CHƯƠNG 1.1 Polymer phân hủy sinh học 1.1 Giới thiệu chung Các ngành công nghip sn xut các sn phm cht d c nhiu s chú ý. Nhng sn ph thành mt phn quan trng trong li sng hi i, rt nhiu sn phm hi c sn xut mt phn hoc hoàn toàn t các sn phm cht do do chúng có tính cht tt, d gia công và chi phí sn xut thp. Ngành sn xut nhng vt liu t cht dng mt cách mnh m trong sun ti sng sn xu t mu tn [1]. Nhng sn phm t nha truyn thng rt bn và khó b phân hy b ng xung quanh.
Nhng polymer này phi mt ti có th phân h u ki ng thông ng. Rác thi nha t nhng polymer có ngun gc du m không có kh y sinh hc chim t tr trong cht thi r, và bao bì là mt trong s nhng loi rác thi d nhn thy nht. Trong s ng sn phm bao bì t polyethylene (PE) là nhng sn phm có ngun gc du m c s dng rng rãi do có nhng tính chc tt, tính tin li cao và giá thành r. T nhn thy rng: nhng sn phm t nha tng hp không có kh y sinh hng xu tng t nhiên và là thách thc lh vc qun lý cht thi.
Trong nh nhà nghiên c u s n vic nghiên cu phát trin các polymer phân hy sinh hc vi m cho nhng vt liu polymer truyn th hn ch s ph thuc vào ngun nguyên liu hóa thch, làm ging xu tng [2]. Các polymer phân hy sinh hc sn xu ngun nguyên liu tái to và có chi phí sn xut thng là xu ng phát tric hu ht các quc gia tp trung nghiên cu. Theo hi tiêu chun th nghim và vt liu M (ASTM D5488-84d), thut ng phân hy sinh hc là kh xy ra phân hy thành CO2 c, các hp ch c sinh kh ch o ng ca enzyme, ca vi sinh v c bng các th nghim chun trong mt thnh phu kin phân hy. Thut ng nha phân hy sinh h t s tiêu chun quc t - Theo ASTM D20-96: nha phân hy sinh h t c cacbon h c chuyn thành sinh khc khí mê-tan thông qua ho ng ca các vi sinh vt t n và nm, trong khong thi gian phù hp vu ki - Theo Japanese Biodegradable Plastics Society: nha phân hy sinh hc là vt liu polyme có th bic thành các hp cht có trng phân t tht mc trong quá trình phân hy là s i cht có s hin din ca các sinh vt t nhiên.
2 - Theo ISO 472: nha phân hy sinh hc là loi nha khi tri qua mt s thay v cu trúc hóa hu king c th dn mt hoc có th mt s c tính. S i cu trúc hóa hc là kt qu hong ca các vi sinh vt t nhiên. - Theo H ng Châu Âu v tiêu chun hóa (CEN): Nha phân hy sinh hc là mt vt liu phân hu suy thoái x ng ca vi sinh vt phân hc mêtan và sinh khi.2 Phân loại Các polymer phân hy sinh hc có th c sp xp theo thành phn hóa hc, theo p ng h ng dng, tm quan trng v kinh t,. Mi cách phân loi li cung cp nhng thông tin khác nhau v chúng.
a theo ngun gc, có th phân loi chúng thành hai nhóm chính: polymer thiên nhiên và polymer tng hp [3]. Polymer phân hy sinh hc có ngun gc thiên nhiên là nhng polymer c hình thành trong t nhiên trong quá trình phát trin ca tát c các sinh vt. Quá trình tng hp cng là phn ng trùng hp chui ca các monomer hong xi s xúc tác ca các enzymec hình thành trong các t bào bi các quá trìni cht phc tp.1 Phân loi polymer phân hy sinh hc [4] 3 1.3 Quá trình phân hủy polymer Nhìn chung, polymer phân hy sinh hc b phá v hình thành nên khí, hp cht mui và sinh khi. Phân hy sinh hc mt cách hoàn toàn xy ra khi không còn tn ti các oligomer hoc monomer.
Mc dù phân hy sinh h phân hc gây ra bi các ho ng sinh h c bit là các ho ng ca enzyme), tuy nhiên, nó ng x ng thi hoc thm chí kh u t s phân hy phi sinh hc chng ht s ch quan trng trong quá trình phân hy polymer. Mt s ng ln các polymer có th b thy phân, chng h polyester, polyanhydride, polyamide, polyamide, polycarbonate, polyurethane, polyurea, polyacetal và polyorthoester. Nh h thy phân c xem xét mt cách rng rãi, không ch th i vi mch chính, mà còn thy phân các nhóm chc. Các yu t cn thi xúc tác phn ng chng hng có mt trong hu ht các ng.
