Khi thế giới ngày càng lo ngại về tác động tiêu cực của rác thải nhựa đối với môi trường, nhựa sinh học đã nổi lên như một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho nhựa hóa dầu truyền thống. Nhựa sinh học được từ các nguồn tài nguyên tái tạo và có khả năng phân hủy sinh học, khiến chúng trở thành một lựa chọn bền vững hơn. Tuy nhiên, không phải tất cả các loại nhựa sinh học đều được tạo ra như nhau và có nhiều phương pháp khác nhau để sản xuất các loại nhựa sinh học khác nhau. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá các loại nhựa sinh học khác nhau và các phương pháp được sử dụng để sản xuất chúng.
Nhựa sinh học là một giải pháp thay thế cho nhựa truyền thống được từ nhiên liệu hóa thạch không thể tái tạo. Không giống như nhựa truyền thống được sản xuất từ dầu mỏ, nhựa sinh học được sản xuất từ các nguồn sinh khối tái tạo như mỡ và dầu thực vật, tinh bột ngô, rơm, dăm gỗ, mùn cưa, chất thải thực phẩm đã thu hồi và các vật liệu tương tự khác. Nhiều loại nhựa sinh học thân thiện với môi trường hơn nhưng vẫn có nhiều lợi ích giống như nhựa truyền thống, chẳng hạn như tính linh hoạt và độ bền.
Nhựa sinh học từ tinh bột là một loại nhựa phân hủy sinh học được từ các nguồn tài nguyên tái tạo như ngô, khoai tây và tinh bột sắn.
Nhựa sinh học từ tinh bột được sản xuất bằng cách sử dụng kết hợp tinh bột và chất làm dẻo. Dưới đây là các bước chung liên quan đến sản xuất nhựa sinh học từ tinh bột:
- Lựa chọn nguyên liệu: Nguyên liệu thô được sử dụng trong sản xuất nhựa sinh học từ tinh bột thường là các nguồn tài nguyên tái tạo như ngô, khoai tây và tinh bột sắn.
- Chiết xuất tinh bột: Bước đầu tiên trong quy trình sản xuất bao gồm chiết xuất tinh bột từ nguyên liệu thô đã chọn. Điều này thường được thực hiện bằng cách rửa và tách các hạt tinh bột ra khỏi các thành phần khác của nguyên liệu thô.
- Bổ sung chất làm dẻo: Sau khi tinh bột được chiết xuất, nó được trộn với chất làm dẻo như glycerol hoặc sorbitol. Chất hóa dẻo giúp tăng tính linh hoạt và độ bền của nhựa sinh học.
- Đùn: Hỗn hợp tinh bột và chất làm dẻo sau đó được làm nóng và ép đùn qua khuôn để tạo thành hình dạng mong muốn. Các chất phụ gia khác như nước, bột màu và chất độn cũng có thể được thêm vào hỗn hợp để cải thiện các đặc tính của nhựa sinh học.
- Tạo hình: Nhựa sinh học ép đùn sau đó được tạo hình và tạo hình thành các sản phẩm khác nhau như dao kéo, túi và vật liệu đóng gói.
- Hoàn thiện: Bước cuối cùng liên quan đến việc hoàn thiện sản phẩm nhựa sinh học bằng cách cắt bỏ vật liệu thừa và đánh bóng bề mặt.
Nhựa sinh học từ tinh bột cung cấp một giải pháp thay thế bền vững và thân thiện với môi trường cho nhựa truyền thống, vì chúng được từ các nguồn tài nguyên tái tạo và có thể phân hủy sinh học và có thể ủ phân. Một số ứng dụng là:
- Vật liệu đóng gói (ví dụ: túi, hộp đựng, màng bọc)
- Các mặt hàng dịch vụ ăn uống (ví dụ: dao kéo, đĩa, cốc)
- Các ứng dụng trong nông nghiệp (ví dụ: màng phủ, bầu ươm)
- Dệt may (ví dụ: quần áo, phụ kiện)
- Thiết bị y tế (ví dụ: ống tiêm, găng tay phẫu thuật, ống)
2. Nhựa sinh học gốc cellulose
Nhựa sinh học từ cellulose là một loại nhựa sinh học được từ cellulose, một loại polyme tự nhiên được tìm thấy trong thành tế bào thực vật. Những loại nhựa sinh học này có thể tái tạo và phân hủy sinh học, sau đó trở thành một chất thay thế thân thiện với môi trường cho nhựa truyền thống.
