thế giới và ở Việt Nam
1.2.1. Tỡnh hỡnh nghiờn cứu, chế tạo và ứng dụng vật liệu polyme phõn hủy sinh học trờn thế giới học trờn thế giới
Do nhu cầu phỏt triển của kinh tế, xó hội và đặc biệt là vấn đề chăm súc sức khỏe cộng đồng và bảo vệ mụi trường sống, từ những năm 60 đầu những năm 70 của thế kỷ trước, cỏc nhà khoa học trờn thế giới đó bắt đầu tiến hành nghiờn cứu chế tạo và ứng dụng vật liệu polyme phõn hủy sinh học nhằm mục đớch sản xuất cỏc vật liệu cấy ghộp, thay thế cỏc bộ phận trong cơ thể người, cỏc tỏc nhõn mang thuốc,...cho đến cỏc vật dụng thay thế cỏc vật liệu polyme thụng dụng trong cuộc sống hàng ngày (như bao bỡ, tỳi đựng, màng mỏng che phủ đất, vật dụng khuụn đỳc, bầu ươm cõy giống...), nhằm ngăn ngừa ụ nhiễm mụi trường sống [40,149]. Cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu về polyme phõn hủy sinh học được cụng bố đặc biệt nhiều từ những năm 90 của thế kỷ XX trở lại đõy. Vào khoảng những năm 80, trung bỡnh mỗi năm mới cú từ 20 đến 30 bài bỏo và từ 7 - 10 patent, thỡ từ những năm 90 số bài bỏo đó tăng lờn từ 50 bài (năm 1990) đến 1.500 bài (năm 2000) và số patent tăng đến 600. Đến năm 2008 đó cú trờn 7.500 bài bỏo và hơn 2.300 patent được cụng bố [29,40,56] (hỡnh 1.1). Cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu và patent đều xuất phỏt từ những quốc gia phỏt triển như Mỹ, Đức, Phỏp, í, Nhật và một số nước mới phỏt triển như Hàn Quốc, Trung Quốc,...
Mặt khỏc, nhu cầu tiờu thụ vật liệu phõn huỷ sinh học của thế giới ngày càng tăng, ở Mỹ năm 1992 đó tiờu thụ 547.000 tấn polyme tự huỷ, năm 1997 là 1.193.000 tấn, năm 2005 là trờn 3,5 triệu tấn và dự bỏo đến năm 2010 là trờn 5 triệu tấn. Tốc độ phỏt triển lượng polyme tự hủy của chõu Âu tăng ở mức khoảng 9%/năm. Năm 2000, tổng sản lượng nhựa cú khả năng tự phõn hủy ở chõu Âu đạt mức 10 triệu tấn và đó tăng lờn khoảng 15 triệu tấn vào năm 2005 và sẽ trờn 20 triệu tấn vào năm 2010. Ở Nhật Bản mức tiờu thụ sản phẩm polyme phõn hủy sinh học chiếm khoảng 11% tổng toàn bộ polyme sử dụng. Ở Trung Quốc, năm 2000 người ta sử dụng khoảng 2 triệu tấn, năm 2008 tăng lờn 3,5 triệu tấn với ước tớnh sẽ tăng lờn 4,5 triệu tấn vào năm 2010 [147].
19 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 1 2 3 4 5 Số patent Số bài báo
Hỡnh 1.11. Tỡnh hỡnh nghiờn cứu về polyme phõn hủy sinh học từ năm 80 đến nay thụng qua số patent và bài bỏo
Trong vũng 20 năm trở lại đõy, cỏc nhà khoa học trờn thế giới tập trung vào 4 hướng nghiờn đú là:
a. Polyme phõn huỷ sinh học trờn cơ sở polylactic axit (PLA), polyglycolic axit (PGA) và sản phẩm đồng trựng ngưng của chỳng (PLGA).
b. Polyme phõn huỷ sinh học trờn cơ sở polyhydroxyalkanoate (PHA). c. Polyme phõn huỷ sinh học trờn cơ sở polyester mạch thẳng.
d. Polyme phõn huỷ sinh học trờn cơ sở trộn hợp chất dẻo với tinh bột.
