ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG SẢN XUẤT BIOPLASTIC

DANH MỤC HÌNHiiiDANH MỤC BẢNGvMỞ ĐẦU1CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU31.1Tổng quan về nhựa sinh học31.1.1Tổng quan về tình hình tiêu thụ vật liệu nhựa trên thế giới31.1.2Phân loại bao bì nhựa:41.1.3Công nghiệp nhựa sinh học41.2Các loại vật liệu nhựa sinh học91.2.1Vật liệu PLA (polylactic acid)91.2.2 Vật liệu TPS (Thermoplastic Starches)101.2.3 Vật liệu PHA (Polyhydroxylalkanoates)111.3Sự giảm cấp sinh học của bioplastic141.4Nhựa sinh học và những ứng dụng trong cuộc sống161.4.1 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm161.4.2 Ứng dụng trong nông nghiệp16CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT BIOPLASTIC202.1Con đường sản xuất PHA trong tự nhiên202.1.1Tổng hợp PHA trong tế bào vi sinh vật202.1.2Tổng hợp biopolymer từ thực vật222.2Các phương pháp tiếp cận công nghệ sinh học để sản xuất PHA242.2.1Sản xuất PHA từ E.coli biến đổi gen242.2.2Sản xuất PHA từ cây trồng chuyển gen342.2.2.1Vật liệu và phương pháp342.2.2.2Tổng hợp trong tế bào chất342.2.2.3Tổng hợp PHA trong lạp thể352.2.2.4Tổng hợp PHA trong Peroxisome362.2.2.5Kết quả và biện luận372.3Sản xuất PHA từ huyết thanh sữa một ngành công nghiệp tiềm năng382.3.1Giới thiệu về nguồn nguyên liệu382.3.2 Giống và nhân giống392.3.2Sản xuất PHB từ dịch whey sử dụng vi khuẩn Escherichia coli tái tổ hợp392.3.3 Chủng Bacillus megaterium CCM 203744

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng 06 năm 2011

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC BẢNG

MỞ ĐẦU

Mối nguy hại tiềm ẩn từ rác thải nhựa:

Từ những năm 1960-1970, người ta đã nhận ra rằng, môi trường đang bị hủy hoại bởi những hoạt động tạo ra các sản phẩm mới của chính mình Cụ thể, các vật liệu polymer từ hóa dầu đã làm cho con người tiến xa về phía trước, nhưng người ta cũng đã nhận thấy rằng, các loại vật liệu này là mối nguy hại tiềm ẩn cho môi trường sinh thái vì nó không thể tự phân hủy Chỉ có những tác động về cơ học và nhiệt mới có thể phá hủy nó, nhưng lại tạo ra nhiều chất độc hại hơn và đòi hỏi chi phí khổng lồ, vượt qua cả giá thành tạo ra chúng Đặc biệt, vào đầu thế kỷ 21, dân số thế giới khoảng 6 tỷ người và dự báo trong vòng 50 năm tới con số đó sẽ khoảng 10 tỷ người Với số dân như vậy, không chỉ thức ăn, nước uống, năng lượng phải tăng lên một cách đáng kể, mà ngay cả rác thải cũng là một vấn nạn chưa có cách giải quyết Trong hàng tỷ tấn rác thải trên toàn cầu, một lượng lớn rác thải có nguồn gốc polymer không phân hủy được Hàng năm còn có khoảng 150 triệu tấn polymer được sản xuất để phục vụ nhu cầu của con người và số đó ngày càng tăng theo đà tăng dân số và đời sống Song song với điều đó, số lượng rác từ các sản phẩm này cũng tăng lên đáng kể, đó sẽ

là thách thức lớn cho môi trường của trái đất Chính vì thế, việc nghiên cứu và sản xuất polymer phân hủy sinh học trong giai đoạn hiện nay là mối quan tâm của toàn thể nhân loại

và hết sức cần thiết nhằm giúp giảm thiểu tình trạng ô nhiễm môi trường do ảnh hưởng của các sản phẩm polymer tạo ra từ hóa dầu trước đây để lại

Nhựa sinh học và tiềm năng thị trường

Vật liệu mới là lĩnh vực đang được phát triển mạnh Một hướng quan trọng là những vật liệu xanh thân thiện môi trường có nguồn gốc thiên nhiên như nhựa sinh học Sự ra đời của công nghệ “nhựa sinh học” là cuộc cách mạng quan trọng trong công nghệ chất dẻo, được xem như một giải pháp nhằm giảm dần sự lệ thuộc vào dầu mỏ đang có nguy cơ cạn kiệt, đồng thời góp phần nâng cao sức khỏe và bảo vệ môi trường, hai lợi thế khiến nhựa sinh học có nhiều tiềm năng phát triển

Đối với Việt Nam nói riêng

Bên cạnh yếu tố giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, việc sản xuất và ứng dụng bao

bì nhựa sinh học trong đời sống còn nhằm mục đích tận dụng nguồn tài nguyên thực vật đang dư dôi trong xã hội và thúc đẩy ngành nhựa Việt Nam phát triển Việt Nam có nguồn tài nguyên thực vật khá phong phú và đa dạng, trong đó lượng acid béo từ cây có dầu chiếm một

tỷ lệ đáng kể, nhưng chưa được sử dụng hợp lý Nếu từ nguồn dầu béo trên có thể tổng hợp được một dạng polymer tự phân hủy sinh học với giá thành chấp nhận được, có thể sẽ là

bước đột phá trong công nghiệp chất dẻo ở Việt Nam Những năm gần đây, tính ưu việt của polymer - đặc biệt là trơ với môi trường đã trở thành vấn nạn mà các nhà khoa học phải đổ công sức ra khắc phục không thua kém khi tìm ra các polymer mới nhằm bảo vệ môi trường sống trước sự ô nhiễm do rác nhựa Hầu hết các nhựa tổng hợp có nguồn gốc từ nguyên liệu hóa thạch và không có khả năng phân hủy sinh học.Trong khi đó, nguồn nguyên liệu hóa thạch cũng có giới hạn Do đó, cần phải tìm nguồn nguyên liệu khác - nguồn nguyên liệu tái tạo được Cụ thể, theo tiêu chuẩn ASTM, vật liệu trên cơ sở sinh học là những vật liệu hữu

cơ trong đó carbon có nguồn gốc từ quá trình sinh học Vật liệu bio - based bao gồm tất cả các khối vật chất thực vật và động vật có được từ việc cố định CO2 qua quá trình quang hợp được xem là vật liệu tái tạo được Với nguồn vật liệu hữu cơ hiện nay ở nước ta khá dồi dào như tinh bột, cellulose, sợi thiên nhiên, chitin và chitosan, protein đậu nành, mía đường… là lợi thế để sản xuất các sản phẩm polymer bao bì nhựa sinh học

