Đặt vấn đề Nhựa là hợp chất cao phân tử, thành phần chủ yếu là các polymer hữu cơ, được ứng dụng nhiều để làm vật liệu sản xuất đồ dùng hàng ngày như bao bì, hộp đựng, chai nhựa. Các loại nhựa truyền thống mà con người thường sử dụng là Polyethylene (PE), Polypropylene (PP), Polyvinylchloride (PVC), Polycarbonat (PC), Polyethylene terephthalate (PET). Năm 1835, Henri Regnault đã tổng hợp được vinyl chloride (VC), nguyên liệu chính để tổng hợp Polyvinylchloride (PVC) và đây là nhựa nhân tạo lần đầu tiên xuất hiện trong lịch sử [15]. Nhựa có đặc tính bền, mỏng nhẹ, bền va đập, màu sắc đa dạng nhưng lại khó phân hủy và tái chế, cần phải mất từ 400-1.000 năm nếu chôn dưới lòng đất.
Với quy mô toàn cầu, con số này lên tới hàng tỷ năm. Theo Chương trình Môi trường Liên hợp quốc năm 2018, cứ mỗi phút thế giới tiêu thụ 1 triệu chai nhựa, mỗi năm có 500 tỷ túi nilon được sử dụng. Trong 50 năm qua, lượng nhựa được dùng đã tăng gấp 20 lần và dự kiến sẽ tăng gấp đôi trong 20 năm tới. Thông thường nhựa được xử lí bằng cách đốt cháy hoặc được chôn dưới lòng đất hoặc bị ném vô tội vạ xuống đường, đồng ruộng, sông ngòi, biển cả.
Riêng ở Việt Nam, mỗi ngày có khoảng 2.500 tấn rác nhựa được thải ra môi trường, gây ô nhiễm nghiêm trọng. Do đó cần phải tìm kiếm những polymer khác thân thiện hơn với môi trường, mà Polylactic Acid (PLA) là một trong những polymer phân hủy sinh học sản xuất từ nguyên liệu tái sinh đang được quan tâm nhiều nhất [1]. Tại Việt Nam, việc sản xuất PLA còn gặp nhiều hạn chế như lactic acid (LA) để tổng hợp PLA chủ yếu được thu mua từ nước ngoài với giá thành khá cao, cơ tính PLA vẫn cần được cải thiện. Mặc dù quá trình sản xuất lactic acid và PLA được nhiều người biết đến, nhưng rất ít quy trình đã được thương mại hóa và chi phí để sản xuất PLA không thể cạnh tranh được so với loại nhựa tổng hợp.
Chính vì vậy, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp màng polylatic acid từ tinh bột lên men” với mong muốn mang lại giá trị thiết thực về mặt kinh tế và đồng thời góp phần bảo vệ môi trường sống của chúng ta [2,3]. Tình hình nghiên cứu về polymer phân hủy sinh học trên thế giới và ở Việt Nam a. Tình hình nghiên cứu polymer phân hủy sinh học trên thế giới H. Dave và cộng sự đã thử nghiệm mức độ phân hủy sinh học của màng polyethylene mật độ thấp (LDPE) chứa 30% tinh bột.
Kết quả cho thấy khối lượng mẫu giảm 6.5% khối lượng của tinh bột khi chôn trong hỗn hợp phân đất sau 48 tuần [16]. Các nghiên cứu gần đây chủ yếu hướng đến sự phát triển của vật liệu bằng cách pha trộn với các polymer phân hủy sinh học khác như chitosan, polycaprolactone và polyethylene. Ogawa và cộng sự đã bắt tay vào nghiên cứu biến tính polyethylene 1 do an (PE) với tinh bột bằng cách sử dụng ethylene acrylic acid (EAA) và polycaprolactone (PCL). Kết quả cho thấy màng thu được phân hủy hơn 80% sau 6 tháng [17].