Quy trình sản xuất nhựa sinh học từ cellulose bao gồm các bước sau:
- Chiết xuất cellulose: Chiết xuất cellulose từ các nguồn thực vật như bột gỗ hoặc bông thông qua một quy trình gọi là nghiền thành bột, trong đó nguyên liệu thực vật được phân hủy bằng hóa chất hoặc phương pháp cơ học.
- Hòa tan: Sau khi cellulose được chiết xuất, nó được hòa tan trong dung môi như chất lỏng ion hoặc N-methyl morpholine-N-oxide (NMMO). Quá trình này là cần thiết để phá vỡ cellulose thành các phân tử nhỏ hơn có thể được đúc thành các hình dạng khác nhau.
- Đúc và tạo hình: Cellulose hòa tan sau đó được đúc thành tấm hoặc đúc thành các hình dạng khác nhau bằng các kỹ thuật như ép phun hoặc ép đùn.
- Làm khô và hoàn thiện: Bước cuối cùng bao gồm làm khô nhựa sinh học gốc cellulose và hoàn thiện để đạt được các đặc tính bề mặt mong muốn.
Nhựa sinh học từ cellulose mang lại một số lợi ích so với nhựa truyền thống. Đầu tiên, chúng được từ các nguồn có thể tái tạo, chẳng hạn như cellulose từ thực vật, bền vững hơn so với nhựa từ nhiên liệu hóa thạch. Ngoài ra, nhựa sinh học từ cellulose có thể phân hủy sinh học và có thể ủ phân, nghĩa là chúng có thể bị phân hủy bởi các quá trình tự nhiên và không góp phần gây ô nhiễm môi trường lâu dài.
Nhựa sinh học từ cellulose cũng có lượng khí thải carbon thấp, vì chúng cần ít năng lượng hơn để sản xuất so với nhựa truyền thống. Hơn nữa, nhựa sinh học từ cellulose có thể được tái chế và tái sử dụng, giúp giảm chất thải và thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn.
3. Nhựa sinh học từ protein
Nhựa sinh học từ protein là một loại nhựa sinh học được từ các protein tự nhiên như protein đậu nành, whey protein và zein.
Quy trình sản xuất nhựa sinh học từ protein bao gồm một số bước:
- Chiết xuất: Bước đầu tiên là chiết xuất protein từ các nguồn thực vật hoặc động vật. Điều này có thể được thực hiện thông qua các phương pháp khác nhau như kết tủa, lọc hoặc ly tâm.
- Tinh chế: Sau khi protein được chiết xuất, nó được tinh chế để loại bỏ mọi tạp chất và đảm bảo rằng protein ở dạng tinh khiết nhất.
- Trộn và tạo khuôn: Protein tinh khiết được trộn với các vật liệu tự nhiên khác như tinh bột hoặc xenlulozơ và tạo khuôn thành các dạng và hình dạng khác nhau.
- Hoàn thiện: Bước cuối cùng bao gồm làm khô nhựa sinh học từ protein và hoàn thiện nó để đạt được các đặc tính bề mặt mong muốn.
Lĩnh vực ứng dụng:
- Ngành thực phẩm: Nhà cung cấp chất dinh dưỡng cho cả người và động vật và bao bì thực phẩm
- Hậu cần vận chuyển: Phụ hoặc bảo vệ
- Thay thế cho chất kết dính/chất kết dính hóa học: Thay thế ván dăm và các mặt hàng bán thành phẩm khác, chẳng hạn như những mặt hàng được sử dụng trong tòa nhà triển lãm thương mại.
- Nông nghiệp: Nông nghiệp bao gồm màng phủ, chất kết dính thực vật, kẹp dây leo và kho chứa phân đạm.
- Làm vườn: Giá đỡ, chậu hoa, v.v.
- Lâm nghiệp: Dấu hiệu nhận dạng, ống bảo vệ cho cây non, v.v.
- Dụng cụ đánh cá dùng một lần: như lưới vẹm, kẹp buộc v.v.
- Giải trí: Bắn pháo hoa, đổ đầy hộp đạn săn bắn, v.v.
Những lợi ích của nhựa sinh học từ protein bao gồm tính chất tái tạo và phân hủy sinh học, lượng khí thải carbon thấp và tính linh hoạt của chúng. Chúng cũng không độc hại, an toàn cho thực phẩm và các ứng dụng y tế. Ngoài ra, nhựa sinh học từ protein có thể được tái chế và tái sử dụng, giảm chất thải và thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn.