Với những vấn đề nêu trên, sự ra đời của công nghệ nhựa sinh học được xem là một giải pháp giảm dần sự lệ thuộc vào dầu mỏ đang có nguy cơ cạn kiệt, đồng thời góp phần nâng cao sức khỏe và bảo vệ môi trường cho cộng đồng Như vậy việc ứng dụng tiến bộ của khoa học kỹ thuật mà đặc biệt là ngành công nghệ sinh học vào việc sản xuất Bioplastic nhằm tìm ra những giải pháp tối ưu nhất, mang lại năng suất tối đa trong việc sản xuất nhựa sinh học đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng cao của con người Nhằm bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên quý giá là dầu mỏ tránh khỏi nguy cơ cạn kiệt và bảo vệ môi trường sống của nhân loại

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Tổng quan về nhựa sinh học

1.1.1 Tổng quan về tình hình tiêu thụ vật liệu nhựa trên thế giới

Trước đây, vì sự tiện dụng mà túi nhựa hay túi ni-lông đã được người tiêu dùng ở khắp thế giới ưa chuộng và sử dụng rất nhiều Điều đó, đã dẫn đến một lượng rác thải khổng lồ từ loại túi này ngày càng gia tăng và gây ô nhiễm môi trường Theo thống kê sơ

bộ của Bộ Tài nguyên Môi trường, trung bình 1 ngày, 1 người dùng phải sử dụng ít nhất một chiếc túi nilon Theo tổ chức Hòa bình xanh (Greenpeace), hàng năm có khoảng 150 triệu tấn polymer được sản xuất để phục vụ nhu cầu của con người và có hơn 6,4 triệu tấn rác thải trong số đó bị tống xuống biển, trong đó từ 60 đến 80% là chất dẻo, và 70% số rác này bị chìm xuống đáy biển.Nhiều bằng chứng khoa học cho thấy, rác thải nhựa không phân hủy thành các chất vô hại, mà phân hủy rất chậm trong môi trường tự nhiên

và là chất thải tồn tại lâu dài Khi bị đốt cháy, gặp hơi nước các chất này sẽ tạo thành acid Sulfuric dưới dạng các cơn mưa acid, rất có hại cho hệ hô hấp của người và động vật Tệ hơn, túi ni-lông làm bằng nhựa PVC có chứa clo, khi cháy tạo ra chất dioxin và acid Clohydric vô cùng độc hại

Không kể những tác hại môi trường các thế hệ sau phải gánh, túi ni-lông còn gây

ra nhiều tác hại trước mắt, trực tiếp vào người sử dụng Rác thải nhựa làm tắc các đường thoát nước thải gây ngập lụt cho đô thị, dẫn đến ruồi muỗi phát sinh, lây truyền dịch bệnh Bao bì ni-lông cũng đe dọa trực tiếp tới sức khỏe con người vì nó chứa chì, cadimi (có trong mực in tạo màu trên các bao bì) có thể gây tác hại cho não và là nguyên nhân chính gây ra bệnh ung thư phổi

Hình 1.1 Rác thải bao bì trong một ngày tại Bắc Kinh [18]

Hình 1.1 cho thấy lượng rác thải bao bì nhựa khủng khiếp tại một thành phố lớn trên thế giới, con số này là khoảng l6.000 tấn/chỉ trong một ngày Như vậy với mức tiêu thụ ngày một tăng cao, vấn đề ô nhiễm bao bì nhựa là một vấn đề cấp bách cần được quan tâm và giải quyết triệt để

1.1.2 Phân loại bao bì nhựa:

Plastic

Từ sinh khối (tài nguyên nông nghiệp)

Từ vi sinh vật(khai thác)

Từ công nghệ sinh học

Từ hóa dầu

PolysaccharideProteins, LipidsPolyHydroxy-Alkanoates(PHA)

PolylactidesPolycaprolactones

Polylactic acid(PLA)PHB, PHBVTinh bộtLigno-cellulosic

Cây trồng:

Zein,Soya

Gluten

PolyesteramidesAliphatic co-polyesters

Aromatic co-polyesters

Polymer nông nghiệp [a]

Biopolyester [b]

Hình 1.2 Sơ đồ phân loại vật liệu plastic [6]

Hình 1.2 cho thấy sự phân loại plastic thành 2 nhóm chính và 4 phân nhóm phụ Các nhóm chính là nhóm [a] polymer sản xuất từ sản phẩm nông nghiệp như: polysaccharides, protein…nhón thứ hai là nhóm [b] gồm các bipolyester như: polylactic acid (PLA), polyhydroxyalkanoate (PHA), copolyesters thơm và béo

1.1.3 Công nghiệp nhựa sinh học

Tình hình sản xuất bioplastic trên thế giới:

Hiện có khoảng 180 công ty trên thế giới tham gia sản xuất trong lĩnh vực nhựa sinh học Trong đó có 45 công ty sản xuất với sản lượng khoảng 400 000 tấn mỗi năm, tập trung cao nhất ở Mỹ, Đức và Nhật Bản Hãng nhựa của công ty Mishibushi đã thành công trong việc nâng cao sức chịu nhiệt và sức bền của acid polylactic, kết hợp với các loại nhựa tự phân hủy Loại nhựa này được sử dụng trong chiếc máy Walkman đời mới nhất mà công ty Sony vừa cho ra đời năm 2003 Năm 2005, Fujisu trở thành công ty kỹ nghệ đầu tiên chế tạo vỏ máy tính cá nhân từ nhựa sinh học, tiêu biểu là dòng sản phẩm FMV-BIBLO NB80K Toyota là công ty đầu tiên trên thế giới sử dụng nhựa sinh học trong chế tạo các phụ kiện của ôtô, ví dụ như phần vỏ đựng lốp dự trữ…

Tổ chức nông nghiệp của Liên minh châu Âu (COPA-Committee of Agricultural Organisation in the European Union) và Hiệp hội các Ủy ban nông nghiệp của Liên minh Châu Âu (COGEGA-General Committee for the Agricultural Cooperation in the European Union) đã công bố các đánh giá về tiềm năng nhựa sinh học trong nhiều lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế châu Âu

Như vậy, khi giá dầu ngày một tăng cao, vấn đề bảo vệ môi trường và bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng đang đặt ra yêu cầu bức thiết trên toàn cầu Đồng thời, những

nghiên cứu về phương pháp mới sản xuất nhựa sinh học sẽ mở ra triển vọng lạc quan về mặt thị trường cho sản phẩm nhựa sinh học đối với các nhà sản xuất và cả người tiêu dùng.

