Hầu hết nguyên liệu sản xuất bao bì có nguồn gốc hữu cơđều là các vật liệu có cấu trúc polymer. Nhiều loại polyme được gọi là “có khả năng phân hủy sinh học” thật ra là “có khả năng ăn mòn sinh học” (“bioerodable”), “có khả năng phân hủy thủy sinh học” (“hydrobiodegradable”), “có khả năng phân hủy quang sinh học” (“photo-biodegradable”). Khả năng phân hủy sinh học (“biodegradability”) của plastics tùy thuộc vào cấu trúc hóa học của vật liệu và cấu tạo của sản phẩm cuối cùng. American Society for Testing and Materials (ASTM) định nghĩa “có khả năng phân hủy sinh học”(“biodegradable”) là “có khả năng phân hủy thành CO2, CH4, nước, các hợp chất vô cơ, hoặc sinh khối dưới tác dụng của enzyme của vi sinh vật, có thể đo được bằng các phương pháp phân tích tiêu chuẩn, trong một khoảng thời gian nhất định với điều kiện môi trường thải bỏ sẵn có” (NOLAN-ITU Pty Ltd, 2002:1). Như vậy, quá trình phân hủy sinh học (biodegradation) là quá trình phân hủy (degradation) bởi hoạt tính sinh học, đặc biệt là enzyme, dẫn đến những biến đổi đáng kể trong cấu trúc hóa học của vật liệu. Theo quan điểm này, bao bì PHSH phải bị phân hủy một cách dễ dàng, trong một khoảng thời gian nhất định, thành những phân tửđơn giản như CO2 và nước. Tốc độ phân hủy sinh học phụ thuộc vào chiều dày và hình dạng của vật liệu chế tạo. Nếu như các màng mỏng có khả năng phân hủy rất nhanh, các vật dụng dày như dĩa, khay đựng thức ăn và dao kéo,... cần thời gian 1 năm để phân hủy.
Bao bì PHSH khi ủ compost. Bao bì PHSH khi làm compost (“compostable biodegradable materials”) phải thể hiện có thể phân hủy sinh học trong môi trường ủ compost (thường khoảng 12 tuần, ở nhiệt độ hơn 50oC). Compost phải đạt tiêu chuẩn chất lượng về hàm lượng kim loại, tính độc hại đối với hệ sinh thái và không có các thành phần còn lại có thể phân biệt được một cách rõ ràng (là sản phẩm của quá trình phân hủy). Vật liệu có khả năng làm compost là một dạng vật liệu có khả năng phân hủy sinh học. Theo ASTM 6400-99, “có khả năng làm compost” (“compostable”) được định nghĩa là “có khả năng phân hủy sinh học trong môi
trường ủ compost mà ởđó nhựa bị chuyển thành CO2, nước, các hợp chất vô cơ và sinh khối ở
tốc độ tương tự như tốc độ phân hủy của các vật liệu làm compost khác (ví dụ như cellulose)”.
Polyme có khả năng phân hủy thủy sinh học – quang sinh học. Các polyme có khả năng phân hủy thủy sinh học và quang sinh học(“hydro-biodegradable and photo-biodegradabe polymers”)
được phân rã theo quá trình 2 giai đoạn. Trong đó, giai đoạn đầu là quá trình thủy phân hoặc phân hủy quang học và giai đoạn 2 là quá trình phân hủy sinh học.
Nhiều loại polyme được gọi là “có khả năng phân hủy sinh học” thực sự là “có khả năng ăn mòn sinh học” (“bio-erodable”) và phân hủy không cần vi sinh vật – ít nhất là trong giai đoạn
đầu. Quá trình này được xem là quá trình phân rã vô tính (abiotic disintegration) và có thể bao gồm cả những quá trình hòa tan vào nước, “nhiệt phân hủy” (lão hóa nhiệt) hoặc “quang phân hủy” (lão hóa do UV).
