Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và ô nhiễm nhựa ngày càng nghiêm trọng, thế giới đang chuyển hướng sang những giải pháp bền vững hơn. Trong số đó, nhựa sinh học đang nổi lên như một lựa chọn đầy hứa hẹn. Nhưng nhựa sinh học thực chất là gì và chúng được tạo ra như thế nào?
Từ những cánh đồng bắp đến phòng thí nghiệm, quá trình tạo ra nhựa sinh học là sự kết hợp giữa sinh học, hóa học và công nghệ. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ khái niệm nhựa sinh học, nguồn nguyên liệu sản xuất và từng bước quy trình chế tạo – dành cho người mới bắt đầu hoặc bất kỳ ai quan tâm đến vật liệu thân thiện môi trường.
Nhựa sinh học là nhựa được làm từ các nguồn tài nguyên tái tạo, chẳng hạn như bột ngô hoặc mía. Không phải tất cả các loại nhựa sinh học đều có thể phân hủy hoàn toàn. Có 3 loại chính: nhựa sinh học gốc sinh học, nhựa tự hủy sinh học và nhựa gốc sinh học có thể phân hủy. Một số loại nhựa sinh học đáp ứng cả hai tiêu chí. Ví dụ, PLA (axit polylactic) vừa có nguồn gốc sinh học vừa có thể phân hủy sinh học, trong khi Bio-PE chỉ có nguồn gốc sinh học nhưng không phân hủy tự nhiên.
Vì nhựa sinh học được tạo ra từ nguồn sinh khối nên chúng có thể dễ dàng phân hủy và tái chế hơn. Nhựa sinh học ít gây hại cho môi trường hơn và dần trở thành loại vật liệu thay thế bền vững cho nhựa truyền thống.
Dù nhiều người cho rằng nhựa sinh học là một phát minh hiện đại, nhưng trên thực tế, loại vật liệu này đã xuất hiện từ thế kỷ 19:
- Vào năm 1856, nhà hóa học người Anh Alexander Parkes đã giới thiệu Parkesine – loại nhựa đầu tiên được làm từ cellulose, mở ra kỷ nguyên vật liệu nhựa có nguồn gốc sinh học.
- Đến năm 1907, Bakelite – loại nhựa tổng hợp đầu tiên từ dầu mỏ – ra đời, đánh dấu bước chuyển quan trọng sang nhựa hóa dầu.
- Tuy nhiên, kể từ thập niên 1990 trở lại đây, các loại nhựa sinh học hiện đại như PLA (polylactic acid) và PHA (polyhydroxyalkanoates) bắt đầu xuất hiện, nhờ vào những tiến bộ trong công nghệ sinh học cùng với áp lực ngày càng tăng về bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
Nhựa sinh học là nhựa được làm từ các nguồn tài nguyên tái tạo.
Các nguyên liệu thô được sử dụng để tạo ra nhựa sinh học sẽ khác nhau tùy thuộc vào loại nhựa sinh học được sản xuất. Một số nguyên liệu thô được sử dụng phổ biến nhất trong quá trình sản xuất nhựa sinh học bao gồm:
Tinh bột ngô là nguyên liệu nổi bật để sản xuất nhựa sinh học gốc sinh học. Tinh bột ngô được chiết xuất từ nội nhũ của hạt ngô và sau đó trộn với glycerol để tạo ra một loạt các loại nhựa sinh học.
|
Ưu điểm |
Nhược điểm |
|
- Tinh bột ngô chiếm hơn 85% lượng tinh bột toàn cầu, điều đó có nghĩa là thành phần này có giá thấp và luôn sẵn có. - Việc sản xuất nhựa sinh học từ tinh bộ rất đơn giản. - Các sản phẩm cuối cùng có hiệu suất cao và khả năng phân huỷ sinh học. |
Nhựa làm từ ngô sẽ chỉ có thể phân huỷ trong cơ sở ủ phân thương mại có môi trường nóng và ẩm |
Một nguyên liệu thực vật khác chính là tinh bột khoai tây. Tinh bột khoai tây là thành phần chính để tạo ra nhiều loại nhựa sinh học, trong đó có axit polylactic (PLA). PLA là một loại nhựa sinh học có khả năng phân hủy sinh học thường được sử dụng trong bao bì thực phẩm.
Tinh bột được chiết xuất từ khoai tây và trộn với các thành phần tự nhiên khác như glycerol và nước. Hỗn hợp này sau đó được làm nóng và đúc thành hình dạng mong muốn.
|
Ưu điểm |
Nhược điểm |
|
- Khoai tây là loại cây trồng phổ biến và bền vững - Nhựa sinh học làm từ tinh bột khoai tây có khả năng phân huỷ sinh học và có thể phân huỷ tự nhiên theo thời gian |
- Quá trình sản xuất có thể tốn kém và tốn nhiều năng lượng - Nhựa sinh học thu được có thể không có độ bền hoặc sức chịu đựng như nhựa truyền thống |
Nhựa nhiệt dẻo làm từ tinh bột chiếm khoảng một nửa thị trường nhựa sinh học. Trong những năm gần đây, mọi người dần chú trọng hơn đến vật liệu tổng hợp nano dựa trên tinh bột cải tiến. Trong quá trình thử nghiệm, những vật liệu nano này đã thể hiện các đặc tính cơ học, nhiệt, kỵ nước và chặn khí đáng chú ý.
