I. Tổng quan vật liệu từ bã tảo tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật HCM 2025
Ô nhiễm rác thải nhựa dùng một lần đang đe dọa nghiêm trọng hệ sinh thái toàn cầu. Nhựa tổng hợp mất hàng trăm năm để phân hủy tự nhiên. Chúng phân rã thành vi nhựa độc hại và gây tổn hại môi trường. Năm 2025, nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã phát triển đề tài vật liệu composite từ bã tảo. Đề tài do PGS. TS. Hoàng Thị Tuyết Nhung hướng dẫn trực tiếp. Nghiên cứu hướng đến việc tận dụng nguồn phụ phẩm bã tảo dồi dào sau quá trình chiết xuất sinh học. Bã tảo chứa hàm lượng chất xơ và polysaccharide cao. Đây là nguồn tài nguyên tái tạo giá trị lớn cho ngành vật liệu sinh học. Việc chuyển hóa nguồn phế phẩm này thành vật liệu thay thế nhựa mang lại lợi ích kép. Giải pháp vừa giải quyết bài toán xử lý chất thải hữu cơ, vừa tạo ra sản phẩm tiêu dùng thân thiện môi trường. Sản phẩm có khả năng tự phân hủy trong điều kiện tự nhiên. Quy trình chế tạo tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước. Đây là bước tiến quan trọng thúc đẩy mô hình kinh tế tuần hoàn tại Việt Nam.
1.1. Bối cảnh nghiên cứu vật liệu sinh học tại HCMUTE
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn tiên phong nghiên cứu giải pháp xanh. Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm tập trung phát triển vật liệu tái tạo. Sinh viên Nguyễn Minh Hiếu và Mai Ngọc Anh Thư thực hiện đề tài tốt nghiệp từ cuối năm 2024 đến giữa năm 2025. Mục tiêu trọng tâm là chế tạo vật liệu phân hủy sinh học từ bã tảo biển. Vật liệu mới nhằm thay thế các loại khay, đĩa nhựa dùng một lần. Xu hướng này phù hợp với chiến lược giảm phát thải rác thải nhựa của quốc gia. Nhóm nghiên cứu kết hợp kiến thức kỹ thuật môi trường và công nghệ polyme sinh học để giải quyết vấn đề thực tiễn cấp bách.
1.2. Tiềm năng ứng dụng sinh khối bã tảo phế phẩm
Bã tảo là phế phẩm sau quá trình chiết xuất tinh chất tảo trong công nghiệp thực phẩm và mỹ phẩm. Khối lượng phế phẩm này thường bị loại bỏ ra môi trường gây lãng phí lớn. Cấu trúc sinh học của bã tảo chứa nhiều sợi cellulose, protein và khoáng chất tự nhiên. Thành phần này đóng vai trò chất gia cường cơ học xuất sắc khi phối trộn làm composite. Bã tảo có khả năng tương thích tốt với chất kết dính tinh bột và chất hóa dẻo. Nguồn nguyên liệu này có giá thành thấp, dễ thu gom và không cạnh tranh với nguồn lương thực. Tái chế bã tảo mở ra hướng đi bền vững cho ngành sản xuất bao bì sinh học.
II. Phân tích yếu tố ảnh hưởng chất lượng vật liệu từ bã tảo sinh học
Chất lượng vật liệu composite sinh học phụ thuộc trực tiếp vào các thông số gia công cơ nhiệt. Quá trình ép nóng yêu cầu kiểm soát chính xác nhiệt độ, áp lực và thời gian ép. Nếu nhiệt độ ép quá thấp, tinh bột không thể hồ hóa hoàn toàn để tạo liên kết mạng lưới. Ngược lại, nhiệt độ quá cao làm cháy sợi bã tảo và suy giảm cơ tính nghiêm trọng. Áp lực ép quyết định độ nén chặt và mật độ phân tử của tấm mẫu. Lực ép không đủ sẽ tạo ra nhiều bọt khí và khe hở bên trong cấu trúc. Hiện tượng này làm tăng độ xốp và giảm độ cứng cơ học của sản phẩm. Thời gian ép đóng vai trò làm ổn định cấu trúc liên kết nội phân tử. Thời gian quá ngắn khiến khối vật liệu chưa kịp định hình đồng đều. Ngoài ra, hàm lượng chất hóa dẻo glycerol ảnh hưởng trực tiếp đến độ giòn và độ dẻo. Thiếu glycerol làm tấm composite giòn gãy khi uốn cong. Dư thừa glycerol lại khiến mẫu bị mềm nhũn và tăng khả năng hút ẩm từ không khí.