Sự phân hủy polyme theo quan điểm của các nhà hóa học. “Sự phân hủy polyme là phản ứng hóa học bẻ gãy những liên kết hóa học mạch chính phân tử polymer, dẫn đến sự giảm phân tử
lượng hoặc khâu mạch, về cơ bản không làm thay đổi thành phần hóa học của phân tử nhưng làm thay đổi tính chất cơ-lý của sản phẩm… Phụ thuộc vào bản chất những tác nhân gây ra sự
phân hủy, người ta chia sự phân hủy thành: phân hủy hóa học và phân hủy vật lý. Phân hủy hóa học là sự phân hủy dưới tác dụng của các tác nhân hóa học như kiềm, acid, nước, rượu, oxy,… Phân hủy vật lý là sự phân hủy dưới tác dụng của các tác nhân vật lý như nhiệt, ánh sáng, bức xạ, cơ năng,…” (Ngô Duy Cường, 2004 : 107).
Trong phạm vi của báo cáo này, những loại bao bì nào có thể phân hủy thành CO2, nước, các hợp chất vô cơ và sinh khối trong điều kiện ủ compost, trong môi trường bãi chôn lấp hoặc trong môi trường được tạo điều kiện tối ưu,… được xem là bao bì PHSH và là dạng
bao bì thân thiện môi trường.
Một Số Định Nghĩa
“Có khả năng phân hủy” (“degradable”)
Một loại vật liệu được gọi là có khả năng phân hủy trong những điều kiện môi trường nhất định nếu vật liệu đó phân hủy ở một mức độ nhất định trong một khoảng thời gian cho trước và đo được bằng những phương pháp phân tích tiêu chuẩn.
“Quá trình phân hủy” (“Degradation”)
Quá trình phân hủy là quá trình không thuận nghịch dẫn đến sự biến đổi đáng kể cấu trúc vật liệu,
được đặc trưng chủ yếu bởi sự thay đổi tính chất (ví dụ tính nguyên vẹn, phân tử lượng, cấu trúc hoặc sức bền cơ học) và/hoặc sự phân rã thành từng mảnh. Quá trình phân hủy chịu ảnh hưởng bởi
điều kiện môi trường và tiếp tục xảy ra theo những giai đoạn khác nhau.
“Quá trình phân rã” (“Disintegration”)
Quá trình phân rã là quá trình phân chia vật liệu thành nhiều miếng nhỏ nhờ cơ chế của quá trình phân hủy.
5.2.2. Các dạng vật liệu polymer có khả năng phân hủy sinh học
Có nhiều loại polyme phân hủy sinh học đã được nghiên cứu, chế tạo và sử dụng, ví dụ
polyhydroxyalkanoates (PHA), polylactic (PLA), polyglycolides (PGA) (Müller và cộng sự, 1997; Kaneeda va cộng sự, 1997; Makino và Hirata, 1997; Serafim và cộng sự, 2003), nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học điều chế từ tinh bột-starch based biopolymer (Lorcks, 1998). Nói chung, các loại polyme phân hủy sinh học chia thành hai loại chính: (1) loại có nguồn gốc tự
nhiên và (2) loại tổng hợp như mô tả tóm tắt trong Hình 5.1. Các nội dung trình bày trong mục này sẽ tập trung minh chứng cho khả năng nghiên cứu, tổng hợp và thực tếứng dụng của những loại polyme trong sản xuất bao bì thân thiện môi trường.
Hình 5.1. Phân loại polyme phân hủy sinh học.
Polyme phân hủy sinh học Tự nhiên Tổng hợp Albumin Collagen Dẫn xuất tinh bột/cellulose Chitin Chitosan Polyanhydride Polyphosphacene Aliphatic polyesters Polyorthoesters
Poly-α-amino acids Polycyano acrylates
Polydioxanone
Poly-α-hydroxy acids
Bio synthetic poly-β- hydroxi acids
Poly-ε-caprolactone
Poly (lactic A)/Poly (glycodic)
5.2.3. Tác động môi trường của bao bì PHSH
Các loại bao bì làm từ vật liệu polymer có khả năng phân hủy sinh học sau khi sử dụng có thể
chế biến làm phân compost hoặc chôn lấp nhưng không tạo ra những tác động gây ô nhiễm môi trường như túi nylon thông thường.