Nhựa sinh học ở Việt Nam vẫn còn là vấn đề khá mới mẻ Năm 1998, một số nhà sản xuất đã đến Việt Nam để nghiên cứu về khả năng làm nhựa sinh học từ bột bắp và bột khoai tây nhưng ý tưởng của họ không thực hiện được do giá thành sản xuất cao và không đủ nguồn nguyên liệu Hiện chưa có những con số thống kê chính thức nào về sự sản xuất và thương mại nhựa sinh học ở Việt Nam

Những hướng phát triển của nghành công nghiệp nhựa sinh học

 Sản xuất bioplastic từ vật liệu Cellulose:

Cellulose là vật liệu phong phú không hòa tan trong nước và hầu hết các dung môi hữu cơ Cellophane (giấy bóng kính) là một trong những dạng phổ biến của bao bì cellulose được ứng dụng cho nhiều loại thực phẩm bởi tính chống thấm dầu, khả năng ngăn cản sự tấn công của vi khuẩn và tính trong suốt của nó Cellophane thường được phủ một lớp ngoài với nitro cellulose hay là acrylate để tăng tính chống thấm mặc dù lớp phủ này không được phân hủy bởi vi sinh vật Vật liệu cellophane có giá cả cạnh tranh với plastic thông thường Một ưu điểm khác là nó có thể phân hủy nhanh sau khi sử dụng thậm chí một vài loại có thể ăn được

Ngoài ra cellulose acetat có thể kết hợp với tinh bột để tạo nên plastic dễ bị phân hủy bởi vi sinh vật Cellulose cũng kết hợp với Chitosan để tạo nên màng có khả năng thấm khí và thấm nước cao.Vật liệu bao bì từ Cellulose được sử dụng để bảo quản một số loại rau quả và các loại trái cây dễ bị hư hỏng như: dâu tây, đào, chuối, nấm (như hình 1.3)

Hình 1.3 Ứng dụng bao bì cellulose để bảo quản rau quả [20]

 Sản xuất bioplastic từ vật liệu Chitin và Chitosan:

Chitin được tổng hợp chủ yếu bởi côn trùng, tôm cua và nấm sợi, là một loại composit bền vững tạo bộ khung ngoài bảo vệ cho chúng Chitin khi khử nhóm acety sẽ tạo thành chitosan Chitin và Chitosan là hai loại polymer có đặc tính phù hợp để tạo dạng màng và dạng sợi

Hình 1.5 Công thức cấu tạo của Chitosan [20]

Chitosan là một polysaccharide tuyến tính là sự kết hợp ngẫu nhiên gồm β- (1-4)-D glucosamine và N-acetyl-D glucosamine Chitosan được sản xuất bằng cách khử acetyl (deacetylation) của chitin, đó là yếu tố cơ cấu trong các bộ xương ngoài của động vật giáp xác (cua, tôm, vv) và thành tế bào của nấm Chitin lần đầu tiên được tìm thấy trong

nấm bởi nhà khoa học người Pháp Braconnot vào năm 1811, và nó cũng đựơc tách ra từ biểu bì của sâu bọ và được đặt tên là Chitin, có nghĩa là bao bọc, bởi nhà khoa học người Pháp Odier vào năm 1823 Và chất được khử acetyl từ chitin đã được khám phá bởi Roughet vào năm 1859; chúng được đặt tên là CHITOSAN bởi nhà khoa học người Ðức Hoppe Seyler vào năm 1894 CHITOSAN (được chuyển hoá từ Chitin) rất độc đáo, là polime hữu cơ tự nhiên duy nhất mang điện tích dương do có những nhóm amino tự do tích điện dương, những điều này tạo cho CHITOSAN những thuộc tính đặc biệt nhất và đáng kinh ngạc

Đặc tính của chitosan:

Là polysacharide có đạm không độc hại, có khối lượng phân tử lớn Là một chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, có thể xay nhỏ theo các kích cỡ khác nhau.Chitosan có màu trắng hay vàng nhạt, không mùi vị Không tan trong nước, dung dịch kiềm và axit đậm đặc nhưng tan trong axit loãng (pH 6), tạo dung dịch keo trong, có khả năng tạo màng tốt, nhiệt độ nóng chảy 310oC Phân huỷ sinh học dễ hơn chitin.Chitosan và các dẫn xuất của chúng đều có tính kháng khuẩn, như ức chế hoạt động của một số loại vi khuẩn như E.Coli, diệt được một số loại nấm hại dâu tây, cà rốt, đậu và có tác dụng tốt trong bảo quản các loại rau quả có vỏ cứng bên ngoài Khi dùng màng chitosan, dễ dàng điều chỉnh độ ẩm, độ thoáng không khí cho thực phẩm (Nếu dùng bao gói bằng PE thì mức cung cấp oxy bị hạn chế, nước sẽ bị ngưng đọng tạo môi trường cho nấm mốc phát triển) Màng chitosan cũng khá dai, khó xé rách, có độ bền tương đương với một số chất dẻo vẫn được dùng làm bao gói Trong thực tế người ta đã dùng màng chitosan để đựng và bảo quản các loại rau quả như đào, dưa chuột, đậu, quả kiwi v.v

 Sản xuất bioplastic từ tinh bột:

Một bước đột phá khi các nhà khoa học phát triển bao bì bioplastic tốt hơn: có khả năng phân hủy ở nhiệt độ 330F, hay đơn giản nó có thể phân hủy dưới mưa, các vi sinh vật trong đất Plastic từ tinh bột được tạo ra bằng cách ép đùn, thổi khí và đúc thành khuôn Các loại bao bì này thường dùng để bao gói các thực phẩm khô như socolate, bánh, kẹo…

Bằng cách phối trộn giữa protein từ bắp và các acid béo người ta có thể tạo ra một loại resin bằng cách ép đùn thành màng sinh học được ưa chuộng hơn plastic Vật liệu này khi đốt cháy cho ra các sản phẩm không độc hại Các loại màng này thường dùng để bao gói thực phẩm đông lạnh, các loại bánh, thức ăn nhanh…

Các plastic ăn được làm từ tinh bột và protein, sau khi sử dụng có thể nghiền nhỏ

ra làm thức ăn cho gia súc bởi thành phần dinh dưỡng trong nó khá cao

Plastic từ khoai tây: các phế phẩm trong ngành chế biến khoai tây có thể được tận dụng để làm plastic Tinh bột từ các phế phẩm này được vi khuẩn phân hủy thành glucose, sau đó lên men nhờ vi khuẩn lactic cho ra sản phẩm là acid lactic, sau đó sấy khô và nghiền thành bột dùng để tạo ra một dạng PLA bằng kỹ thuật ép đùn

 Sản xuất bioplastic từ tảo biển [19]:

Mỗi năm, người Mỹ tiêu thụ khoảng 110 tỷ cốc nhựa Các sản phẩm nhựa này chủ yếu được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu hóa thạch như dầu mỏ, nhưng các nguồn nguyên liệu này mất khoảng 70 triệu đến 100 triệu năm để hình thành và chúng đang dần cạn kiện Trong khi đó, sản xuất nhựa sinh học từ khoai tây và ngô sẽ là một giải pháp bền vững hơn Tuy nhiên, một số nhà khoa học lo ngại rằng việc sản xuất nguyên nhiên liệu sinh học có thể khiến thế giới lâm vào một cuộc khủng hoảng thiếu lương thực Để giải quyết mối lo ngại này, công ty Cereplast (mỹ) đang lên kế hoạch sản xuất nhựa sinh học từ tảo biển thay vì từ các sản phẩm nông nghiệp Hiện tại, Công ty Cereplast sản xuất ra các sản phẩm nhựa sinh học bằng một công nghệ tiên tiến Các sản phẩm của Cereplast chủ yếu là cốc, nắp đậy và túi ni lông

Để sản xuất 1kg nhựa tổng hợp polypropylene theo cách truyền thống, chúng ta sẽ thải 3,15kg khí CO2 vào bầu khí quyển Trong khi đó, sản xuất 1kg nhựa sinh học propylene chỉ thải vào môi trường 1,4kg CO2 Rõ ràng, công nghệ mới này góp phần làm giảm đáng kể lượng khí gây hiệu ứng nhà kính so với phương thức sản xuất nhựa truyền thống

Tảo biển cũng rất giàu tinh bột như trong các sản phẩm nông ngiệp Chúng ta có thể nuôi tảo trên quy mô lớn để giúp giảm giá thành các sản phẩm nhựa Công ty Cereplast hy vọng sẽ đưa ra thị trường sản phẩm nhựa sinh học được sản xuất từ tảo vào cuối năm 2010 Đây sẽ là một bước đột phá lớn trong cuộc “cách mạng xanh” mà thế giới đang hướng tới để đối phó với hiện tượng biến đổi khí hậu

1.2 Các loại vật liệu nhựa sinh học

1.2.1 Vật liệu PLA (polylactic acid)

Acid polylactic (PLA) là một loại nhựa nhiệt dẻo có dạng bán tinh thể hoặc hoàn toàn vô định hình, tùy thuộc vào độ tinh khiết của khung polymer Hai comonomer của PLA tồn tại trong tự nhiên dưới dạng phổ biến nhất là L (-)-lactic acid (2-hydroxy axit

propionic), và D (-)-lactic acid Tương tự như khi đưa các copolymer: diethylene glycol

hoặc axit isophthalic vào trong khung PET với nồng độ thấp (1-10%) để kiểm soát tốc

độ kết tinh, D-lactic acid cũng được đưa vào L-PLA để tối ưu hóa động học kết tinh của

quá trình chế tạo cụ thể và ứng dụng [15]

PLA là một polymer có nhiều tính chất tương tự như PET, PP, một polyolefin Vật liệu PLA có phạm vi ứng dụng rất rộng nhờ các tính chất như : chịu nhiệt, khả năng kết tinh, dễ gia công cơ học, tính dẻo và dễ tạo hình Có thể tạo ra các dạng như màng trong suốt, sợi hoặc phun đúc thành chai lọ vật liệu PLA có những đặc tính cảm quan rất tốt để chế tạo bao bì ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm nói chung

Mặc dù có rất nhiều ưu điểm độc đáo nhưng việc thương mại hóa loại vật liệu này vẫn còn hạn chế do chi phí sản xuất rất cao (lớn hơn 2$/ đơn vị sản phẩm) [15]

Cho đến nay, PLA được ứng dụng trong một số lĩnh vực như:

 Trong y học sử dụng như chỉ khâu, Vật liệu để trám những chấn thương của xương người

ta sẽ có vật liệu PLA Sau một thời gian sử dụng thì PLA sẽ bị hủy đi hoặc được tái chế

Mặc dù có nhiều ích lợi đối với môi trường những vẫn có nhiều khía cạnh kỹ thuật cần giải quyết Ví dụ: tinh bột rất dễ tương tác với nước nên nhiều thuộc tính của PLA thì phụ thuộc rất nhiều vào độ ẩm Điều này có nghĩa là PLA sẽ không được sử dụng trong thị trường chai, lọ Mặc khác PLA chịu được nhiệt độ tối đa là khoảng 1140F Nếu vượt qua nhiệt độ này thì PLA sẽ tan chảy ra [15]

1.2.2 Vật liệu TPS (Thermoplastic Starches)

Vật liệu bằng tinh bột có chứa chất dẻo chịu nhiệt đã có nhiều bước phát triển trong ngành công nghiệp polyme sinh học Những polyme này được tạo ra từ tinh bột bắp, lúa mì, khoai tây TPS khác PLA và PHA là chúng không qua giai đọan lên men

Để có những thuộc tính giống như plastic, TPS được trộn với các vật liệu tổng hợp khác Tinh bột liên kết với các polyme tổng hợp khác, với hàm lượng tinh bột có thể lớn hơn 50% sẽ tạo nên các lọai plastic mà đáp ứng dụng nhu cầu thị trường

 EAA (copolyme là ethylen-acrylic acid): được nghiên cứu từ năm 1977 Nhược điểm của loại plastic này là nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường, dể bị rách trượt và không được phân hủy 1 cách hoàn toàn bởi vi sinh vật

 Starch/vinyl alcohol copolymers: tùy vào điều kiện gia công, loại tinh bột và thành phần của copolymer sẽ tạo nên nhiều loại plastic với hình dạng và hoạt tính khác nhau Plastic chứa tinh bột có tỷ lệ AM/AP lớn hơn 20/80, sẽ không hòa tan ngay cả trong nước sôi Còn plastic chứa tinh bột có tỷ lệ AM/AP nhỏ hơn 20/80 thì sẽ được hòa tan từng phần Tỷ lệ tinh bột được phân rã bởi vi sinh vật trong những vật liệu này tỷ

lệ nghịch với hàm lượng của AM/phức vinyl alcohol Điểm hạn chế của những vật liệu này là giòn và nhạy cảm với độ ẩm Cơ chế của sự phân hủy: Thành phần tự nhiên: dù được che chắn bởi cấu trúc mạng nhưng vẫn bị phân hủy bởi enzyme ngoại bào của vi sinh vật Thành phần tổng hợp: được phân hủy do sự hấp phụ bề mặt của vi sinh vật, tạo