Trong đú, hướng nghiờn cứu chế tạo và ứng dụng polyme phõn huỷ sinh học trờn cơ sở PLA, PGA cựng với sản phẩm đồng trựng ngưng (PLGA) của chỳng được tập trung nghiờn cứu nhiều nhất bởi vỡ những vật liệu này cú khả năng ứng dụng rộng rói và nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều cỏc sản phẩm từ PLA, PGA, PLGA [122,142]. Ngoài những vật dụng thường dựng trong đời sống như bao bỡ, tỳi đựng cỏc loại, cỏc đồ dựng (ca, cốc, khay, hộp đựng …) chỉ dựng một lần, người ta cũn sử dụng PLA, PGA, đặc biệt sản phẩm đồng trựng ngưng PLGA để tạo ra hàng loạt cỏc sản phẩm được ứng dụng trong y tế (chỉ khõu y tế, chất gắn xương, cấy ghộp mụ, chất giải phúng thuốc ...) [122]. Ưu điểm nổi trội là, cỏc sản phẩm chế từ PLA, PGA và PLGA rất dễ phõn huỷ trong mụi trường trong khoảng thời gian từ 2 đến 24 thỏng, phõn huỷ đến phõn tử thấp là cỏc monome, khớ cacbonic và nước. Những chất này hoàn toàn thõn thiện với mụi trường [22,29]. Mặt khỏc nguyờn liệu tạo ra chỳng (đặc biệt là PLA) cú nguồn gốc từ thiờn nhiờn như ngũ cốc, tinh bột, lỳa mỡ, mạch, đường. Sau quỏ trỡnh lờn men tạo ra Axit lactic, từ đú thụng qua con đường dime hoỏ và
20
trựng hợp tạo thành PLA. Quỏ trỡnh phõn huỷ của PLA tạo ra cỏc sản phẩm thấp phõn tử cú tớnh hũa hợp với thiờn nhiờn. Như vậy là một quy trỡnh từ thiờn nhiờn tạo ra sản phẩm và từ sản phẩm quay trở lại thiờn nhiờn. Quy trỡnh trờn rất cú ý nghĩa về mặt khoa học và mụi trường [122, 200].
Những cụng trỡnh nghiờn cứu của cỏc nhà khoa học trờn thế giới khụng chỉ tập trung tổng hợp cỏc polyme, copolyme mới cú khả năng phõn hủy sinh học mà trong những năm gần đõy người ta cũn tập trung vào chế tạo những vật liệu polyme blend, polyme nanocompozit cú khả năng phõn hủy sinh học trờn cơ sở cỏc polyme truyền thống như PGA, PLA, PLGA,...[47]. Kết quả nghiờn cứu đó mở ra những khả năng ứng dụng rộng rói trong y-sinh-dược học của loại vật liệu này.
Hiện nay, đó cú rất nhiều sản phẩm thương mại của PLA, PGA và PLGA cũng như cỏc polyme tổng hợp phõn hủy sinh học khỏc đó được thương mại húa như: Nature networkR, VicrylR, DexonR, MaxonR, BondekR, BiofixR, ZoladexR, Eco-plaR, LaceaR ... [40,120]. Song những nghiờn cứu trong lĩnh vực này vẫn đang tiếp tục được phỏt triển mạnh mẽ.
