cũng đã nhận thấy rằng, các loại vật liệu này là mối nguy hại tiềm ẩn cho môi trường sinh thái vì nó không thể tự phân hủy. Chỉ có những tác động về cơ học và nhiệt mới có thể phá hủy nó, nhưng lại tạo ra nhiều chất độc hại hơn và đòi hỏi chi phí khổng lồ, vượt qua cả giá thành tạo ra chúng. Đặc biệt, vào đầu thế kỷ 21, dân số thế giới khoảng 6 tỷ người và dự báo trong vòng 50 năm tới con số đó sẽ khoảng 10 tỷ người. Với số dân như vậy, không chỉ thức ăn, nước uống, năng lượng phải tăng lên một cách đáng kể, mà ngay cả rác thải cũng là một vấn nạn chưa có cách giải quyết. Trong hàng tỷ tấn rác thải trên toàn cầu, một lượng lớn rác thải có nguồn gốc polymer không phân hủy được. Hàng năm còn có khoảng 150 triệu tấn polymer được sản xuất để phục vụ nhu cầu của con người và số đó ngày càng tăng theo đà tăng dân số và đời sống. Song song với điều đó, số lượng rác từ các sản phẩm này cũng tăng lên đáng kể, đó sẽ là thách thức lớn cho môi trường của trái đất. Chính vì thế, việc nghiên cứu và sản xuất polymer phân hủy sinh học trong giai đoạn hiện nay là mối quan tâm của toàn thể nhân loại và hết sức cần thiết nhằm giúp giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường do ảnh hưởng của các sản phẩm polymer tạo ra từ hóa dầu trước đây để lại. Nhựa sinh học và tiềm năng thị trường Vật liệu mới là lĩnh vực đang được phát triển mạnh. Một hướng quan trọng là những vật liệu xanh thân thiện môi trường có nguồn gốc thiên nhiên như nhựa sinh học. Sự ra đời của công nghệ “nhựa sinh học” là cuộc cách mạng quan trọng trong công nghệ chất dẻo, được xem như một giải pháp nhằm giảm dần sự lệ thuộc vào dầu mỏ đang có nguy cơ cạn kiệt, đồng thời góp phần nâng cao sức khỏe và bảo vệ môi trường, hai lợi thế khiến nhựa sinh học có nhiều tiềm năng phát triển. Đối với Việt Nam nói riêng Bên cạnh yếu tố giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, việc sản xuất và ứng dụng bao bì nhựa sinh học trong đời sống còn nhằm mục đích tận dụng nguồn tài nguyên thực vật đang dư dôi trong xã hội và thúc đẩy ngành nhựa Việt Nam phát triển. Việt Nam có nguồn tài nguyên thực vật khá phong phú và đa dạng, trong đó lượng acid béo từ cây có dầu chiếm một tỷ lệ đáng kể, nhưng chưa được sử dụng hợp lý. Nếu từ nguồn dầu béo trên có thể tổng hợp được một dạng polymer tự phân hủy sinh học với giá thành chấp nhận được, có thể sẽ là SVTH: Phạm Ngọc Xuân Trang 7 Mở đầu GVHD: PGS.TS Nguyễn Thúy Hương bước đột phá trong công nghiệp chất dẻo ở Việt Nam. Những năm gần đây, tính ưu việt của polymer - đặc biệt là trơ với môi trường đã trở thành vấn nạn mà các nhà khoa học phải đổ công sức ra khắc phục không thua kém khi tìm ra các polymer mới nhằm bảo vệ môi trường sống trước sự ô nhiễm do rác nhựa. Hầu hết các nhựa tổng hợp có nguồn gốc từ nguyên liệu hóa thạch và không có khả năng phân hủy sinh học.Trong khi đó, nguồn nguyên liệu hóa thạch cũng có giới hạn. Do đó, cần phải tìm nguồn nguyên liệu khác - nguồn nguyên liệu tái tạo được. Cụ thể, theo tiêu chuẩn ASTM, vật liệu trên cơ sở sinh học là những vật liệu hữu cơ trong đó carbon có nguồn gốc từ quá trình sinh học. Vật liệu bio - based bao gồm tất cả các khối vật chất thực vật và động vật có được từ việc cố định CO 2 qua quá trình quang hợp được xem là vật liệu tái tạo được. Với nguồn vật liệu hữu cơ hiện nay ở nước ta khá dồi dào như tinh bột, cellulose, sợi thiên nhiên, chitin và chitosan, protein đậu nành, mía đường… là lợi thế để sản xuất các sản phẩm polymer bao bì nhựa sinh học. Với những vấn đề nêu trên, sự ra đời của công nghệ nhựa sinh học được xem là một giải pháp giảm dần sự lệ thuộc vào dầu mỏ đang có nguy cơ cạn kiệt, đồng thời