4. Polyetylen có nguồn gốc sinh học
Polyetylen có nguồn gốc sinh học, thường được gọi là polyetylen tái tạo, là một loại polyetylen được tạo ra từ etanol, được chuyển thành etylen thông qua quá trình khử nước. Nó có thể được sản xuất bằng nhiều loại nguyên liệu, chẳng hạn như hạt lúa mì, củ cải đường và mía.
Quy trình sản xuất polyetylen có nguồn gốc sinh học bao gồm các bước sau:
- Trồng nguyên liệu: Mía hoặc ngô được trồng như một nguồn sinh khối tái tạo. Mía là nguyên liệu phổ biến để sản xuất polyetylen có nguồn gốc sinh học, vì nó chứa hàm lượng sucrose cao, có thể chuyển hóa thành etanol.
- Lên men: Sinh khối được lên men để sản xuất ethanol. Mía hoặc ngô được nghiền nát và trộn với nước để tạo thành nước trái cây, sau đó đun nóng để tạo ra xi-rô. Sau đó, xi-rô được lên men bằng cách sử dụng men để chuyển đổi sucrose thành ethanol.
- Khử nước: Ethanol tinh khiết được khử nước để tạo ra ethylene. Ethanol được tinh chế để loại bỏ bất kỳ tạp chất nào, sau đó khử nước bằng chất xúc tác để tạo ra ethylene.
- Phản ứng trùng hợp: Sau đó, ethylene được trùng hợp để tạo thành polyetylen. Etylen được trùng hợp bằng cách sử dụng chất xúc tác, chất xúc tác này liên kết các phân tử etilen lại với nhau để tạo thành polyme.
- Polyetylen thu được có thể được sử dụng trong các ứng dụng tương tự như polyetylen truyền thống.
Nói tóm lại, polyetylen có nguồn gốc sinh học là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho polyetylen truyền thống vì một tương lai bền vững hơn. Nó giúp giảm lượng khí thải carbon, khả năng phân hủy sinh học, tính linh hoạt và hình ảnh thương hiệu được cải thiện, trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các ngành công nghiệp khác nhau. Với sự tập trung ngày càng tăng vào tính bền vững môi trường, nhu cầu về polyetylen có nguồn gốc sinh học có thể sẽ tăng lên trong tương lai.
5. Aliphatic polyesters
Polyester aliphatic là một polyme chuỗi dài bao gồm các nhóm este lặp lại. Nó có thể bị phân hủy bởi vi khuẩn và các sinh vật sống khác, đó là lý do tại sao nó được coi là một phân tử có thể phân hủy sinh học. Polyester béo thân thiện với môi trường hơn nhiều so với polyester thông thường vì đặc tính này.
Ứng dụng cho các polyme aliphatic bao gồm:
- Tạo điều kiện cho kỹ thuật mô, tạo giàn giáo
- Lắp ráp hệ thống phân phối thuốc
- Tạo thiết bị y tế
- Thực hiện những bước tiến đáng kể trong lĩnh vực công nghệ sinh học và y tế
- Polyester béo được từ nhiều chất tự nhiên khác nhau, bao gồm:
- Lactide: Một este vòng được từ hai hoặc nhiều phân tử axit lactic
- Glycolide: Axit lactic và axit glycolic được đồng trùng hợp để tạo thành glycolide.
- Caprolactone: Một polymer y sinh khác được sử dụng trong kỹ thuật y sinh là caprolactone.
Quy trình sản xuất polyester béo thường bao gồm các bước sau:
- Sản xuất monome: Các monome được sử dụng để tạo ra polyester béo thường được lấy từ các nguồn tài nguyên tái tạo và được sản xuất bằng cách phá vỡ nguyên liệu thô thông qua các quá trình hóa học hoặc enzym.
Phản ứng trùng hợp: Các monome sau đó được trùng hợp hoặc liên kết với nhau, sử dụng chất xúc tác như axit hoặc enzyme.
- Tinh chế: Polyme thu được sau đó được tinh chế để loại bỏ mọi tạp chất hoặc monome không phản ứng bằng các phương pháp như rửa, kết tủa hoặc sắc ký.
- Xử lý: Polyester béo đã tinh chế sau đó có thể được xử lý thành nhiều dạng khác nhau như màng, sợi hoặc các vật đúc bằng phương pháp ép đùn, ép phun hoặc kéo sợi nóng chảy.
- Hậu xử lý: Một số polyester béo có thể yêu cầu xử lý sau bổ sung để tăng cường các đặc tính hoặc chức năng của chúng (ví dụ: thiết lập nhiệt, sửa đổi bề mặt hoặc pha trộn với các vật liệu khác).