Gần đây, β hydroxybutyrate (PHB) cũng được các nhà khoa học quan tâm, PHB được sản xuất bằng phương pháp lên men cung cấp nguồn carbon cho vi khuẩn để chế tạo các copolymer khác nhau và vật liệu thu được có tính chất cơ học khác nhau. PHB giảm cấp trong điều kiện yếm khí bởi các loài vi sinh vật thuộc Clostridium [18,19]. Nghiên cứu về tổng hợp polylactic acid (PLA) bằng tinh bột ngô đã được tiến hành bởi Jacobsen và cộng sự. PLA pha trộn với các polymer khác như polylactic-co-glycolic (PLGA) để cải thiện tính tương thích sinh học, tăng cường tính ưa nước và tăng tốc độ phân hủy sinh học cũng đã được nghiên cứu bởi Galia và cộng sự [21].
Tình hình nghiên cứu polymer phân hủy sinh học ở Việt Nam Ở Việt nam, các nhà khoa học tại các viện nghiên cứu hoặc các trường đại học cũng đã ít nhiều có những nghiên cứu theo hướng tạo ra các sản phẩm nhựa có đặc tính phân hủy sinh học, đó là: Viện Hóa học và Công nghiệp Việt Nam đã nghiên cứu thành công hỗn hợp LDPE/TPS (vật liệu nhiệt dẻo) được ứng dụng trong lĩnh vực bao bì được phối trộn với TPS nhờ chất tạo cầu polyethylene ghép anhydride maleic (PE-g-AM) [4]. Viện Khoa học Vật liệu Ứng dụng tại thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu polymer tự phân hủy trên cơ sở lactic acid chuyển hoá thành lactide và polylactide. Kết quả cho thấy mẫu polymer có khả năng phân hủy hoàn toàn khi chôn trong đất sau thời gian 30 ngày [3]. Gần đây, viện này cũng đã công bố một số kết quả khảo sát quá trình tổng hợp polyanhydride sucinic trên một số xúc tác khác nhau hay tổng hợp màng polymer composite trên cơ sở polyvinyl alcohol và sợi lignocellulosic [5].
Nhiều nghiên cứu chế tạo polymer phân hủy sinh học (PHSH) theo các hướng khác nhau như nghiên cứu về chitin và chitosan tạo ra các màng bọc dùng trong thực phẩm, nghiên cứu biến tính polymer truyền thống bằng một số acetate kim loại, nghiên cứu cấu trúc của vật liệu nanocomposite PHSH trên cơ sở hỗn hợp tinh bột và polyvinyl alcohol bước đầu cũng đã thu được những kết quả tốt [6,7]. Nhóm tác giả Trần Vĩnh Diệu thuộc Trung tâm nghiên cứu Vật liệu Polymer đã báo cáo tiến hành nghiên cứu chế tạo vật liệu PHSH trên cơ sở nhựa polylactic acid gia cường bằng sợi nứa. Theo đó, sợi nứa được xử lý bằng dung dịch NaOH, sau đó tạo mạt. Vật liệu composite được sản xuất bằng cách sắp xếp xen kẽ các tấm nhựa PLA và mạt nứa, gia nhiệt trong điều kiện tác động lực.
Vật liệu tạo ra có hàm lượng sợi lên đến 40% [8]. 2 do an Ngoài ra còn có một số công trình tổng hợp polymer nhưng nhìn chung chưa đi sâu vào khả năng tự phân hủy và chưa trở thành xu hướng chính trong nghiên cứu [9,10,11]. Động lực và mục tiêu nghiên cứu Trong thời điểm nền công nghệ polymer phát triển như hiện nay, con người vẫn không thể phủ nhận tính tiện dụng của vật liệu bằng nhựa. Vì vậy, chúng ta cần phải tìm ra vật liệu thay thế mới, đó chính là vật liệu PLA từ tinh bột lên men.