góp phần nâng cao sức khỏe và bảo vệ môi trường cho cộng đồng. Như vậy việc ứng dụng tiến bộ của khoa học kỹ thuật mà đặc biệt là ngành công nghệ sinh học vào việc sản xuất Bioplastic nhằm tìm ra những giải pháp tối ưu nhất, mang lại năng suất tối đa trong việc sản xuất nhựa sinh học đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng cao của con người. Nhằm bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá là dầu mỏ tránh khỏi nguy cơ cạn kiệt và bảo vệ môi trường sống của nhân loại. SVTH: Phạm Ngọc Xuân Trang 8 Chương 1: tổng quan tài liệu GVHD: PGS.TS Nguyễn Thúy Hương CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về nhựa sinh học 1.1.1 Tổng quan về tình hình tiêu thụ vật liệu nhựa trên thế giới Trước đây, vì sự tiện dụng mà túi nhựa hay túi ni-lông đã được người tiêu dùng ở khắp thế giới ưa chuộng và sử dụng rất nhiều. Điều đó, đã dẫn đến một lượng rác thải khổng lồ từ loại túi này ngày càng gia tăng và gây ô nhiễm môi trường. Theo thống kê sơ bộ của Bộ Tài nguyên Môi trường, trung bình 1 ngày, 1 người dùng phải sử dụng ít nhất một chiếc túi nilon. Theo tổ chức Hòa bình xanh (Greenpeace), hàng năm có khoảng 150 triệu tấn polymer được sản xuất để phục vụ nhu cầu của con người và có hơn 6,4 triệu tấn rác thải trong số đó bị tống xuống biển, trong đó từ 60 đến 80% là chất dẻo, và 70% số rác này bị chìm xuống đáy biển.Nhiều bằng chứng khoa học cho thấy, rác thải nhựa không phân hủy thành các chất vô hại, mà phân hủy rất chậm trong môi trường tự nhiên và là chất thải tồn tại lâu dài. Khi bị đốt cháy, gặp hơi nước các chất này sẽ tạo thành acid Sulfuric dưới dạng các cơn mưa acid, rất có hại cho hệ hô hấp của người và động vật. Tệ hơn, túi ni-lông làm bằng nhựa PVC có chứa clo, khi cháy tạo ra chất dioxin và acid Clohydric vô cùng độc hại. Không kể những tác hại môi trường các thế hệ sau phải gánh, túi ni-lông còn gây ra nhiều tác hại trước mắt, trực tiếp vào người sử dụng. Rác thải nhựa làm tắc các đường thoát nước thải gây ngập lụt cho đô thị, dẫn đến ruồi muỗi phát sinh, lây truyền dịch bệnh Bao bì ni-lông cũng đe dọa trực tiếp tới sức khỏe con người vì nó chứa chì, cadimi (có trong mực in tạo màu trên các bao bì) có thể gây tác hại cho não và là nguyên nhân chính gây ra bệnh ung thư phổi. Hình 1.1 Rác thải bao bì trong một ngày tại Bắc Kinh [18] SVTH: Phạm Ngọc Xuân Trang 9 Chương 1: tổng quan tài liệu GVHD: PGS.TS Nguyễn Thúy Hương Hình 1.1 cho thấy lượng rác thải bao bì nhựa khủng khiếp tại một thành phố lớn trên thế giới, con số này là khoảng l6.000 tấn/chỉ trong một ngày. Như vậy với mức tiêu thụ ngày một tăng cao, vấn đề ô nhiễm bao bì nhựa là một vấn đề cấp bách cần được quan tâm và giải quyết triệt để. 1.1.2 Phân loại bao bì nhựa: Plastic Từ sinh khối (tài nguyên nông nghiệp) Từ vi sinh vật (khai thác) Từ công nghệ sinh học Từ hóa dầu Polysaccharide Proteins, Lipids PolyHydroxy-Alkanoates (PHA) Polylactides Polycaprolactones Polylactic acid (PLA) PHB, PHBV Tinh bột Ligno-cellulosic khác: Pectins Chitosan/Chitin Gums, Động vật: Casein Whey Colagen/Gelatin SVTH: Phạm Ngọc Xuân Trang 10 [...]... polymer sản xuất từ sản phẩm nông nghiệp như: polysaccharides, protein…nhón thứ hai là nhóm [b] gồm các bipolyester như: polylactic acid (PLA), polyhydroxyalkanoate (PHA), copolyesters thơm và béo 1.1.3 Công nghiệp nhựa sinh học Tình hình sản xuất bioplastic trên thế giới: Hiện có khoảng 180 công ty trên thế giới tham gia sản xuất trong lĩnh vực nhựa sinh học Trong đó có 45 công ty sản xuất với sản lượng... toàn thực phẩm Vật liệu sinh học có thể tự phân hủy trong thiên nhiên, vì vậy không ảnh hưởng đến môi trường Nhờ không sử dụng các hóa