CHỦ đề BAO bì SINH học tự hủy

Ngoài ra, hàng năm còn có khoảng 150 triệu tấn polymer được sản xuất để phụcvụ 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 lượ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BÁO CÁO MÔN HỌC: KỸ THUẬT HỆ THỐNG SINH HỌC CHỦ ĐỀ: BAO BÌ SINH HỌC TỰ HỦY

Tháng 4/2013

MỤC LỤC

2 Giới thiệu chung về bioplastics ( nhựa phân hủy) 5

3 Một vài sự khác nhau giữa bioplastics và nhựa thông thường 8

4 Lợi ích của nhựa phân hủy 8

5 Phân loại bao bì sinh học 9

II CÁC DẠNG CHÍNH CỦA BAO BÌ SINH HỌC & ỨNG DỤNG

Ngoài ra, 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 sảnxuất polymer phân hủy sinh học trong giai đoạn hiện nay là mối quan tâm của toànthể 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

Chính vì vậy, chủ đề nhóm chúng em lựa chọn là Bao bì sinh học tự huỷ.

I TỔNG QUAN:

1 Tình hình chung:

Theo thống kê sơ bộ của Bộ Tài nguyên Môi trường, trung bình 1 ngày/ 1 ngườitiêu dùng phải sử dụng ít nhất 1 chiếc túi nilon

- Nilon: thời gian phân hủy 50 năm

- Nhựa nhiệt dẻo: thời gian phân hủy 10 – 30 năm, thậm chí là 1 thế kỷ.Giải pháp truyền thống:

- Đốt: gây ô nhiễm không khí

- Chôn lấp: tốn đất và ảnh hưởng tới nguồn nước ngầm

- Tái chế: cần đầu tư trang thiết bị đắt tiền, hiệu quả kinh tế thấp

Chỉ riêng 1996, thế giới sử dụng 150 triệu tấn nhựa nhiệt dẻo Chính những lý

do trên mà nhiều nước trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu sử dụng polymer tự phânhủy từ những năm 1980 trong nhiều lĩnh vực khác nhau

1980: thế giới mới chỉ có 7 -10 sáng chế trong lĩnh vực này Đến tháng 10 –

2003, toàn thế giới đã có hơn 1500 sáng chế Hiện nay Mỹ đã thay thế 30% nhựanhiệt dẻo bằng polymer tự phân hủy

Sự phát triển dân số liên quan đến vấn đề rác thải và nhu cầu phát triển vật liệu

có tính chống đỡ tốt hơn, dẫn tới việc ra đời các công ty nghiên cứu và chế tạo các vậtliệu polymer phối trộn từ các nguồn nông nghiệp

2 Giới thiệu chung về bioplastics:

Bioplastics (nhựa phân hủy) là nhựa mà nó sẽ phân hủy hiếu khí hay kị khítrong môi trường tự nhiên Sự phân hủy nhựa có thể đạt được khi các vi sinh vật trongmôi trường tiếp xúc và chuyển hóa cấu trúc phân tử của nhựa để tạo ra một chất gọi làmùn trơ, ít gây hại cho môi trường

Bioplastics là nhựa được phân hủy sinh học và thường được sản xuấtchủ yếu hoặc hoàn toàn từ nguồn tài nguyên tái tạo được Ngành công nghiệp sảnxuất bioplastics thường tập trung vào việc làm cho thuận tiện trong sinh hoạt và phùhợp ổn định với môi trường

Polyme được xem như là “xanh” thì phải thỏa mãn 2 yêu cầu: Một làchúng phải được tạo ra từ những nguồn nguyên liệu có thể tái tạo, làm đổi mới lạiđược như cây trồng… Hai là chúng phải trở thành phân bón khi bị phân hủy Hai điều

kiện này không phụ thuộc vào nhau Có 2 loại: polymer tổng hợp và tự nhiên.Polymer tự nhiên được tạo ra từ các nguồn có thể phục hồi lại được như tinh bột,cellulose Polymer tổng hợp dựa vào các chế phẩm của công nghiệp dầu mỏ Bao bìsinh học là sản phẩm của nguyên liệu tự nhiên có thể là các polymer được tách trực