bề mặt trống cho sự thủy phân các thành phần tự nhiên Aliphatic polyesters: tinh bột cũng có thể được cấu trúc lại với sự hiện diện của các polymer kỵ nước như các polyester béo Polyester béo có điểm tan chảy thấp khó tạo thành vật liệu nhiệt dẻo và thổi tạo hình Khi trộn tinh bột với polyester béo sẽ cải thiện được nhược điểm này Một số polyester béo thích hợp là poly-ε-caprolactone và các copolymer của nó, hoặc các polymer tạo thành từ phản ứng của các glycol như 1,4 – butandiol với một số acid: succinic, sebacic, adipic, azelaic, decanoic, brassillic Sự kết hợp này sẽ tăng thuộc tính cơ, giảm sự nhạy cảm với nước và tăng khả năng phân hủy Đã có những nghiên cứu thay thế bao bì plastic từ các chế phẩm dầu mỏ sang dạng bao bì plastic từ bắp Nguồn nguyên liệu bắp có thể thỏa mãn được nhu cầu lớn của bao bì plastic Vật liệu làm từ nguồn nguyên liệu này hạn chế việc gây ô nhiễm môi trường

do khi phân hủy nó không tạo ra các hợp chất gây độc Việc thay thế đầu tiên được tiến hành vào ngày 1 tháng 11 năm 2005, 114 triệu thùng chứa bằng plastic được sử dụng cho các đại lý bán lẻ rau quả, dâu tây, thảo dược Hiệu quả kinh tế thể hiện rõ rệt

1.2.3 Vật liệu PHA (Polyhydroxylalkanoates)

PHA là vật liệu đang được nghiên cứu để thay thế cho bao bì plastic, đây là một loại polyme khác có nhiều hứa hẹn Các nhà sinh học đã biết đến sự tồn tại của PHA từ năm 1925 trong tế bào vi khuẩn Nhiều loại PHA đã được tổng hợp từ các nguồn cacbon, vi sinh vật hữu cơ khác nhau và có qua quá trình gia công [7]

Có 2 phương pháp để sản xuất PHA

 Phương pháp lên men gồm: trồng các cây trồng như bắp, rồi thu họach, tách chiết glucose

từ cây trồng sau đó lên men đường trong những tế bào chứa PHA (hoặc những tế bào tái tổ hợp chứa chứa gen tổng hợp PHA và sinh sản nhanh), rửa và xoáy đảo tế bào để giải phóng PHA sau cùng là cô đặc và phơi khô trong khuôn

 Quá trình tổng hợp dựa vào sự phát triển PHA trong tế bào cây trồng là một kỹ thuật đang được theo đuổi Quá trình này tương tự quá trình đã mô tả ở trên nhưng bỏ qua giai đoạn lên men Người ta sử dụng một lượng lớn dung môi để trích ly nhựa từ cây trồng Sau đó phải tìm cách loại dung môi đi Do đó rất tốn kém năng lượng Một ưu điểm của PHA so với PLA là khả năng tự phân hủy của nó rất là cao và dễ tổng hợp Khi được đặt vào môi trường sinh vật tự nhiên thì nó sẽ tự phân hủy thành CO2 và nước Điều này giúp nó có nhiều ứng dụng trong cuộc sống Vấn đề thân thiện với môi trường ngày càng được coi trong nhưng đặc tính vật liệu và và giá cả vẫn là những yếu tố quan trọng Hầu hết polymer sinh học có đặc tính cơ gần giống polymer truyền thống, những đặc tính này (độ co giãn, đàn hồi…) tùy thuộc vào nguyên liệu thô và phương pháp gia công Ngày nay, giá của nhiều loại vật liệu sinh học có thể gần như bằng hoặc vượt hơn một chút so với PET và PA, ngoại trừ PHA, có giá gấp 10 lần plastic truyền thống Tuy nhiên,

do lượng sản phẩm này ít nên chịu ảnh hưởng của vấn đề giá cả, nếu sản xuất với số lượng lớn thì giá của chúng sẽ thấp hơn [7]

 Cấu tạo và tính chất vật lý của PHA

PHA là polymer sinh học mạch thẳng, cấu tạo từ những mononer là hydroxy fatty acid, gồm khoảng 103-104 monomer PHA tồn tại ở dạng hạt (granules), đường kính 0.2-0.5µm, được tích lũy bởi vi khuẩn Gram dương và Gram âm và không gây tác động xấu đến tế bào chủ Tích lũy PHA diễn ra khi tế bào ở tình trạng mất cân bằng dinh dưỡng, chẳng hạn dư Carbon nhưng thiếu Nito, Phospho hoặc Oxy trong môi trường nuôi cấy (Anderson and Dawes 1990; Steinbüchel, 1991;Steinbüchel and Füchtenbusch, 1998) Vi khuẩn dự trữ lượng dinh dưỡng thừa trong tế bào bằng cách tạo những hạt polymer không tan từ những phân tử hòa tan Khi môi trường sống trở lại bình thường, polymer lại trở về cấu trúc hòa tan Cấu trúc, tính chất lý hóa, thành phần, số lượng monomer và kích thước hạt thay đổi tùy theo loài VSV (Anderson and Dawes, 1990; Ha and Cho, 2002) [6]

3-Hình 1.6 Cấu trúc hóa học của PHA [7]

Trong phân tử PHA, nhóm R (gắn vào vị trí carbon số 3) có chiều dài thay đổi từ

C1 đến C14 PHA được phân thành 3 loại dựa vào kích thước của các đơn phân cấu

thành, cụ thể là: phân tử PHA có chứa từ 1 đến 5C được phân loại thành PHA mạch ngắn

(short-chain-length PHA: scl-PHA) PHA chứa từ 6–14C là PHA mạch trung bình

(medium-chain-length: mcl-PHA) và chứa nhiều hơn 14C là PHA mạch dài

(long-chain-length: lcl-PHA) (Madison and Huisman, 1999) PHA mạch ngắn có tính chất gần với

plastic truyền thống, trong khi PHA chiều dài mạch trung bình được đánh giá là có tính

đàn hồi và co giãn tương tự cao su Bên cạnh đó còn có những nghiên cứu về việc gắn

thêm các đơn phân là những gốc acid béo không bão hòa hoặc các nhóm halogen vào

chuỗi phân tử PHA để cải thiện tính chất của plastic sinh học, tức là tạo thành những

chuối PHA bằng phản ứng polymer hóa các loại đơn phân khác nhau PHB (cấu tạo từ

các đơn phân acid 3-hydroxybutyric) là loại PHA mạch ngắn được nghiên cứu nhiều

nhất Copolymer của PHA có thể được tạo thành bằng cách kết hợp các đơn phân

3-hydroxybutyrate (HB), 3-hydroxyvalerate(HV), 3-hydroxyhexanoate (HH) hoặc

4-hydroxybutyrate (4HB) monomers Vi khuẩn tổng hợp một lượng lớn PHA và có

khoảng 150 loại PHA khác nhau đã được phát hiện (Steinbüchel and Valentin,

1995) PHA từ vi sinh vật có tính chất tương tự plastic truyền thống (như polypropylene)