Việc xử lý bao bì PHSH sau sử dụng chỉ cần áp dụng các công nghệ đơn giản, không phát sinh khí thải độc hại. Do thời gian phân hủy trong môi trường tự nhiên ngắn hơn rất nhiều so với túi nylon nên tiết kiệm được diện tích đất sử dụng cho các bãi chôn lấp. Quá trình phân hủy bao bì PHSH trong thiết bị làm compost cho ra sản phẩm cuối là nước, CO2, các chất khoáng và sinh khối, không ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm compost (Simon - 1998). Bao bì PHSH hoàn toàn bị phân hủy trong tự nhiên như các chất thải hữu cơ khác trong thời gian ngắn nên không gây ô nhiễm môi trường. Lượng khí nhà kính phát sinh và mức tiêu hao năng lượng trong sản xuất bao bì PHSH qua đánh giá LCA chỉ bằng 1/3 so với túi nylon thông thường
(Olivier Jolliet – 2003; Richard Murphy-2005). Ưu điểm này rất thỏa mãn tiêu chí của Nghị định thư KYOTO về bảo vệ khí quyển.
Những hạn chế về mặt môi trường của bao bì PHSH cũng cần xem xét đến khả năng gia tăng lượng rác phát sinh tại hộ gia đình khi tỷ lệ tái chế bao bì giảm đi trong thực tế. Bên cạnh đó, những vấn đề liên quan khi ứng dụng bao bì PHSH trong công nghiệp chế biến thực phẩm, an toàn vệ sinh thực phẩm và việc sử dụng các chất phụ gia kỹ thuật, mực in trong sản phẩm bao bì PHSH cũng cần được xem xét. Những yếu tố này có thể kéo theo những tác động bất lợi và phát tán vào môi trường khi phế thải của bao bì PHSH bị phân rã trong môi trường tự nhiên và trong thiết bị xử lý, làm phân compost,…
5.3. TIỀM NĂNG SỬ DỤNG BAO BÌ CÓ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY SINH HỌC THAY THẾ TÚI NYLON THAY THẾ TÚI NYLON
Hiện nay, hầu hết các nước trên thế giới đều đã có những hoạt động nghiên cứu hoặc triển khai
ứng dụng các sản phẩm thân thiện môi trường để khắc phục những vấn đề môi trường do việc sử
dụng túi nylon gây ra, kể cảở những nước công nghiệp phát triển. Tuy nhiên, việc áp dụng một cách hiệu quả giải pháp này phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của mỗi quốc gia. Cũng như bất cứ
loại sản phẩm tiêu dùng nào khác, quá trình nghiên cứu, sản xuât và phổ biến các sản phẩm thay thế túi nylon cũng gặp phải những thách thức và cơ hội để có thể phát triển rộng rãi. Nhưng chính những thách thức và cơ hội này cùng với xu hướng sử dụng những sản phẩm thân thiện môi trường như là một công cụđể khắc phục ô nhiễm môi trường đã tạo ra những tiềm năng hứa hẹn để phát triển một dòng sản phẩm mới phù hợp với xu hướng phát triển bền vững trong tương lai.
Phương pháp tiếp cận và phân tích đánh giá tiềm năng ứng dụng các vật liệu thay thế dựa trên nguyên lý phân tích vòng đời sản phẩm (LCA) sẽ thể hiện một cách tổng quát những yếu tố tạo nên cơ hội và những hạn chế của quá trình triển khai các sản phẩm bao bì thân thiện môi trường trong tương lai. Theo cách đánh giá này, chu trình tồn tại của các sản phẩm thân thiện môi trường (theo khái niệm đã nêu trên) được mô tả theo từng giai đoạn như trong Hình 5.2.