tiếp từ sinh vật (dạng 1) hay polymer tổng hợp từ các monomer có nguồn gốc sinh học (dạng 2) hay các hợp chất hữu cơ thiên nhiên được biến đổi (dạng 3) Bao bì từ

vật liệu sinh học phải đáp ứng được các tiêu chuẩn như: tính chống thấm (nước, khí,ánh sáng, mùi), đặc tính quang học (trong suốt,…), tính co giãn, có thể đóng dấu hoặc

in ấn dễ dàng, kháng nhiệt và hóa chất, tính ổn định cũng như thân thiện với môitrường và có giá cả cạnh tranh Hơn nữa bao bì phải phù hợp với quy định về bao bìthực phẩm, tương tác giữa bao bì và thực phẩm phải đảm bảo chất lượng và an toànthực phẩm Vật liệu sinh học có thể tự phân hủy trong thiên nhiên, vì vậy không ảnhhưởng 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

Theo một nghiên cứu của Viện NOVA sản xuất bao bì sinh học tăng gấp 4 lần

từ năm 2007 đến năm 2011 Riêng Châu Âu thì tăng gấp 6 lần – từ 262.000 tấn đến

1.502.000 triệu tấn (Hình 1):

Hình 1: Tình hình sản xuất bao bì sinh học qua các năm

Hình 2: Thống kê sản xuất bioplastics qua các năm

3 Một vài sự khác nhau giữa nhựa phân hủy sinh học với nhựa thông thường:

Nhựa phân hủy có các thuộc tính sau:

- Phân hủy được

- Làm từ nguồn nguyên liệu tái tạo

- Được chế biến để thân thiện hơn với môi trường

Chất dẻo hay nhựa truyền thống đều không đáp ứng được với những thuộc tínhnày Chất dẻo truyền thống rất khó để phân hủy, chúng được tạo ra từnguyên liệu hóa thạch, không tái tạo được và rất có hại với môi trường sống vì chúnggóp phần làm tăng lượng chất thải rắn và gây ô nhiễm môi trường Nhựa truyềnthống được làm từ nhiên liệu hóa thạch không tái tạo, chứa n h i ề u c ac b o n

t r o n g n h ự a , t r á i n g ư ợ c v ớ i cá c h s ản x u ấ t n h ự a p hâ n h ủ y, cacbonvĩnh viễn bị mắc kẹt lại trong các lưới nhựa và hiếm khi được tái chế Mặtkhác nhựa phân hủy có thành phần chính là các polymer tự nhiên nên rất dễ

để các vi sinh vật phân hủy

4 Lợi ích của nhựa phân hủy:

Những ưu điểm của nhựa phân hủy: Trọng lượng nhẹ, chi phí tương đối thấp,khả năng phân hủy hoàn toàn và đầy đủ trong một cơ số phân trộn 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 đócho phép phân trộn có vị thế cao hơn chất thải rắn Nhựa phân hủy làmgiảm 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

5 Phân loại bao bì sinh học tự hủy:

Hiện nay vật liệu bao bì sinh học chủ yếu là từ polymer sinh học như: tinh bột,cellulose, protein…và các monomer từ chất hữu cơ lên men

Có nhiều cách để phân loại bao bì sinh học: Theo nguồn nguyên liệu, theophương pháp sản xuất, hướng sử dụng, thời gian phân hủy

Trên cơ sở phương pháp sản xuất, các vật liệu polymer sinh học được chiathành ba nhóm chính sau:

- Polymer được tách trực tiếp từ các nguồn tự nhiên (chủ yếu là thực vật), ví

dụ như các polysaccarit (tinh bột, cellulose) và protein (casein, gluten củabột mì)

- Polymer được sản xuất bằng phương pháp tổng hợp hóa học từ monomer

Ví dụ như polylactat là một polyeste sinh học được polymer hóa từmonomer axit lactic Các monomer này được sản xuất nhờ phương pháplên men các cacbon hyđrat tự nhiên