(Byrom, 1987) PHA có thể được phân hủy rất nhanh (3-9 tháng) bởi nhiều loài vi sinh

vật tạo thành CO2 và H2O nhờ enzyme PHA depolymerase (Jendrossek, 2001) Có thể sản

xuất PHA từ những nguồn nguyên liệu tự nhiên nhằm tái sử dụng và tái chế, vì vậy,

R=CH3 → PHB (polyhydroxybutyrate)R=C2H5 → PHV (polyhydroxyvalerate)R=C3H7 → PHH (polyhydroxyhexanoate)

PHA có thể được sản xuất để thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt (Poirier,1999a) Sự đa dạng của các đơn phân trong thành phần PHA cung cấp một loạt các loại plastic sinh học với tính chất khác nhau PHB có tính cứng và giòn, do đó được

sử dụng rất hạn chế PHA cấu tạo từ các đơn phân mạch dài hơn, chẳng hạn như PHA, là vật liệu đặc trưng cho tính dẻo và dính (gần giống với cao su) PHA copolymer với thành phần chủ yếu là HB, được bổ sung thêm các monomer mạch dài hơn, ví dụ như

mcl-HV, HH hay HO sẽ làm tăng tính dẻo và dai cho vật liệu, có thể ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các sản phẩm như hộp chứa đồ, chai lọ và các loại bao bì thực phẩm Nhựa mủ

từ PHA có thể dùng để sản xuất các lớp màng chống thấm trong các vật liệu giấy hay bìa carton (Hocking và Marchessault,1994) [7]

Các nhà sản xuất tại Mỹ sử dụng PHB và copolymer P (HB-HV) như các lớp màng chống thấm ở phía sau tã lót (Martini et al., 1989) Loại copolymer P(HB-HV) này

có tính dẻo và tránh được các lực tác động, đã được thương mại hóa dưới tên gọi Biopol

™ (ICI / Zeneca) và Monsanto (vào năm 1995) Ngoài ra, PHA còn được sử dụng để sản xuất vật liệu sợi (vải không dệt) PHA mạch dài được sử dụng trong sản xuất keo dính (Yalpani, 1993) Ngoài khả năng phân hủy sinh học, PHA còn có khả năng tương thích sinh học, sản phẩm phân hủy của PHA là 3-hydroxyacids, là thành phần khá phổ biến ở động vật Những loại PHA này rất hữu ích trong các ứng dụng của lĩnh vực y tế, chẳng hạn như cấy mô, làm gạc băng vết thương, chỉ khâu, vật liệu tạo xương, và là loại vật liệu giúp cho các loại thuốc phóng thích chậm cũng như có ích trong nuôi cấy tế bào in vitro

1.3 Sự giảm cấp sinh học của bioplastic

Sự giảm cấp sinh học là sự giảm cấp hóa học của vật liệu gây ra bởi hoạt động của

vi sinh vật diễn ra trong tự nhiên Các vi sinh vật gây giảm cấp hóa học là các vi khuẩn, nấm và tảo Quá trình giảm cấp sinh học tạo ra khí CO2 hoặc CH4 (mê tan) và nước Nếu

có sự hiện diện oxy, quá trình được gọi là sự tự hoại hiếu khí Nếu quá trình xảy ra trong điều kiện không có oxy, nó được gọi là quá trình tự hoại yếm khí Sản phẩm của quá trình yếm khí là khí CH4 và nước Trong vài trường hợp, cả hai loại sản phẩm khí ( CO2, CH4) đều có mặt.[17]

Sự giảm cấp nhựa thải không phải là một quá trình đơn giản, nhất là khi xét đến sự giảm cấp do tác động của môi trường Cơ chế chi tiết của sự giảm cấp nhựa thải trong các điều kiện môi trường vẫn chưa được hiểu thấu đáo và vẫn đang là đề tài nghiên cứu chuyên sâu trong nhiều thập niên qua Sự giảm cấp nhựa trong các chế độ khắc nghiệt như thiêu đốt chỉ là một quá trình vật lý (một trong những lựa chọn tiêu hủy chất thải) và không phải là một phương pháp hữu hiệu

Sự giảm cấp sinh học liên quan đặc biệt đến polymer được thiết kế cấu trúc mà ta gọi là polymer có thể phân hủy sinh học (polymer tự hoại) Hầu hết các chuyên gia và các tiêu chuẩn đo lường hiện hành định nghĩa một polymer tự hoại hoàn toàn là một polymer được chuyển đổi hoàn toàn thành khí carbon dioxide, nước, khoáng vô cơ và sinh khối vi sinh vật (hoặc trong trường hợp giảm cấp sinh học yếm khí thì sẽ nhựa sẽ chuyển đổi thành khí carbon dioxide, methane và mùn) mà không có tạo chất độc hại Tuy vậy, câu hỏi gây tranh cãi là thời gian đạt đến độ giảm cấp như trên là bao lâu thì chấp nhận được

và đo lường như thế nào? Thời gian cần đủ để chất liệu gốc carbon phân hủy có thể kéo dài đến hàng ngàn năm Do vậy, không phải mọi chất liệu gốc carbon có thể giảm cấp sinh học Chỉ có những vật liệu đạt mức độ giảm cấp sinh học chấp nhận được trong một khoảng thời gian hạn định thì mới có thể gọi là vật liệu có khả năng phân hủy sinh học

Một số polymer được gọi là có thể tự hoại hay giảm cấp sinh học thì thực ra mang tính chất là có thể bị bào mòn bởi sự thủy giải nhờ men hoặc hoặc giảm cấp do quang hóa hoặc tự hoại một phần Các polymer khác nhau này được xếp trong nhóm phân loại rộng hơn gọi là polymer tự hoại được nhờ môi trường Tất nhiên việc sử dụng thuật từ “ Nhờ môi trường” có thể bị hiểu sai trong một số trường hợp Ngay cả khi thuật từ này dùng rộng rãi trong các tài liệu tham khảo kỹ thuật và cả trong tiêu chuẩn ASTM D6002-96 (Các hướng dẫn chuẩn cho việc đánh giá khả năng phân hóa của các chất dẻo tự hoại nhờ môi trường), người ta vẫn chưa có thể tìm ra được một định nghĩa chính thức cho họ polymer này

