CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nhựa phân hủy sinh học
1.1.3. Cơ chế phân hủy sinh học
Hình 1.1: Mơ tả giai đoạn phân hủy sinh học
Quá trình phân hủy của polymer được chuyển qua 4 trạng thái [9]: Polymer nguyên sinh → Phân rã → Phân hủy → Hóa mùn
Phân rã: Tùy theo loại polymer, dưới tác động của cơ học, ánh sáng, nhiệt độ,..
polymer sẽ rã thành những phần nhỏ.
Phân hủy: Những phần nhỏ sau khi phân rã sẽ trải qua các phản ứng thủy phân, dưới
tác dụng của nước trong môi trường axit, kiềm sẽ diễn ra rất nhanh, làm cho khối lượng phân tử giảm nhanh.
Hóa mùn: Polymer sau khi bị phân hủy sẽ tạo thành các chất có khối lượng phân tử
thấp <500 g/mol, lúc này sẽ chịu tác động của các vi sinh vật, làm phân hủy hoàn toàn vật liệu polymer thành các chất khí (CO2, CH4 ) và nước.
Nhìn chung polymer có cơ chế phân huỷ xảy ra qua hai giai đoạn:
SVTH: Vũ Thị Ngọc Hiếu 4 Trong giai đoạn này, mạch phân tử polymer bị giảm cấp thành những đoạn phân tử có trọng lượng thấp đồng thời tạo ra những nhóm chức hoạt động trên bề mặt polymer. Q trình này có thể bị tác động bởi ánh sáng, nhiệt độ hoặc có thể xảy ra theo cơ chế thủy phân hay tác nhân oxi hóa.
Giảm cấp nhiệt: dưới tác động của nhiệt độ, phân tử trong mạch polymer dao động,
khi năng lượng dao động của nó lớn hơn lực liên kết giữa các phân tử thì mạch sẽ bị đứt ra tạo thành các gốc tự do.
Giảm cấp quang hóa: Sự phân hủy các polymer phân hủy quang hóa phụ thuộc vào
tính khơng điều hịa của cấu trúc phân tử polymer. Sự khơng điều hịa này làm cho chúng giảm cấp từ từ khi tiếp xúc với bức xạ tia cực tím (UV), thường là ánh sáng mặt trời.
Giảm cấp theo cơ chế thủy phân: xảy ra ở các polymer có những nhóm chức dễ dàng
bị thủy phân như ester, amide, anhydride…
Giảm cấp theo cơ chế oxi hóa: Trong polymer chứa những hợp chất phức kim loại
như stearate mangan, acetate coban,.. Các phức kim loại này sẽ khơi mào q trình oxi hóa cắt mạch. Dưới tác động của ánh sáng và nhiệt độ, sườn cacbon của polymer bị oxy hóa hình thành các mảnh phân tử nhỏ hơn. Việc đưa oxy vào các sườn cacbon chính của polymer hình thành các nhóm chức như axit cacboxylic hoặc cacboxylic, este và aldehyt và rượu. Các polymer hydrocacbon thay đổi hoạt tính của chúng từ kỵ nước sang ưa nước do đó cho phép các polymer bị phân mảnh hấp thụ nước, tăng khả năng phân hủy sinh học của chúng.
Giai đoạn giảm cấp sinh học:
Các polymer bị giảm trọng lượng phân tử đến một giới hạn nào đó (khoảng dưới 500 g/mol) sẽ bị các vi sinh vật (nấm, vi khuẩn) tiêu thụ để tạo thành CO2, H2O và sinh khối.
Hai loại vi sinh vật gây phân hủy sinh học được quan tâm nhiều nhất là nấm và vi khuẩn. Các vi sinh vật phân hủy hợp chất hữu cơ xuất hiện chủ yếu trong môi trường đất và nước, chúng được phân ra làm hai loại: kỵ khí và hiếu khí. Khi thâm nhập vào vật liệu
SVTH: Vũ Thị Ngọc Hiếu 5 chúng sản sinh ra enzyme, các enzyme tấn công phá vỡ cấu trúc mạch phân tử, rồi tiêu thụ các chất hữu cơ.
Enzyme: Thực chất là xúc tác cho quá trình phân hủy sinh học của polymer. Khi có mặt enzyme, tốc độ phản ứng có thể tăng lên nhiều lần. Đa phần enzyme là những protein có mạch polypeptit cấu trúc dạng phức ba chiều. Hoạt động của enzyme liên quan mật thiết với cấu trúc và cấu hình. Cấu trúc ba chiều của enzyme có dạng gấp khúc và dạng túi, tạo ra các vùng trên bề mặt với cấu trúc đặc trưng tạo nên bề mặt hoạt động cho chúng. Tại bề mặt hoạt động này sẽ có sự tương tác giữa enzyme và hợp chất polymer tương ứng dẫn đến các phản ứng hóa học làm phân hủy polymer, tạo ra các sản phẩm đặc biệt.
• Phân hủy kỵ khí: Cplastic + O2 → CH4 + H2O + Ccịn lại + Sinh khối • Phân hủy hiếu khí: Cplastic + O2 → CO2 + H2O + Ccịn lại + Sinh khối
Để có được sự hoạt động tối ưu, một enzyme cần phải kết hợp với các yếu tố bổ trợ (coenzyme), ví dụ ion kim loại. Các yếu tố bổ trợ hữu cơ cũng được gọi là coenzym và chúng có thể thay đổi về cấu trúc, một số trong chúng xuất phát từ các B-vitamin khác nhau (thiamin, biotin…), một số khác là những hợp chất quan trọng trong chu kỳ trao đổi chất như nicotinamit ademin dinucleotit (NAD+), nicotinamit ademin dinucleotit phot phat (NADP+), Flavin ademin dinucleotit (FAD+), Adenosin triphotphat (ATP)… [9]