- Polymer được sản xuất nhờ vi sinh vật hoặc vi khuẩn cấy truyền gen,chúng có thể sản xuất chất dẻo dễ phân huỷ Điển hình nhất làpolyhydroxy - alkanoat; Chủ yếu là polyhydroxybutyrat (HB) vàcopolymer của HB và hydroxy- valerat (tên thương mại là biopol do công

ty Zeneca (Anh) sản xuất, sử dụng chủng vi khuẩn biến đổi gen làRalstonia eutropha biến đổi glucose và một số axit hữu cơ thành polymer

1 TPS (thermoplastic starches):

Polymer TPS là polymer 100% tinh bột đã có chỗ đứng trên thị trường Nó có

ưu điểm là: Chi phí năng lượng thấp, giá cả thấp hơn với plastic truyền thống

Để có những thuộc tính như plastic, TPS được trộn với các vật liệu khác Tinhbột liên kết với các polymer khác với hàm lượng tinh bột lớn hơn 50% sẽ tạo nên cácloại plastic khác nhau

a Starch/ Vinyl alcohol copolymers:

Tùy theo điều kiện gia công, loại tinh bột và thành phần của copolymers sẽ tạonên nhiều loại plastic 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 ở trong nước sôi, ngược lại thì sẽ

bị hòa tan từng phần

Điểm hạn chế của vật liệu này là giòn và nhạy với độ ẩm

Cơ chế phân hủy:

- Thành phần tự nhiên: dù được che chắn bởi cấu trúc mạng nhưng vẫn bịphân hủy bởi enzymes ngoại bào của vi sinh vật

- Thành phần tổng hợp: được phân hủy do sự hấp phụ bề mặt của vi sinhvật, tạo bề mặt trống cho sự thủy phân các thành phần tự nhiên

Đã có nhiều nghiên cứu thay thế bao bì plastic từ các chế phẩm dầu mỏ bằngbao bì plastic từ bắp Vật liệu làm từ nguồn nguyên liệu này hạn chế việc gây ô nhiễmmôi trường do khi phân hủy không tạo ra các chất gây độc

Hình 3: Một số vật dụng làm bằng nhựa Aliphatic polyesters

2 PLA (poly lactic acid):

Được sản xuất từ sự lên men tinh bột Loại polymer này tiêu tốn ít năng lượnghơn plastic Mặc dù thân thiện với môi trường nhưng không được sử dụng rộng rãi dochi phí sản xuất cao

Người ta sản xuất PLA dựa vào nguồn nguyên liệu từ tinh bột bắp Bắp đượcxay và cán Sau đó đường hóa thành các dextrin Các dextrin này sẽ chuyển thành acidlactic trong quá trình lên men

Quá trình cô đặc sẽ làm cho 2 phân tử plastic kết hợp lại thành cấu trúc vònggọi là lactid Hợp chất này sẽ được làm sạch qua quá trình chưng cất Sau đó chúngđược trùng hợp tạo chuỗi polymer mạch dài Sau đó, vật liệu này được bán cho cáccông ty và được gia công thêm để cho ra sản phẩm cuối cùng Sau một thời gian sửdụng thì PLA sẽ bị hủy đi hoặc tái chế lại

Sau đó vật liệu sẽ được bán cho các công ty để gia công them cho ra sản phẩmcuối cùng Sau một thời gian PLA được hủy đi hoặc tái chế lại

Khuyết điểm PLA:

- Thuộc tính của PLA phụ thuộc nhiều vào độ ẩm, vì tinh bột dễ tương tácvới nước Vì thế, PLA không được dùng cho thị trường chai lọ với các loạichất lỏng

- PLA chịu được nhiệt độ tối đa khoảng 114 OF, khi vượt qua nhiệt độ này,PLA sẽ tan chảy, nên cần lưu ý môi trường sử dụng

Quy trình sản xuất PLA:

Hình 4: Quy trình sản xuất PLA từ tinh bột bắp

Giai đoạn 1: Tổng hợp acid lactic bằng phương pháp lên men tinh bột sắn:

- Quá trình dịch hóa tinh bột sắn: nồng độ enzymes Termamyl: 0.1% so vớitinh bột, thời gian thủy phân 10 – 15 phút, nồng độ cơ chất: 20 – 25%