6. Nhựa sinh học Polyamide 11
Nhựa sinh học Polyamide 11, còn được gọi là PA 11 hoặc Nylon 11, là một loại polymer có khả năng phân hủy sinh học và từ sinh học có nguồn gốc từ dầu thầu dầu. Nó được phát hiện vào năm 1947 bởi ba nhà khoa học người Pháp từ doanh nghiệp Organico ở Servigny. Xơ làm bằng polyamide 11 lần đầu tiên được sử dụng để tạo ra hàng dệt mỏng. Do chi phí sản xuất cao, chúng đã được thay thế bằng nylon vào những năm 1970.
Việc sản xuất nhựa sinh học PA11 là một quy trình tương đối đơn giản và thân thiện với môi trường, vì nó sử dụng các nguồn tài nguyên tái tạo và tạo ra ít khí thải nhà kính hơn so với nhựa từ hóa dầu truyền thống. Dưới đây là tổng quan ngắn gọn về quy trình sản xuất:
- Chiết xuất dầu thầu dầu: Dầu thầu dầu được chiết xuất từ hạt của cây thầu dầu.
- Tinh chế: Dầu thầu dầu thô được tinh chế để loại bỏ các tạp chất như độ ẩm, axit béo tự do và các chất gây ô nhiễm khác.
- Polyme hóa dầu thầu dầu: Dầu thầu dầu tinh khiết sau đó được polyme hóa để tạo thành nylon-11. Điều này liên quan đến việc kết hợp dầu thầu dầu với chất xúc tác và làm nóng nó ở nhiệt độ cao.
- Tạo hạt nylon-11: Sau đó, nylon-11 được đùn thành dạng viên hoặc hạt, có thể được sử dụng để sản xuất nhiều loại sản phẩm.
- Sản xuất nhựa sinh học: Các viên nylon-11 được nấu chảy và đùn thành hình dạng mong muốn bằng phương pháp ép phun hoặc các kỹ thuật tương tự khác.
Ưu điểm của loại nhựa sinh học này
Tính linh hoạt, khả năng chống tia cực tím, độ mịn, khả năng chống hóa chất, chất béo, axit, muối, thời tiết và nhiên liệu, cũng như khả năng chống thay đổi nhiệt độ, áp suất cao, va đập, độ ẩm, mài mòn và các yếu tố khác là tất cả các đặc tính của Polyamide 11.
Ứng dụng của Polyamide 11
- Ống: ống thông, ống dẫn nhiên liệu, ống thủy lực, ống dẫn khí và ống dẫn nước giải khát.
- Điện: Vỏ bọc cho dây cáp và dây điện, cũng như vỏ bọc, kết nối và kẹp.
- Lớp phủ: Được sử dụng trong lớp phủ kim loại để giảm tiếng ồn, chống tia cực tím, chống hóa chất, mài mòn và ăn mòn.
- Dệt may: Hàng dệt thoi và dệt kỹ thuật, đồ lót, bộ lọc và lông bàn chải.
- Dụng cụ thể thao: Dây vợt, lỗ xỏ dây, quả cầu lông và các lớp ván trượt đều được sử dụng trong các môn thể thao dùng vợt.
7. Nhựa polyhydroxy urethane
Polyhydroxy urethane (PHU) là một loại polyme phân hủy sinh học được sản xuất bằng cách polyme hóa các chất tiền polyme urethane với các hợp chất chứa hydroxyl như glycerol hoặc sorbitol. Nhựa PHU thường được từ các nguồn tài nguyên tái tạo, chẳng hạn như dầu và đường có nguồn gốc từ thực vật, và thường được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau như bao bì, thiết bị y sinh và dệt may.
Quy trình sản xuất nhựa PHU bao gồm các bước sau:
- Tổng hợp chất chuẩn bị urethane: Một hợp chất isocyanate được phản ứng với polyol để tạo thành chất chuẩn bị urethane.
- Kết hợp nhóm Hydroxyl: Chất chuẩn bị urethane sau đó được phản ứng với hợp chất chứa hydroxyl, chẳng hạn như glycerol hoặc sorbitol, để kết hợp các nhóm hydroxyl vào chất chuẩn bị.
- Phản ứng trùng hợp: Chất chuẩn bị trùng hợp với các nhóm hydroxyl kết hợp sau đó được trùng hợp bằng cách sử dụng chất xúc tác như thiếc (II) octanoate hoặc dibutyltin dilaurate.
- Sau trùng hợp: PHU trùng hợp được xử lý thêm bằng các phản ứng sau trùng hợp như liên kết ngang hoặc mở rộng chuỗi để cải thiện các tính chất cơ học và nhiệt của nó.