Tinh bột khoai tây là thành phần chính để tạo ra nhiều loại nhựa sinh học
Mía là một nguyên liệu phổ biến khác cho nhựa sinh học được làm từ nguồn tài nguyên sinh học. Đầu tiên, mía được thu hoạch và xử lý để chiết xuất đường, sau đó được lên men để tạo ra một loại cồn gọi là ethanol. Ethanol này sau đó có thể được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất nhựa sinh học. Nhựa làm từ mía phù hợp với nhiều loại hàng hóa nhựa khác nhau, từ dụng cụ ăn uống cho đến dụng cụ y tế.
|
Ưu điểm |
Nhược điểm |
|
- Nhựa sinh học từ mía đường có thể được tái chế - Mía còn hấp thụ khí cacbonic - Chất thải của mía đường được gọi là bã mía, được sử dụng để tạo ra điện phục vụ cho quá trình sản xuất nhựa sinh học |
Nhựa sinh học mía đường không thể phân huỷ sinh học hoặc ủ phân hoàn toàn |
Một nguồn sinh khối phổ biến khác cho nhựa sinh học là cellulose. Cellulose là một chất hữu cơ được chiết xuất từ thành tế bào thực vật.
Sau khi chiết xuất, nó sẽ được trộn với các thành phần khác như chất hóa dẻo, chất tạo màu và các chất phụ gia khác để tạo ra nhựa sinh học. Các sản phẩm cuối cùng có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như bao bì, dao kéo dùng một lần và thậm chí cả quần áo thay thế cho nhựa truyền thống.
|
Ưu điểm |
Nhược điểm |
|
- Với sản lượng hàng năm khoảng 180 tỷ tấn, cellulose là thành phần hữu cơ tự nhiên phong phú nhất trên toàn cầu. - Cải thiện tính chất cơ học của nhựa sinh học chẳng hạn như giảm tính thấm nước - Giảm lượng khí thải carbon |
- Sản xuất nhựa sinh học cellulose có thể làm tăng khả năng phú dưỡng và sử dụng đất so với nhựa hoá dầu - Việc chiết xuất cellulose có thể phức tạp và tốn kém |
Tảo và vi khuẩn lam khá phổ biến trong ngành công nghiệp nhựa sinh học nhờ nhu cầu dinh dưỡng thấp, khả năng thu hoạch quanh năm và có thể tồn tại trong môi trường không canh tác được như nước thải.
Nhựa sinh học có nguồn gốc từ tảo vẫn đang trong giai đoạn phát triển ban đầu, nhưng chúng có tiềm năng trở thành một giải pháp thay thế bền vững hơn cho nhựa tiêu chuẩn. Chúng cũng được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm các ứng dụng hiển thị điện tử, bao bì thực phẩm, cho dù là bảo quản tươi hay lâu dài, màng nhà kính, lưới bảo vệ hoặc bao tải trồng trọt.
|
Ưu điểm |
Nhược điểm |
|
Cải thiện khả năng phân huỷ sinh học của nhựa |
Không phải tất cả các chủng tảo đều có thể thích nghi với nhiều loại môi trường |
Polysacarit như chitosan cũng có thể được sử dụng để sản xuất nhựa sinh học. Chitosan có thể được hòa tan trong môi trường axit nhẹ nên thích hợp để sản xuất màng phim.
Các kỹ sư từ Đại học Yale, Đại học Wisconsin và Đại học Maryland gần đây đã phát triển một loại polime sinh học "lignocellulose" từ bột gỗ. Bột gỗ là một loại phế liệu rẻ tiền, phổ biến của các sản phẩm gỗ và có thể dùng làm nền tảng cho loại nhựa sinh học mới.
Quá trình tạo ra nhựa sinh học gồm nhiều bước tùy loại nhựa, nhưng về cơ bản có thể chia thành:
Nguyên liệu (ví dụ: bắp, khoai tây) được thu hoạch, làm sạch và xử lý để chiết xuất đường hoặc tinh bột. Ví dụ như bắp được nghiền thành bột, sau đó enzyme sẽ chuyển tinh bột thành glucose. Giai đoạn này tương tự quy trình trong ngành thực phẩm hoặc sản xuất ethanol sinh học.
Glucose được lên men bởi vi khuẩn để tạo ra axit lactic, tiền chất chính của PLA.
Vi sinh vật như Lactobacillus sẽ lên men đường trong điều kiện kiểm soát để tạo axit lactic. Sau đó, axit này được lọc và chưng cất để tinh chế.
Với PHA, vi khuẩn được “cho ăn” bằng đường hoặc dầu và tích lũy polymer bên trong tế bào.
Axit lactic (hoặc monomer khác) được trùng hợp thành các chuỗi polymer dài – chính là nhựa.