Không giy enzymet liu phân hy dn t b mt vào trong lòng vt liu (ch yu là do các phân t enzyme không th khuch tán vào trong lòng vt liu), quá trình thy phân hóa hc ca vt liu rn có th din ra trên toàn b mt ct ngang, ngoi tr mt s polymer rt k c [5]. Mt s yu t chính ng ti quá trình phân hy phi sinh hc [6]: - Loi liên kt hóa hc - pH cng - Nhi - Thành phn copolymer - Kh p th c ca vt liu 1. Có nhi phân hy kt hp v phân hy polymer trong ng t phân hy vi sinh vt có th din ra thông qua hot ng ca các enzyme hoc các sn phm ph (chng hc peroxide) c tit ra b các vi sinh vt (vi khun, nm men, n vt có th tiêu hóa các polymer và gây ra quá trình lão hóa bi các yu t c, hóa hc hoc enzyme [5]. Các vi sinh vn và nm có liên quan ti s phân hy ca c nhng polymer thiên nhiên và polymer tng hp.
S phân hy sinh hc ca nha xy ra mnh m u king khác nhau tùy theo tính cht ca chúng, bi vì mi sinh vt chu trách nhim cho quá trình phân hy khác nhau và chúng có nhu kin phát trin tt. Polymer là nhng cht nn ting vi sinh vt d ng. Phân hy sinh hc b chi phi bi các yêu t t ca polymer, loi vi sinh vt. Tính cht ca polymer chng h kt tinh, trnng phân t, loi nhóm chc có mt 4 trong cu trúc phân t, cht hóa do hoc ph ng trong quá trình phân hy ca nó.
Trong quá trình phân hy c u tiên, nh c chuyn hóa thành nhng monomerng monomer này b khoáng hóa. Hu ht polymer là quá l có th c tiên chúng ph c depolymer hóa thành nhng monomer nh c khi chúng có th c hp th và phân hy sinh hc trong các t bào ca vi khun. S phân hu ca polymer có th xy ra do các quá trình vt lý hoc sinh hc. Quá trình vt lý, chng hg hot/sy khô, có th gây ra nhng phá h c chng h hng vt nt ca vt liu polymer.
S phát trin ca n gây ra s và nt v quy mô nh khi nm thâm nhp vào nhng nn polymer rn. Polymer tng hp chng h depolymer hóa bi nhng enzyme ca vi sinh vc hp th vào các t bào vi sinh vt và b phân hy sinh hc. Thy phân phi sinh hc là phn ng quan trng nh b u quá trình phân hy trong môi trng ca nhng polymer tng h polycarboxylate, poly(ethylene terephthalate) (PET), polylactic axit (PLA) và nhng coplymer c-glutamic axit) và poly dimethyl siloxan hoc silicone. Nhìn chung, khng phân t ln s làm gim kh ng phân hy sinh hc bi vi sinh v c li, nhng monomer, dimer và oligomer ca nhng mt xích trong polymer li rt d phân hy và khoáng hóa.
Khng phân t cao làm gim mnh kh n li cho s tn công ca nhng vi sinh vt vì vi sinh vi nhng cht nn phc ng hóa qua màng t y bi nhng enzyme ca t bào. Ít nht hai loi enzyme có liên quan ti quá trình phân hy ca polymer: depolymerase ni bào và ngoi bào. Trong quá trình phân hy, các enzyme t vi sinh vt phá v nhng cu trúc phc tp c c nhng phân t nh ng h nh có th t qua màng t bào vi khuc s dng làm ngun cacbon và ngung. Khi sn phm cui cùng là CO2, H2O hoc CH 4, s phân hc gu quan trng c trình phân hy polymer hic ti 100%, nguyên nhân là do mt phn nh polymer s kt hp vi sinh khi vi sinh vt, mùn hvà các sn phm t nhiên khác.
Các nhóm vi sinh vt chi ng phân hy polymer nh b u ki ng. Khi có mt oxy, nhng vi sinh vt hiu khí ch yu là nguyên nhân gây ra phá hy nhng vt liu phc tp vi sn phm cui là CO2, H 2O và sinh khi vi sinh vu kin không có oxy, nhng nhóm vi sinh vt k khí chu trách nhim cho quá trình phân hy polymer. Sn phm chính ng hp phân hy k khí s là CO 2, CH4, H2O và sinh khi vi sinh [7].4 Ứng dụng của polymer phân hủy sinh học Polymer phân hy sinh hc c ng dng ch yu trong các c: y hc, nông nghip và bao bì thc phm vi nhiu sn phi hóa. Do có tính chuyên dng và giá tr ng ng dng ca polymer phân hy sinh hc c y hc phát trit tri các c còn li.
Polymer phân hy sinh hc có ngun gc tng h s chú ý cho các ng dng trong các thit b y t. Các tiêu chí chung ca vt liu c s dng cho các thit b y t bao gm các tính chc và thi gian phân hy phù hp vi tng m s dng. Ngoài ra, vt liu này không c hoc gây ra các phn ng min dc chuyn hóa m v [8]. Polymer phân hy sinh h c th nghim làm mô cy trong phu thut mch máu và chnh hình, làm mô n gii phóng thuc mt cách có ki c xp vào nhóm vt liu sinh hc.
Thut ng vt liu sinh hc s d ch nhng vt liu s dng trong y hc và có kh inh hc vi vt ch.