Hình 5.2. Các giai đoạn tồn tại cơ bản trong vòng đời sản phẩm bao bì thân thiện môi trường
5.3.1. Nguyên liệu và công nghệ sản xuất bao bì thân thiện môi trường
Vật liệu chế tạo bao bì PHSH có thểđược khai thác và tổng hợp từ nguồn nguyên liệu tự nhiên không tái sinh (dầu khoáng) như các loại polyesters, PLA, PHA, PHB,… hoặc từ nguyên liệu có khả năng tái sinh (polymer chiết xuất từđộng thực vật) như giấy, chitozan, PLA, PHA, PHB,… Việc thay thế những nguyên liệu có khả năng tái sinh thay vì sử dụng nguồn nguyên liệu khoáng có ý nghĩa rất lớn trong việc bảo tồn các nguồn tài nguyên thiên nhiên không có khả năng tái tạo,
đáp ứng mục tiêu phát triển bền vững. Bên cạnh đó, việc sử dụng các sản phẩm thân thiện môi trường sẽ nâng cao ý thức bảo vệ môi trường của toàn xã hội. Các nghiên cứu và đã ứng dụng thực tếở các nước cho thấy những nguyên liệu tiềm năng được dùng để sản xuất polyme và các dạng bao bì có khả phân hủy sinh học bao gồm:
- Gỗ, các loại thực vật có thể cung cấp xơ cellulose; - Tinh bột khoai tây;
- Tinh bột sắn; - Bột bắp; - Bột ngũ cốc; - Tinh bột sắn và mùn cưa; - Phân bò; - Rong tảo; Thị trường tiêu thụ Nguồn nguyên liệu, khai thác và chế biến Sản xuất các sản phẩm bao bì
Thu gom, phân loại Tái chế
Xử lý
- Một số loại động vật;
- Sinh khối bùn vi sinh vật từ hệ thống xử lý nước thải hoặc các quá trình lên men lactic. Những nguồn nguyên liệu thô kể trên sau khi qua chế biến sẽ cho ra các loại vật liệu dùng trong sản xuất bao bì thân thiện môi trường. Các loại vật liệu này có thể phân loại thành những nhóm chính như sau.
a. Nhóm vật liệu giấy, sợi dệt và gelatin
Nhóm vật liệu này hoàn hoàn phân hủy sinh học và có thể khai thác từ nguồn tự nhiên. Các sản phẩm giấy, sợi dệt có thể sử dụng nguyên liệu từ nguồn xơ cellulose trong tự nhiên như gỗ, bông,… Trong công nghiệp sản xuất bao bì, sản phẩm chế tạo từ nguyên liệu này có độ bền tương đối cao so với màng plastic và được ứng dụng trong công nghiệp từ rất lâu. Tuy nhiên, do cấu trúc xốp và thấm nước nên phạm vi áp dụng phần nào bị hạn chế. Để cải thiện tính chất này phù hợp với mục đích sử dụng, người ta thường sử dụng hỗn hợp (mix) cellulose với một số vật liệu không thấm nước khác hoặc kết hợp cellulose-plastic nhiều lớp. Các sản phẩm màng gelatin sử dụng nguyên liệu chiết xuất từ tế bào động thực vật. Tuy nhiên phạm vi ứng dụng hẹp, chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong công nghiệp bao bì, chủ yếu dùng bao gói thực phẩm chế biến.