2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp lực gia công ép
Nhiệt độ gia nhiệt kích hoạt quá trình nóng chảy và gelatin hóa tinh bột trong chất nền keo. Khi nhiệt độ đạt mức tối ưu, hỗn hợp bột bã tảo và chất kết dính hòa quyện hoàn hảo. Liên kết hydro giữa chuỗi polymer sinh học được hình thành chặt chẽ. Áp lực nén ép đóng vai trò loại bỏ không khí dư thừa giữa các hạt bột bã tảo. Lực ép cao giúp tăng diện tích tiếp xúc liên kết bề mặt giữa các phân tử. Điều này làm tăng độ bền uốn và hạn chế biến dạng cơ học của sản phẩm cuối. Tuy nhiên áp lực ép vượt ngưỡng có thể gây nứt gãy vi mô cấu trúc composite. Nghiên cứu thực nghiệm giúp xác định vùng thông số ép an toàn nhất.
2.2. Tác động của phụ gia glycerol và chất kết dính
Chất hóa dẻo glycerol giữ vai trò then chốt trong việc điều chỉnh tính linh hoạt của chuỗi polymer. Phân tử glycerol nhỏ bé chèn vào giữa các chuỗi đại phân tử tinh bột và protein tảo. Cơ chế này làm giảm lực liên kết nội tại và tăng khoảng trống tự do giữa các mạch phân tử. Nhờ đó, tấm vật liệu composite có độ dẻo dai cao và không bị nứt vỡ khi tạo hình. Ngoài ra, thành phần keo sinh học phối trộn từ tinh bột bắp và bột mì đóng vai trò chất nền kết dính. Tỷ lệ phối trộn keo quyết định tính đồng nhất và độ bền liên kết pha trong khối composite. Kiểm soát chính xác lượng glycerol giúp vật liệu cân bằng giữa độ cứng và độ đàn hồi.
III. Tối ưu phương pháp ép nhiệt chế tạo vật liệu từ bã tảo bằng RSM
Nghiên cứu ứng dụng phương pháp bề mặt đáp ứng RSM để giải quyết bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu. Nhóm tác giả sử dụng phần mềm chuyên dụng Design-Expert 13 để thiết kế ma trận thực nghiệm. Phương pháp này giúp giảm thiểu số lượng mẫu thử nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy khoa học cao. Quy trình thực nghiệm khảo sát đồng thời ba yếu tố chính gồm nhiệt độ ép, thời gian ép và lực ép. Các đáp ứng mục tiêu bao gồm độ dày tấm mẫu, khối lượng riêng, độ cứng và độ dẻo cơ học. Thuật toán phân tích phương sai ANOVA được sử dụng để đánh giá mức độ tương quan của mô hình hồi quy bậc hai. Kết quả tối ưu xác định vùng điều kiện ép nhiệt lý tưởng nhất. Vật liệu đạt sự liên kết bền chặt giữa các pha mà không làm thoái hóa cấu trúc sinh học. Giải pháp ép nhiệt có khả năng ứng dụng thực tế cao trên quy mô bán công nghiệp.
3.1. Thiết kế thực nghiệm với phần mềm Design Expert
Phần mềm Design-Expert 13 hỗ trợ xây dựng mô hình thực nghiệm trực giao khoa học. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm RSM phân tích sâu sắc tác động tương hỗ giữa các biến số độc lập. Các thông số nhiệt độ, áp suất nén và thời gian được tinh chỉnh theo từng bậc giá trị. Đồ thị bề mặt đáp ứng không gian ba chiều giúp trực quan hóa mối quan hệ giữa yếu tố công nghệ và cơ tính mẫu. Mô hình toán học dự đoán chính xác sự biến thiên của độ bền kéo uốn và khối lượng riêng. Nhờ đó, quá trình nghiên cứu tiết kiệm đáng kể thời gian, hóa chất và chi phí thử nghiệm. Giải pháp này đảm bảo tính lặp lại và độ chuẩn xác của kết quả thực nghiệm.