- Quá trình đường hóa: nồng độ enzymes AMG: 0.07 %, thời gian đườnghóa: 48h, đạt hiệu suất chuyển hóa đường khoảng 97%

- Sử dụng chủng: Lactobacilus acidophilus hiệu suất chuyển hóa tạo acid

lactic khoảng 88%

- Môi trường lên men: pH=6, nồng độ đường ban đầu: 110g/l, nhiệt độ lênmen khoảng 40oC

Giai đoạn 2: Trùng hợp điều chế PLA:

Qúa trình điều chế tổng hợp qua 2 giai đoạn: (1) Chuyển hóa acid lactic thànhlactic mạch vòng, (2) Trùng hợp mở vòng để có PLA khối lượng phân tử cao

- (1) Tổng hợp tiền polymer ( oligo acid lactic): giai đoạn tách nước: nhiệt

độ 130 – 140 oC, thời gian từ 3 – 4h, áp suất: 100mmHg Giai đoạn trùnghợp để tạo ra tiền polymer: nhiệt độ 185oC, áp suất 150mmHg, thời gian từ

Bảng 1: Tóm tắt điều kiện tổng hợp polylactic:

STT Điều kiện Đơn vị Giá trị

1 Hàm lượng chất xt: Sn(Oct)2 % 0.02

2 Nhiệt độ phản ứng oC 165 - 170

3 Thời gian phản ứng Giờ (h) 3

4 Chất xúc tiến phản ứng % 0.006

Mô tả chi tiết:

Lactic acid thương mại hoặc sản phẩm lactic lên men từ tinh bột sắn có hàmlượng 85 -95%, được đưa vào thiết bị phản ứng cùng với dung môi để tiến hành táchloại nước tại nhiệt độ 130 – 140oC trong thời gian khoảng 3h, sau đó hỗn hợp đượcthêm chất xúc tác và nâng nhiệt lên 175 – 185oC để tiến hành phản ứng ngưng tụtổng hợp oligo acid lactic, giai đoạn này được tiến hành trong khoảng thời gian 3 –5h cho tới khi quan sát không thấy nước thoát ra nữa Áp suất phản ứng sau đó đượcgiảm xuống 150mmHg, đồng thời vẫn duy trì nhiệt độ tại 180oC, phản ứng được kéodài thêm 30 phút trước khi chuyển sản phẩm oligo acid lactic sang giai đoạn khửtrùng hợp để tổng hợp lactic mạch vòng

Giai đoạn khử trùng hợp: oligo acid lactic được đưa vào thiết bị phản ứng khửtrùng hợp cùng với chất xúc tác Sb2O3 để tiến hành tổng hợp lactic Quá trình được

thực hiện tại 250oC, áp suất 100mmHg trong môi trường khí trơ, khuấy liên tục Sảnphẩm sinh ra từ phản ứng khử trùng hợp được cất loại tinh chế và làm sạch.

Giai đoạn phản ứng polymer hóa mở vòng lactic: Sản phẩm lactic sau khi tinhchế và làm sạch được đưa vào thiết bị phản ứng cùng với chất xúc tác Sn(Oct)2 xúctiến, chất điều chỉnh mạch và tiến hành phản ứng mở vòng ở nhiệt độ 170oC trong 3h.Sản phẩm PLA phân tử lượng cao thu được sau khi tinh chế sẽ được chuyển qua giaiđoạn gia công chế tạo mẫu chuẩn để xác định các thông số đặc trưng hoặc tiến hànhgia công thành các sản phẩm ứng dụng

Sự thay đổi hình thái học và cấu trúc bề mặt của sản phẩm PLA qua thời gian phân hủy:

Hình 5: Kết quả chụp SEM của sản phẩm PLA

Từ kết quả chụp SEM có thể quan sát thấy bề mặt PLA có các vết nứt gãy và bị

ăn mòn dần theo thời gian Sự đứt gãy xuất hiện nhiều hơn và rõ hơn sau khoảng thờigian 2, 3, 4 tháng

Kết luận:

Vật liệu PLA hoàn toàn có thể đáp ứng được các yêu cầu ứng dụng trong cáclĩnh vực trong đời sống hàng ngày thay cho các loại nhựa truyền thống, và trong cáclĩnh vực như y tế, công nghiệp…

3 PHA (Polyhydroxylalkanoates):

Là một loại vật liệu polymer có nhiều hứa hẹn Polymer này đang được nghiêncứu để thay thế cho bao bì plastic Các nhà sinh học đã biết đến sự tồn tại của PHA từnăm 1925 trong tế bào vi khuẩn, nhiều loại PHA đã được tổng hợp từ các nguồnCacbon, vi sinh vật hữu cơ khác nhau và có qua quá trình gia công

Có 2 phương pháp tổng hợp PHA:

- Phương pháp lên men gồm: Trồng các cây như bắp, rồi thu hoạch, táchchiết glucose từ cây trồng sau đó lên men đường trong tế bào chứa PHA,rửa và xoáy đảo tế bào để giải phóng PHA, sau cùng là cô đặc và phơi khôtrong khuôn

- Quá trình tổng hợp dựa vào sự phát triển PHA trong cây trồng là một kỹthuật đang được nghiên cứu, quá trình này giống với quá trình đã mô tả ởtrên nhưng bỏ qua giai đoạn lên men Người ta sử dụng một lượng lớndung môi để trích ly từ nhựa cây trồng, sau đó phải tìm cách loại bỏ dungmôi đi và do đó rất tốn kém năng lượng

Một ưu điểm của PHA so với PLA là khả năng tự phân hủy rất cao và dễ tổnghợp, khi đặt vào môi trường sinh vật tự nhiên thì nó sẽ tự phân hủy thành CO2 vànước Do đó, vật liệu PHA có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống

4 Vật liệu polysaccharide:

a Cellulose:

Cellulose là nguồn nguyên liệu phong phú, không hòa tan trong nước và hầu hếtcác dung môi hữu cơ Cellophane (giấy bóng kính) là 1 trong những dạng phổ biếncủa bao bì Cenllulose, được sử dụng cho nhiều loại thực phẩm bởi tính chống thấmdầu, ngăn cản sự tấn công của vi khuẩn và tính trong suốt của nó

Cellophane thường được phủ một lớp ngoài với nitro cellulose hay acrylate đểtăng khả năng chống thấm

Ngoài ra, Cellulose Acetate được kết hợp với tinh bột tạo nên plastic dễ phânhủy bởi vi sinh vật Cellulose cũng kết hợp với chitosan tạo màng có khả năng thấmkhí và thấm nước cao.

Một số loại thực phẩm được bao bởi vật liệu từ cellulose : xúc xích hay các loạihoa quả trái cây…

Hình 6: Bao bì cellulose

b Màng tinh bột:

Giống như các chất cao phân tử khác, tinh bột có khả năng tạo màng tốt Để tạomàng, các phân tử tinh bột (Amilose và Amilopectin) sẽ dàn phẳng ra, sắp xếp lại vàtương tác trực tiếp với nhau bằng liên kết hydro và gián tiếp qua phân tử nước Có thểthu được màng từ dung dịch phân tán trong nước Màng thu được từ thể phân tántrong nước thường dễ dàng tan ra trong nước

Plastics từ tinh bột được tạo ra bằng cách ép đùn thổi khí và đúc thành khuôn,thường dùng trong bao gói thực phẩm khô như chocolate, kẹo bánh…

Ngoài ra, với plastics từ tinh bột kết hợp protein, sau khi sử dụng ta có thểnghiền ra làm thức ăn gia súc, vì hàm lượng tinh bột và protein trong bao bì còn khácao

Cấu trúc tinh bột:

Tinh bột là một cacbohydrat cao phân tử bao gồm các đơn vị D-glucose nối vớinhau bởi liên kết α-glucozit Công thức phân tử gần đúng là (C6H10O5)n trong đó n cógiá trị từ vài trăm đến khoảng mười nghìn Tinh bột có dạng hạt màu trắng tạo bởi hailoại polime là amilose và amilopectin