b. Nhựa nhiệt dẻo tinh bột (Starch Based Biopolymer Thermoplastic)
Nhựa nhiệt dẻo tinh bột được điều chế từ hỗn hợp tinh bột - nhựa nhiệt dẻo (thermalplastic starches) và polymer có thêm thành phần polymer phân hủy sinh học. Các polymer sử dụng bao gồm aliphatic polyesters, tương tự như polycaprolacton, copolyester từ aliphatic diolin và aliphatic cũng như các acid nhân thơm dicarbon và đặc biệt là các polyesteramides phân hủy sinh học (Lorcks, 1998). Nhựa nhiệt dẻo tinh bột được điều chế từ tác nhân nhựa hóa cùng với tinh bột khô. Khi tinh bột có độ ẩm lớn hơn 5% được nhựa hóa dưới điều kiện áp suất và nhiệt
độ thích hợp sẽ tạo thành dạng tinh bột có cấu trúc bị phá hủy (destructed starch). Quá trình điều chế destructed starch là quá trình thu nhiệt. Trong khi đó, quá trình điều chế tinh bột nhựa nhiệt dẻo là quá trình tỏa nhiệt vì vật liệu thô không chứa nước, tinh bột tinh thểđược đồng nhất hóa và (thông qua quá trình cấp năng lượng cơ học và nhiệt ở nhiệt độ trong khoảng 120-220oC) nấu chảy với vật liệu plastic hóa (ví dụ glycerol, sorbitol), làm giảm nhiệt độ nóng chảy của tinh bột. Nghiên cứu của Salmoral và cộng sự (2000) cho thấy có thểđiều chế plastic phân hủy sinh học từ các loại hạt ngũ cốc với glycerol là tác nhân làm mềm dẻo. Theo nghiên cứu này, hạt ngũ cốc sẽ được nghiền, khử béo bằng phương pháp Soxhlet và nghiền mịn để có thể rây qua sàng có kích thước lỗ 230 ASTM. Tinh bột đã chế biến được lưu trữở 40C trước khi tiến hành pha chế
hỗn hợp chất dẻo.
Theo Nolan-ITU (2002 : 3) “plastics nền tinh bột có khả năng PHSH có chứa từ 10-90% tinh bột. Các polyme nền tinh bột có thểđược điều chế từ bắp, lúa mì và khoai tây. Hàm lượng tinh bột phải vượt quá 60%, quá trình cắt mạch vật liệu mới dễ xảy ra. Vì hàm lượng tinh bột tăng nên polyme trở nên dễ phân hủy sinh học hơn… Khi hàm lượng tinh bột ít hơn 60%, các hạt tinh bột đóng vai trò là các liên kết yếu trong mạng lưới plastic và là những vị trí bị phân hủy sinh học. Nhờ đó làm cho cấu trúc polyme bị phá vỡ thành những đoạn nhỏ hơn. Các loại polyme nền tinh bột có khả năng phân hủy sinh học bao gồm: (1) các sản phẩm nhựa nhiệt dẻo
tinh bột (thermoplastic starch products), (2) hỗn hợp polyester mạch thẳng tổng hợp với tinh bột, (3) hỗn hợp polyester PBS/PBSA với tinh bột và hỗn hợp PVOH với tinh bột”14.
Sản phẩm nhựa nhiệt dẻo tinh bột (thermoplastic starch products)
Plastics có khả năng PHSH dựa trên thành phần nhựa nhiệt dẻo phối trộn với tinh bột (Thermoplastic Starch Biodegradable Plastics – TPS) có hàm lượng tinh bột (amylose) cao hơn 70% và dựa trên thành phần tinh bột thực vật bị gel hóa kết hợp với việc sử dụng dung môi làm mềm dẻo có thể tạo ra các loại vật liệu nhựa nhiệt dẻo có khả năng PHSH tốt. Tinh bột được làm mềm dẻo, phá hủy cấu trúc và/hoặc phối trộn với vật liệu khác để có đặc tính cơ lý hữu dụng.
Điều quan trọng là các hợp chất TPS này có thểđược sử dụng để sản xuất bằng các thiết bị chế
biến nhựa hiện có.
Plastic có hàm lượng tinh bột cao dễ thấm nước và bị tan rã khi tiếp xúc với nước. Điều này có thể khắc phục trong quá trình phối trộn vì tinh bột có các nhóm hydroxyl tự do dễ dàng tham gia các phản ứng acetyl hóa, ester hóa và ete hóa.
TPS có thể được dùng để sản xuất màng mỏng như túi đựng hàng hóa, túi đựng bánh mì, túi
đựng thức ăn tươi, màng phủ trong nông nghiệp.
Hỗn hợp polyester mạch thẳng tổng hợp với tinh bột
Hỗn hợp polyester mạch thẳng tổng hợp có khả năng PHSH và tinh bột thường được sử dụng để
sản xuất các tấm trải hoặc màng chất lượng cao dùng làm bao bì. Khoảng 50% polyester tổng hợp có thểđược thay thế bằng polyme tự nhiên như tinh bột để giảm giá thành. Polyester được