Lưu ý: Quy trình có thể được sửa đổi để bao gồm các bước bổ sung như pha trộn với các polyme phân hủy sinh học khác hoặc thêm chất hóa dẻo để cải thiện tính linh hoạt.
Nhựa PHU có một số lợi thế so với nhựa từ hóa dầu truyền thống. Chúng có khả năng phân hủy sinh học và có thể được thải bỏ một cách an toàn trong môi trường, làm giảm sự tích tụ chất thải nhựa. Chúng cũng được từ các nguồn tài nguyên tái tạo, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Ngoài ra, nhựa PHU có tính chất cơ học và nhiệt tốt, giúp chúng trở nên phù hợp với nhiều ứng dụng.
Nhựa PHU vẫn còn tương đối mới và chưa được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thương mại. Tuy nhiên, nghiên cứu và phát triển đang diễn ra trong lĩnh vực này có khả năng dẫn đến việc tăng cường sử dụng nhựa PHU trong tương lai khi tìm kiếm các giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn cho nhựa truyền thống.
8. Nhựa sinh học biến đổi gen
Nhựa sinh học biến đổi gen là loại nhựa có thể phân hủy sinh học được tạo ra bởi các sinh vật biến đổi gen như vi khuẩn hoặc nấm men để tạo ra các enzym hoặc protein cụ thể được sử dụng trong sản xuất nhựa sinh học. Những sinh vật biến đổi này có thể được thiết kế để sản xuất nhựa phân hủy sinh học từ các nguồn tài nguyên tái tạo.
Quá trình sản xuất nhựa sinh học biến đổi gen như sau:
- Xác định và nhân bản gen: Xác định và nhân bản các gen chịu trách nhiệm sản xuất nhựa sinh học mong muốn trong các sinh vật sản xuất nó một cách tự nhiên. Những gen này sau đó được đưa vào sinh vật đích, có thể là vi khuẩn, nấm men hoặc các vi sinh vật khác.
- Biến đổi sinh vật: Sinh vật mục tiêu sau đó được biến đổi gen bằng nhiều kỹ thuật khác nhau như công nghệ DNA tái tổ hợp, chỉnh sửa gen hoặc tổng hợp gen để đưa gen nhân bản vào và cho phép nó tạo ra nhựa sinh học mong muốn.
- Quá trình lên men: Sinh vật biến đổi gen sau đó được nuôi trong lò phản ứng sinh học hoặc thiết bị lên men trong môi trường giàu chất dinh dưỡng có chứa các nguyên liệu thô cần thiết để sản xuất nhựa sinh học. Sau đó, sinh vật tạo ra nhựa sinh học khi nó lớn lên.
- Thu hoạch và tinh chế: Sau khi nhựa sinh học được sản xuất, nó được thu hoạch từ dịch lên men và tinh chế bằng các kỹ thuật như lọc, ly tâm hoặc chiết dung môi để loại bỏ bất kỳ tạp chất hoặc chất gây ô nhiễm nào.
- Xử lý: Nhựa sinh học tinh khiết sau đó có thể được xử lý bằng các kỹ thuật khác nhau như ép đùn, ép phun hoặc đúc thổi để tạo ra sản phẩm cuối cùng.
Nhựa sinh học biến đổi gen có một số lợi thế tiềm năng so với nhựa từ hóa dầu truyền thống. Chúng có khả năng phân hủy sinh học và có thể được thải bỏ một cách an toàn trong môi trường, làm giảm sự tích tụ chất thải nhựa. Chúng cũng được từ các nguồn tài nguyên tái tạo, giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Tuy nhiên, cũng có những lo ngại về tác động môi trường tiềm ẩn của các sinh vật biến đổi gen và các sản phẩm của chúng. Một số nhà phê bình cho rằng những sinh vật này có thể thoát ra môi trường và phá vỡ hệ sinh thái, hoặc chúng có thể dẫn đến sự phát triển của vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh. Như với bất kỳ công nghệ mới nào, việc phát triển và sử dụng nhựa sinh học biến đổi gen sẽ cần được giám sát và điều chỉnh cẩn thận để đảm bảo rằng chúng an toàn và không có tác động tiêu cực đến môi trường hoặc sức khỏe.
Việc sản xuất nhựa sinh học cung cấp một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho nhựa từ hóa dầu truyền thống. Khi nhu cầu về vật liệu bền vững tiếp tục tăng, việc phát triển và sản xuất nhựa sinh học sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc giảm tác động tiêu cực của chất thải nhựa đối với môi trường.