chất tổng hợp, bao bì từ sinh học sẽ an toàn hơn đối với thực phẩm và sức khỏe của con người Ứng dụng trong nông nghiệp Nhựa sinh học ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, ứng dụng trong ngành nông nghiệp là một trong các ứng dụng quan trọng của biopolymer... này, công ty Cereplast (mỹ) đang lên kế hoạch sản xuất nhựa sinh học từ tảo biển thay vì từ các sản phẩm nông nghiệp Hiện tại, Công ty Cereplast sản xuất ra các sản phẩm nhựa sinh học bằng một công nghệ tiên tiến Các sản phẩm của Cereplast chủ yếu là cốc, nắp đậy và túi ni lông Để sản xuất 1kg nhựa tổng hợp polypropylene theo cách truyền thống, chúng ta sẽ thải 3,15kg khí CO2 vào bầu khí quyển Trong. .. phương pháp mới sản xuất nhựa sinh học sẽ mở ra triển vọng lạc quan về mặt thị trường cho sản phẩm nhựa sinh học đối với các nhà sản xuất và cả người tiêu dùng Nhựa sinh học ở Việt Nam vẫn còn là vấn đề khá mới mẻ Năm 1998, một số nhà sản xuất đã đến Việt Nam để nghiên cứu về khả năng làm nhựa sinh học từ bột bắp và bột khoai tây nhưng ý tưởng của họ không thực hiện được do giá thành sản xuất cao và không... Ngọc Xuân Trang 25 Chương 2: sản suất Bioplastic GVHD: PGS.TS Nguyễn Thúy Hương CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT BIOPLASTIC Con đường sản xuất PHA trong tự nhiên 2.1.1 Tổng hợp PHA trong tế bào vi sinh vật • Quy trình tổng hợp PHA  Nguyên liệu là đường hoặc acid béo, qua các chu trình phân hủy, tạo sản phẩm (R)-3Hydroxyacyl-CoA Đây là tiền chất được vi sinh vật sử dụng để sản xuất PHA.Vi sinh vật có chứa gen phaC1,... Monsanto (vào năm 1995) Ngoài ra, PHA còn được sử dụng để sản xuất vật liệu sợi (vải không dệt) PHA mạch dài được sử dụng trong sản xuất keo dính (Yalpani, 1993) Ngoài khả năng phân hủy sinh học, PHA còn có khả năng tương thích sinh học, sản phẩm phân hủy của PHA là 3-hydroxyacids, là thành phần khá phổ biến ở động vật Những loại PHA này rất hữu ích trong các ứng dụng của lĩnh vực y tế, chẳng hạn như cấy mô,... con số thống kê chính thức nào về sự sản xuất và thương mại nhựa sinh học ở Việt Nam Những hướng phát triển của nghành công nghiệp nhựa sinh học  Sản xuất bioplastic từ vật liệu Cellulose: Cellulose là vật liệu phong phú không hòa tan trong nước và hầu hết các dung môi hữu cơ Cellophane (giấy bóng kính) là một trong những dạng phổ biến của bao bì cellulose được ứng dụng cho nhiều loại thực phẩm bởi tính... đó, sản xuất 1kg nhựa sinh học propylene chỉ thải vào môi trường 1,4kg CO 2 Rõ ràng, công nghệ mới này góp phần làm giảm đáng kể lượng khí gây hiệu ứng nhà kính so với phương thức sản xuất nhựa truyền thống Tảo biển cũng rất giàu tinh bột như trong các sản phẩm nông ngiệp Chúng ta có thể nuôi tảo trên quy mô lớn để giúp giảm giá thành các sản phẩm nhựa Công ty Cereplast hy vọng sẽ đưa ra thị trường sản. .. tốt để chế tạo bao bì ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm nói chung Mặc dù có rất nhiều ưu điểm độc đáo nhưng việc thương mại hóa loại vật liệu này vẫn còn hạn chế do chi phí sản xuất rất cao (lớn hơn 2$/ đơn vị sản phẩm) [15] Cho đến nay, PLA được ứng dụng trong một số lĩnh vực như: Trong y học sử dụng như chỉ khâu, Vật liệu để trám những chấn thương của xương người Cốc, nĩa sử dụng một lần Bao bì... tỷ cốc nhựa Các sản phẩm nhựa này chủ yếu được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu hóa thạch như dầu mỏ, nhưng các nguồn nguyên liệu này mất khoảng 70 triệu đến 100 triệu năm để hình thành và chúng đang dần cạn kiện Trong khi đó, sản xuất nhựa sinh học từ khoai tây và ngô sẽ là một giải pháp bền vững hơn Tuy nhiên, một số nhà khoa học lo ngại rằng việc sản xuất nguyên nhiên liệu sinh học có thể khiến