1.2.2. Tỡnh hỡnh nghiờn cứu, chế tạo và ứng dụng polyme phõn hủy sinh học ở Việt Nam
Mặc dầu hướng nghiờn cứu phỏt triển vật liệu polyme phõn hủy sinh học là hướng nghiờn cứu rất mới mẻ trờn thế giới và ở nước ta, nhưng trong những năm qua, đó cú một số cơ sở ( trường, viện) như Trung tõm nghiờn cứu Polyme ( Đại học Bỏch khoa Hà Nội), Viện Hoỏ học cụng nghiệp Việt Nam, Viện Hoỏ học (Viện Khoa học Cụng nghệ Việt Nam) [8], và mới gần đõy nhất là Trung Tõm nghiờn cứu mụi trường và phỏt triển bền vững- trường Đại học KHTN- Đại học Quốc gia Hà Nội... đó tiến hành nghiờn cứu về “ polyme phõn huỷ sinh học”.
Những nghiờn cứu đầu tiờn theo hướng này đó được thực hiện trước hết tập trung vào vật liệu biến tớnh polyetilen bằng tinh bột với cỏc phụ gia tương hợp chủ yếu từ polyetilen maleic húa và cỏc phụ gia khỏc [6,7,9, 10]. Những kết quả trờn bước đầu được triển khai ứng dụng vào thực tế là sản xuất cỏc loại màng phủ, bầu ươm cõy phục vụ cho lĩnh vực nụng, lõm nghiệp, đó mang lại kết quả khả quan. Đỏng chỳ ý trong hướng nghiờn cứu này là nhúm nghiờn cứu tại Viện Húa học Cụng nghiệp Việt Nam, đó bắt đầu nghiờn cứu vật liệu tự hủy từ khoảng trước những năm 2000. Giai đoạn 2001-2003, nhúm tỏc giả này đó thực hiện thành cụng đề tài cấp Nhà nước (Mó
21
số KC. 02.09), đó chế tạo màng mỏng tự hủy trờn cơ sở LDPE với tinh bột sắn, cú sự tham gia của cỏc chất trợ phõn tỏn, trợ tương hợp, cỏc loại phụ gia quang húa, oxy húa, phụ gia phõn hủy,... Những kết quả nghiờn cứu khụng chỉ đăng tải trong một số cụng trỡnh trờn cỏc tạp chớ và hội nghị khoa học chuyờn ngành [9,11,13] mà cũn chế tạo ra cỏc loại màng tự phõn hủy và triển khai ứng dụng thử để trồng Lạc, trồng Ngụ tại nụng trường Thanh Hà và trồng bụng tại một số địa phương ở Ninh Thuận bước đầu cho kết quả tốt. Hiện tại cụng nghệ đang được chào bỏn rộng rói.
Từ khoảng 5 năm trở lại đõy, song song với việc tiếp tục hoàn thiện, triển khai ứng dụng cỏc kết quả nghiờn cứu về vật liệu phõn hủy sinh học trờn cơ sở polyme-blend tinh bột với PE, một số cơ sở trường, viện... đó tập trung nghiờn cứu chế tạo cỏc loại polyme phõn hủy sinh học trờn cơ sở axit lactic từ cỏc sản phẩm nụng nghiệp Việt Nam như trường ĐHBK Hà nội, Viện Húa học Cụng nghiệp Việt Nam vv... Viện KH&CN Việt Nam. Nhúm cỏn bộ nghiờn cứu tại ĐHBK Hà nội đó nghiờn cứu chế tạo polyme-blend trờn cơ sở polylactic với tinh bột và thấy rằng: ở tỷ lệ 80/20 vật liệu cú tớnh chất tốt nhất, cú khả năng phõn hủy nhanh trong mụi trường đất trồng trọt song tớnh năng cơ lý cũn thấp. Ngoài ra, nhúm nghiờn cứu tại Trung tõm Nghiờn cứu mụi trường và phỏt triển bền vững -Trường ĐHKHTN, ĐHQGHN cũng tổ chức nghiờn cứu chế tạo polyme cú khả năng phõn hủy sinh học trờn cơ sở axit L-lactic hoặc nhúm nghiờn cứu tại Phõn Viện khoa học Vật liệu tại Thành phố Hồ Chớ Minh - thuộc Viện KH&CN Việt Nam cũng đang cú những nghiờn cứu theo hướng này.