3.2. Cải thiện tính kháng nước bằng màng phủ sinh học Chitosan
Vật liệu composite từ gốc tinh bột và sinh khối tảo thường có nhược điểm háo nước. Khả năng kháng ẩm tự nhiên của vật liệu khá yếu khi tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng. Để giải quyết hạn chế này, nghiên cứu áp dụng kỹ thuật phủ màng bảo vệ bằng dung dịch Chitosan sinh học. Chitosan là polyme tự nhiên có nguồn gốc từ vỏ tôm cua giáp xác. Màng Chitosan tạo ra lớp rào cản kỵ nước bao bọc bề mặt composite. Các hạt nước không thể thấm sâu vào bên trong liên kết mao dẫn. Kết quả đo kiểm cho thấy độ thấm nước của sản phẩm giảm đi rõ rệt sau khi phủ màng. Độ bền cấu trúc trong môi trường ẩm ướt được nâng cao đáng kể.
IV. Đánh giá tính năng và ứng dụng thực tiễn của vật liệu từ bã tảo
Kết quả nghiên cứu tại HCMUTE khẳng định tính khả thi vượt trội của vật liệu composite từ bã tảo. Mẫu vật liệu hoàn thiện sở hữu độ cứng cơ học cao và độ uốn dẻo đạt tiêu chuẩn kỹ thuật. Đặc biệt, sản phẩm có khả năng tự phân hủy hoàn toàn trong môi trường đất mà không giải phóng hạt vi nhựa. Tốc độ phân hủy sinh học diễn ra nhanh chóng dưới tác động của vi sinh vật tự nhiên. Nghiên cứu cũng chứng minh khả năng thu hồi và tái sử dụng nguyên liệu sau khi ép. Bột bã tảo sau chu kỳ sử dụng có thể tái nghiền và ép lại thành sản phẩm mới. Tính chất cơ lý của mẫu tái sinh vẫn duy trì ở mức ổn định ấn tượng. Vật liệu mở ra tiềm năng sản xuất các loại khay thực phẩm, muỗng nĩa dùng một lần và chậu ươm cây nông nghiệp. Đây là giải pháp thay thế hoàn hảo cho các sản phẩm nhựa dùng một lần từ dầu mỏ. Đề tài đóng góp thiết thực cho mục tiêu phát triển kinh tế xanh bền vững.
4.1. Khả năng tự phân hủy sinh học và tính an toàn môi trường
Khác với nhựa truyền thống, vật liệu composite bã tảo phân rã nhanh trong môi trường tự nhiên. Các thử nghiệm chôn lấp thực tế chứng minh khối lượng mẫu giảm dần theo thời gian. Vi sinh vật đất tiết ra enzyme phân cắt liên kết glycoside trong tinh bột và cấu trúc bã tảo. Sau chu kỳ phân hủy hoàn toàn, vật liệu chuyển hóa thành mùn hữu cơ, nước và khí carbon dioxide. Quá trình này không để lại bất kỳ dư lượng hóa chất độc hại hay vi nhựa nào trong đất. Đất sau quá trình chôn lấp còn được bổ sung dưỡng chất hữu cơ từ sinh khối tảo. Đây là tiêu chí vàng đối với bao bì sinh học tự hủy thân thiện môi trường.
4.2. Khả năng tái chế tuần hoàn và thay thế nhựa một lần
Nghiên cứu mở ra tiềm năng thương mại hóa mạnh mẽ cho dòng sản phẩm bao bì xanh. Khả năng tái sử dụng bã thải sau khi ép một lần là điểm sáng nổi bật của đề tài. Vật liệu sau khi loại bỏ có thể thu gom, nghiền nhỏ và tái ép nhiệt mà vẫn bảo toàn độ bền cơ học. Đặc tính tái chế khép kín giúp tiết kiệm nguyên liệu đầu vào và giảm chi phí vận hành sản xuất. Sản phẩm ứng dụng trực tiếp làm khay đựng thức ăn nhanh, đĩa sinh học và dụng cụ ăn uống dùng một lần. Doanh nghiệp bao bì có thể tiếp cận công nghệ này để chuyển đổi dây chuyền sản xuất xanh, góp phần bảo vệ hành tinh xanh trước thách thức rác thải nhựa.