Các chất dẻo tự hoại nhờ môi trường, dựa vào sử dụng thuật từ hơn là sự định nghĩa cụ thể , có thể được coi là một nhóm rộng các vật liệu polymer tự nhiên và tổng hợp Các polymer trong nhóm này thực hiện sự thay đổi hóa học dưới tác động của các yếu tố môi trường Các thay đổi hóa học phải được theo tiếp bằng sự tiêu hóa hoàn toàn các sản phẩm giảm cấp bời vi sinh tạo ra khí CO2 và nước Đặc biệt, quá trình giảm cấp của chất dẻo tự hoại nhờ môi trường trải qua hai giai đoạn: phân rã và khoáng hoá

Hình 1.7 Sự phân hủy sinh học của nắp chai Bioplastic trong 60 ngày[17]

Sự khoáng hóa được định nghĩa như là sự chuyển hóa của các vật liệu tự hoại hoặc sinh khối thành khí (như CO2, CH4 và hợp chất nitơ), nước , muối vô cơ, và các khoáng chất Sự khoáng hóa hoàn tất khi tất cả phần vật liệu tự hoại hoặc sinh khối được tiêu thụ hết cũng như tất cả phần carbon được chuyển thành khí CO2

Trong giai đoạn khởi đầu, sự phân rã liên quan rõ nét đến sự suy giảm tính chất vật

lý như biến màu, trở nên giòn và vỡ vụn Giai đoạn thứ hai được cho là sự chuyển hóa sâu của các mảnh vụn chất dẻo thành khí CO2 và nước, sinh khối (trong điều kiện hiếu khí) hoặc CH4, CO2 và sinh khối tế bào (trong điều kiện yếm khí) Sự giảm cấp và tiêu hóa chất dẻo tự hoại nhờ môi trường phải kết thúc hoàn toàn và xảy ra ở tốc độ nhanh đủ hiệu quả để tránh sự tích tụ chất thải trong môi trường

Hình 1.8 Quá trình phân hủy của sản phẩm nhựa tự hoại [17]

1.4 Nhựa sinh học và những ứng dụng trong cuộc sống

1.4.1 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Bao bì từ vật liệu sinh học phải đáp ứng được các tiêu chuẩn như: tính chống chấm (nước, khí, ánh sáng, mùi), đặc tính quang học (trong suốt,…), tính co giãn, có thể đóng dấu hoặc in ấn dễ dàng, kháng nhiệt và hóa chất, tính ổn định cũng như thân thiện với môi trường và có giá cả cạnh tranh Hơn nữa, bao bì phải phù hợp với quy định

về bao bì thực phẩm, tương tác giữa bao bì và thực phẩm phải đảm bảo chất lượng và

an toàn thực phẩm Vật liệu sinh học có thể tự phân hủy trong thiên nhiên, vì vậy không ảnh hưởng đến môi trường Nhờ không sử dụng các hóa chất tổng hợp, bao bì từ sinh học

sẽ an toàn hơn đối với thực phẩm và sức khỏe của con người

1.4.2 Ứng dụng trong nông nghiệp

Nhựa sinh học ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, ứng dụng trong ngành nông nghiệp là một trong các ứng dụng quan trọng của biopolymer

Polymer được dùng trong nông nghiệp và chăn nuôi từ giữa thế kỷ 20 Sự phát triển chất dẻo trong nông nghiệp đã cho phép các nhà nông gia tăng sản lượng mùa màng Chất dẻo dùng trong nông nghiệp ngày nay làm tăng hiệu suất , giúp thu hoạch sớm hơn, giảm sự lệ thuộc thuốc trừ sâu diệt côn trùng, và bảo vệ thực phẩm tốt hơn cũng như giữ

nước hiệu quả hơn [17]

Hình 1.9 Màng bao phủ bảo vệ cây ngăn sâu bệnh [17]

Các màng nhựa được dùng làm vật liệu phủ nhà kiếng, lót kênh dẫn cũng như là màng ủ đất Màng chất dẻo có thể cải thiện chất lượng sản phẩm và cánh đồng khỏi sự khắc nghiệt của thời tiết, tối ưu hóa các điều kiện sinh trưởng, tăng thời vụ và giảm nhiểm bệnh cây trồng Thể tích màng phim dùng cho những ứng dụng nói trên ước tính

khoảng 2 triệu đến 3 triệu tấn /năm Chất dẻo dùng rộng rải và chủ yếu trong thâm canh

là nhựa LDPE vì nó có cơ tính tốt, trong suốt và giá thành cạnh tranh

Hình 1.11 Những hình ảnh về rác thải nhựa từ nông nghiệp [17]

Phương cách tiêu hủy polymer tự hoại là việc làm mũn là phương pháp tốt nhất hiện nay để xử lý rác thải nhựa nông nghiệp Tuy nhiên, quá trình làm mũn đòi hỏi cơ sở

hạ tầng quy mô bao gồm hệ thống thu lượm và trang thiết bị làm mũn chúng Nó không

là giải pháp tốt nhất cho chất thải dẻo trong nông nghiệp

Với kỹ thuật thâm canh hiện đại, sự thay thế polymer cổ điển bằng polymer tự hoại đang được quan tâm rộng rãi Các sản phẩm dùng polymer tự hoại đã được thử nghiệm và ứng dụng thành công như màng phủ đất, màng che sương, ống tưới dẫn, dây giăng giàn, lưới hứng sương, chậu cây, phân bón thải chậm, thuốc trừ sâu thải có kiểm soát, v.v… Riêng về màng phủ đất, năm 1991, châu Âu tiêu thụ 370000 tấn Nhưng con

số này tăng lên đến 540 000 tấn vào năm 1999 Tại Việt Nam, chưa thấy được con số thống kê về lượng tiêu dùng loại màng phủ đất trong nông nghiệp Tuy nhiên qua thực tế tại một nông trại gia đình ở Long Khánh (tỉnh Đồng Nai), với diện tích 1 hecta trung bình một tháng của vụ dưa leo, người ta dùng hơn 20 kg màng Nếu trồng liên tục trong năm, con số sẽ là 240 kg cho một hecta

Hình 1.12 Các túi nhựa đựng cây trồng có khả năng tự hoại [17]

Hình trên là một loại vật liệu màng sinh học tự hủy, có thể dùng để ươm cây mà không ảnh hưởng đến rễ Khi cây phát triển đủ lớn quá trình tự hủy kết thúc cây có thể tự

do phát triển ở vùng đất xung quanh

CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT BIOPLASTIC

2.1 Con đường sản xuất PHA trong tự nhiên

2.1.1 Tổng hợp PHA trong tế bào vi sinh vật

• Quy trình tổng hợp PHA

 Nguyên liệu là đường hoặc acid béo, qua các chu trình phân hủy, tạo sản phẩm Hydroxyacyl-CoA Đây là tiền chất được vi sinh vật sử dụng để sản xuất PHA.Vi sinh vật có chứa gen phaC1, tổng hợp enzyme PhaC1 polymerase, đây là enzyme có vai trò polymer hóa các đơn phân để tạo sản phẩm polyhydroxyalka noate