Sở dĩ, chúng tôi nghiên cứu về đề tài vì những lý do sau: - Thứ nhất là do vấn đề cần bảo vệ môi trường sống: Phần lớn các sản phẩm từ nhựa nhiệt dẻo (dạng bao bì, túi đựng, sản phẩm định hình khuôn đúc…) cũng phải mất vài chục năm mới phân hủy. Đặc biệt các sản phẩm từ nhựa nhiệt rắn (nhựa Epoxy, polyester không no - PEKN)… hoặc các loại săm lốp ô tô (từ cao su đã lưu hóa…) mất hàng trăm năm mới phân hủy hoặc hoàn toàn không bị phân hủy trong môi trường. Đã có nhiều phương pháp xử lý rác thải nhựa nhưng mỗi phương pháp đều có những hạn chế: Nếu đem chôn lấp không những tốn diện tích mà còn gây ô nhiễm cho nguồn nước và đất; nếu dùng phương pháp đốt cũng rất tốn kém, gây thêm ô nhiễm môi trường do khói bụi và có thể sinh ra chất độc; nếu dùng phương pháp tái sinh thì cũng không thu được sản phẩm có chất lượng cao mà giá thành sản phẩm không phải là thấp. Vì vậy, giải pháp hữu hiệu là nghiên cứu nhằm chế tạo ra vật liệu polymer có khả năng tự phân hủy để tìm nguyên liệu thay thế trong gia công thành bao bì, túi đựng, đồ gia dụng bằng nhựa… khó phân hủy hiện nay, góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường sống [2].
- Thứ hai là do yêu cầu tiến bộ khoa học công nghệ: Khoa học và công nghệ thế giới luôn phát triển không ngừng. Nhiệm vụ của các công trình nghiên cứu là tạo ra nhiều công nghệ mới, sản phẩm mới, phục vụ cho công nghiệp và đời sống xã hội. Vật liệu polymer phân hủy sinh học là một trong những sản phẩm mới của ngành rất cần được nghiên cứu, hoàn thiện và được ứng dụng vào thực tiễn. Đây là một hướng nghiên cứu mới trên thế giới.
Các công trình nghiên cứu mới bắt đầu từ những năm 70 của thế kỷ trước song đã được phát triển mạnh mẽ vào những năm đầu của thế kỷ này. Các sản phẩm mới tạo ra từ hướng nghiên cứu này đã và đang được ứng dụng vào thực tiễn [2]. - Thứ ba là nhu cầu tiêu thụ: Ngày nay, nhu cầu đối với vật liệu polymer phân hủy sinh học trên thế giới ngày một tăng do sức ép về vấn đề bảo vệ môi trường. Các nước công nghiệp phát triển đang phấn đấu thay thế dần đồ dùng từ vât liệu polymer nhiệt dẻo (PE, PP…) bằng vật liệu polymer phân hủy sinh học.
Xu hướng là sẽ phấn đấu thay 30% sản lượng nhựa nhiệt dẻo trong thời gian tới, như vậy nhu cầu ít nhất là 66 triệu tấn/năm trên toàn thế giới. Ở nước ta, chính phủ đã ban hành những nghị định, thông tư về việc giảm thiểu sử dụng túi nilon khó phân hủy, các bộ, ngành đã ban hành những quy định đánh thuế đối với những sản phẩm nhựa không thân thiện môi trường [2]. 3 do an Với những lý do trên, đề tài nghiên cứu mà tôi đang hướng đến với những mục tiêu như sau: - Đề xuất quy trình tạo màng PLA từ tinh bột sắn lên men với giá thành thấp, quy trình dễ thực hiện và không sử dụng hóa chất độc hại nhằm hạn chế ảnh hưởng đến sức khỏe con người trong quá trình chế tạo. - Ứng dụng màng PLA vào nông nghiệp nhằm giảm thiểu tối đa rác thải trong nông nghiệp.
Màng PLA khi được dùng làm màng phủ, bầu ươm cây… chúng sẽ được chôn vào đất và tự phân hủy sinh học sau khi mùa vụ kết thúc. 4 do an CHƯƠNG 2. Giới thiệu về polymer phân hủy sinh học 2. Khái niệm polymer phân hủy sinh học Theo ASTM định nghĩa: Polymer phân hủy sinh học khi được các vi sinh chuyển hóa giải phóng carbon trong chuỗi polymer hình thành carbon dioxide, methane, nước và các hợp chất vô cơ hoặc sinh khối để chúng tham gia tái tạo các phân tử hữu cơ khác [22].
Quá trình phân hủy gồm 3 giai đoạn: phân rã, giảm cấp và hình thành sinh khối, carbon và nước. Trong đó cơ chế áp đảo là tác động của enzyme của vi sinh vật có thể kỵ khí hoặc hiếu khí đo được bằng các thử nghiệm chuẩn trong một thời gian xác định phản ánh điều kiện phân hủy.