Công nghệ sử dụng:
- Trùng hợp vòng mở (dùng cho PLA)
- Trùng hợp ngưng tụ
- Cần có xúc tác, nhiệt độ và áp suất phù hợp để kiểm soát trọng lượng phân tử và đặc tính polymer.
Kết quả: tạo ra hạt nhựa sinh học (resin) sẵn sàng gia công.
Nhựa sinh học sau khi tạo thành được xử lý như nhựa truyền thống, qua các kỹ thuật như:
- Ép phun (injection molding): tạo muỗng, nắp, hộp
- Đùn (extrusion): tạo màng, bao bì
- Thổi khuôn (blow molding): làm chai lọ rỗng
- In 3D: PLA được dùng phổ biến vì dễ tạo hình và ít mùi
Ở giai đoạn này có thể thêm phụ gia để tăng tính năng như chống UV, kéo dài thời gian bảo quản.
Quá trình tạo ra nhựa sinh học gồm nhiều bước tùy loại nhựa.
Sản xuất nhựa sử dụng tài nguyên sinh học là một giải pháp khả thi để giảm lượng cacbon trong sản xuất nhựa và giải quyết vấn đề rác thải nhựa. Tuy nhiên, theo ước tính của European Bioplastics (2020), chỉ 1% trong số hơn 368 triệu tấn nhựa trên thế giới là nhựa sinh học hoặc có thể phân hủy sinh học.
Các phương pháp sản xuất sản phẩm thay thế dựa trên phụ phẩm nông nghiệp hoặc phế liệu đã có từ khá lâu. Tuy nhiên, chi phí của quy trình sản xuất này vẫn được coi là một trở ngại.
Sản xuất nhựa sử dụng tài nguyên sinh học là một giải pháp khả thi để giảm lượng cacbon trong sản xuất nhựa.
Có một số cách để làm cho nhựa sinh học bền hơn:
- Gia cố bằng sợi tự nhiên: Thêm sợi tự nhiên, chẳng hạn như lanh, gai hoặc tre, có thể làm tăng độ bền của nhựa sinh học. Trong quá trình sản xuất, các nhà sản xuất có thể thêm các sợi này để tạo ra vật liệu composite cứng hơn và bền hơn.
- Tăng tỷ lệ polyme: Nhựa sinh học được làm từ sự kết hợp của polyme tự nhiên và các chất phụ gia khác. Tăng nồng độ polyme tự nhiên, chẳng hạn như cellulose hoặc tinh bột, có thể cải thiện độ bền và độ cứng của sản phẩm cuối cùng.
- Thêm chất hoá dẻo: Chất hóa dẻo là chất được thêm vào nhựa để cải thiện tính linh hoạt và độ bền của chúng. Thêm chất hóa dẻo vào nhựa sinh học có thể làm cho chúng có khả năng chống vỡ hoặc nứt tốt hơn.
- Sửa đổi quy trình sản xuất: Quy trình cũng có thể được sửa đổi để cải thiện độ bền của nhựa sinh học. Ví dụ, việc thay đổi nhiệt độ, áp suất hoặc thời lượng của quy trình sản xuất có thể ảnh hưởng đến các đặc tính của sản phẩm cuối cùng.
Mặt khác, làm thế nào để nhựa sinh học không thấm nước? Các nhà sản xuất có thể thêm chất chống thấm hoặc lớp phủ chống thấm để cải thiện đặc tính chống nước của nhựa sinh học.
Mặc dù nhựa sinh học vẫn có nhược điểm nhưng vẫn có thể cải thiện được. Bằng cách kết hợp các phương pháp này, các nhà nghiên cứu và kỹ sư có thể tạo ra nhựa sinh học không chỉ có độ bền cao mà còn có tính bền vững và có thể phân hủy sinh học. Với những nỗ lực và đổi mới không ngừng, chúng ta có thể khiến thay thế nhựa truyền thống bằng nhựa sinh học và mở đường cho một tương lai có ý thức hơn về bảo vệ môi trường.
Có một số cách để làm cho nhựa sinh học bền hơn
Khi mọi người dần trở nên có ý thức hơn về môi trường, nhu cầu về các sản phẩm thân thiện với môi trường tăng lên và nhựa sinh học đã nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn. Dưới đây là một số sản phẩm phổ biến được làm từ nhựa sinh học:
- Bao bì thực phẩm: túi, hộp đựng và màng.
- Dao kéo và bộ đồ ăn dùng một lần: đồ dùng một lần, cốc và đĩa
- Những chậu cây
- Các túi mua sắm
- Quần áo
- Sợi in 3D
- Đồ chơi
Đây chỉ là một vài ví dụ về các sản phẩm có thể được làm từ nhựa sinh học. Khi công nghệ tiếp tục được cải thiện, ngày càng có nhiều sản phẩm có khả năng được tạo ra bằng nhựa sinh học trong tương lai.
Ngày càng có nhiều sản phẩm có khả năng được tạo ra bằng nhựa sinh học.