(R)-3-Hình 2.1 Quy trình tổng hợp PHA từ glucose [16]

Đặc điểm của mcl-PHA (medium-chain-length PolyHydroxyAlkanoates)

 Nhóm R: Từ 6-14 Carbon

 Có tính linh hoạt, đàn hồi, là vật liệu đặc trưng cho tính dẻo và dính (gần giống với cao su)

 Vi sinh vật chuyên sản xuất mcl-PHA là Pseudomonas

 Là một loại vi khuẩn đất

 Gồm nhiều chủng có khả năng sản xuất mcl-PHA, điển hình là Pseudomonas

aureofaciens và Pseudomonas oleovorans

Hình 2.2 Operon PHA gen của P.aureofaciens và P oleovorans [16]

(pha C1, pha C2: mã hóa cho enzyme PHA polymerase có nhiệm vụ tổng hợp Ppha Z: mã hóa cho enzyme PHA depolymerase, là enzyme phân hủy PHA)

 Đặc điểm gen tổng hợp PHA ở Pseudomonas

• Pha C1 và pha C2 tổng hợp PHA độc lập nhau

• Chỉ cần 1 trong 2 gen là đủ tổng hợp PHA ở vi khuẩn tái tổ hợp

Bảng 2.1 Thành phần và lượng mcl-PHA tổng hợp bởi Pseudomonas nhờ gen phaC

Loại

gen CDW (g/l) PHA (wt%) Thành phần đơn phân của PHA (mol%)C4 C6 C8 C10 C12

pha C

Pha

C1 4.72±0.12 72.0±3.8 0 12.9±0.3 44.1±0.9 25.0±0.2 18.0±1.0Pha

C2 3.45±0.17 31.8±2.4 3.7±0.4 6.1±0.4 40.0±3.1 27.8±1.4 22.4±1.9

Từ số liệu trong bảng trên, lượng PHA và thành phần đơn phân của PHA do gen phaC1 tổng hợp chiểm ưu thế so với gen phaC2 Đây sẽ là đối tượng ta quan tâm trong quá trình thiết kế tạo vi sinh vật tái tổ hợp dùng để sản xuất PHA

Bảng 2.2 Nhựa sinh học sản xuất từ tinh bột

Cấu trúc hóa học của

tinh bột

Gồm Amylose và AmylopectinKhối lượng phân tử dao động tùy loài thực vậtNăng suất 40.000 tấn/năm

Giá thành 0.2-0.5 $/kg

Nguồn nguyên liệu Ngô, khoai, lúa mì, sắn, gạo, đậu…

Các công ty sản xuất Novamont, BIOP, Biotec, Rodenburg Biopolymers, Green LightSản phẩm Màng phủ, giấy gói bánh kẹo, túi đựng vật dụng

Ưu điểm Giá rẻ, nguồn nguyên liệu dồi dào, sản xuất được nhiều loại mặt hàngNhược điểm Các thuộc tính cơ học kém: giòn, yếu, nhạy cảm với môi trường, kị

nước, chỉ thích hợp sử dụng trong thời gian ngắn

[14]

• Cao su thiên nhiên: bao gồm chủ yếu là các cis-poly isomeprene với một số thành phần phụ, là loại polymer sinh học có đặc tính cơ học vượt trội hơn các loại polymer tổng hợp khác, một số ứng dụng của nó không thể thay thế được bằng vật liệu tổng hợp ví dụ như: lốp xe tải, máy bay, một vài dụng cụ y tế…

Bảng 2.3 Nhựa sinh học sản xuất từ cao su thiên nhên

Cấu trúc hóa học của

Nguồn nguyên liệu Cây cao su

Các nước sản xuất Indonesia, Malaysia, Thái LanSri Lanka, Ấn Độ, Trung Quốc,

Ethiopia, Nigeria, BrazilSản phẩm Lốp xe, găng tay, đệm, sợi…

Ưu điểm Các tính chất cơ học quý: đàn hồi tốt, chịu nước, dễ gia công…Nhược điểm Đắt tiền, nhạy cảm với các yếu tố như dung môi hữu cơ, các loại

dầu nhớt, các chất oxy hóa, không thể tái sử dụng…

[14]

• Protein thực vật : một số ví dụ về protein thực vật có thể ứng dụng sản xuất bioplastic như :Protein từ cây ngô (zein), protein đậu nành, gluten từ lúa mì…những vật liệu này thường được sản xuất bằng cách trộn các protein với tinh bột, polyphosphate, hỗn hợp glutaraldehyde, formaldehyde, hoặc chất độn khác Zein là một protin quan trọng trong cây ngô Vào năm 1950 khoảng 2700 tấn plastic được sản xuất từ zein Những sản phẩm

từ zein có giá khoảng 2.5 $/kg ngày nay con số này đã cao hơn gấp 10 lần, hãng T.Henry Ford đã sử dụng protein đậu nành như một nguồn nhựa sinh học để sản xuất phụ tùng xe hơi Tuy nhiên, ngành công nghiệp này chỉ phát triển mạnh trong khoảng thời gian từ năm 1930-1940 sau đó thế giới đã không chấp nhận các sản phẩm này nữa vì một số nguyên nhân như: độ bền cơ học kém, giá thành quá cao và làm ảnh hưởng tới sản lượng

lương thực thế giới Ngày nay, người ta đang tiến hành nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật di truyền để cải thiện giá thành và tính chất công nghiệp của loại vật liệu này

Bảng 2.4 Một vài loại protein có thể sử dụng để sản xuất bioplastic

Protein Năng suất

(tấn/năm) Hàm lượng protein ứng dụng Giá thành

phủ… giá nhựa tổng hợpCao hơn so với

[14]

2.2 Các phương pháp tiếp cận công nghệ sinh học để sản xuất PHA

2.2.1 Sản xuất PHA từ E.coli biến đổi gen

• Vật liệu: vi khuẩn E.coli

Ưu điểm của việc sử dụng E coli

 Phát triển nhanh

 Phạm vi rộng về cơ chất C

 Phương thức trao đổi chất và nguồn gen đã được tìm hiểu từ lâu

 Có khả năng nuôi cấy với mật độ tế bào cao

 Kỹ thuật tiến hành dễ dàng

 Chi phí không cao

Thiết kế quy trình sản xuất PHA

P.oleovorans

MồiPlasmid

E.coli

Thu nhận DNAPCRPlasmid tái tổ hợp

E.coli tái tổ hợp

Thu nhận PHAChế biếnSản phẩm