TÌM HIỂU về POLYMER PHÂN hủy SINH học

Gần đây, một số polymer, chất dẻo đã được sản xuất từ sinh khối và là vật liệu có khả năng phân hủy sinh học.. Các polymer có khả năng tự phân hủy dạng polylactic, polylactic - coglycoli

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

 -

BÁO CÁO TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HÓA HỌC VÀ HÓA LÝ CAO PHÂN TỬ

ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ POLYMER PHÂN HỦY SINH HỌC

GVHD: TS Nguyễn Tuấn Anh

Mục lục

CHƯƠNG 1 Khái niệm, cơ chế và nguyên liệu trong công nghệ polymer phân

hủy sinh học 5

1.1 khái niệm về polymer phân hủy sinh học 5

1.2 cơ chế 6

1.3 Nguyên liệu mới trong ngành sản xuất nhựa phân hủy sinh học 8

CHƯƠNG 2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy sinh học 10

2.1 Thời gian gần đúng cho các hợp chất phân hủy sinh học trong môi trường biển 11

2.2 Khung thời gian cho việc phân hủy vật dụng thông thường trong môi trường trên mặt đất 13

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CỦA POLIME PHÂN HỦY SINH HỌC 15

4.1 Ứng dụng trong lâm, nông nghiệp 15

4.2 Ứng dụng làm bao bì, túi đựng hàng hóa 17

4.3 Ứng dụng trong y – sinh học 18

CHƯƠNG 4 Ảnh hưởng của polymer phân hủy sinh học đến môi trường và xã hội 20

4.1 Ảnh hưởng của polymer phân hủy sinh học đến môi trường 20

4.2 Ảnh hưởng của polymer phân hủy sinh học đến xã hội 21

CHƯƠNG 5 Công nghệ sản xuất nhựa tự hủy sinh học với thành phần chính từ tinh bột 24

5.1 Thành phần: 24

5.2 Quy trình sản xuất 25

Lời mở đầu

Polymer là các đại phân tử tổng hợp và tự nhiên cấu thành từ các đơn vị nhỏhơn monomers kết nối với nhau Polymer tự nhiên bao gồm protein,polysaccharides, và nucleic acid Polymers tổng hợp đã được phát triển có độ bền

và kháng chịu với tất cả các hình thức giảm cấp Những đặc điểm này và những đặctính khác, chẳng hạn như độ cứng, tính thấm khí và độ trong suốt có thể được kiểmsoát bằng những thay đổi trong tổng hợp polymer, trọng lượng phân tử hoặc sửdụng các phụ gia

Polymer được sử dụng rộng rãi, các vấn đề với việc tiêu hủy rác thải nhựangày càng trở nên trầm trọng Mặc dù có gia tăng không ngừng việc tái chế rácthải, một số lớn chất thải vẫn còn phải đem đi tiêu hủy Các phương pháp phổ biếnnhất cho việc tiêu hủy rác thải rắn là chôn đất Sự kết hợp việc giảm nguồn thải, táichế, thiêu và làm mũn đang được phát triển ngày càng nhiều ở Tây Âu, Hoa Kỳ vàcác nơi khác như là một cách thay thế cho việc chôn chất thải rắn trong đất Cácpolymer tổng hợp được chế tạo và sử dụng vì chúng có tính kháng chịu giảm cấp(suy giảm các tính chất hóa lý) Tuy nhiên, khi chúng không còn hữu dụng thì việctiêu hủy chúng trở thành một vấn đề

Gần đây, một số polymer, chất dẻo đã được sản xuất từ sinh khối và là vật liệu

có khả năng phân hủy sinh học Tạo ra một dạng polymer phân hủy sinh học (thànhCO2 và H2O), không để lại di hại cho đất, có độ bền tương đương polymer truyềnthống và có giá thành chấp nhận được, là mong muốn của các nhà sản xuất chấtdẻo, là nổ lực của các nhà khoa học Vì vậy, cho đến nay, việc nghiên cứu polymerphân hủy sinh học vẫn đang là đề tài nóng hổi

Chính vì những lợi ích mà polymer phân hủy sinh học mang lại mà nhómchúng em làm bài tiểu luận này với mục đích tìm hiểu sâu hơn về các tính chất củapolymer, đặc biệt là polymer phân hủy sinh học Nhiệm vụ của bài tiểu luận là quátrình tìm hiểu, tổng hợp các kiến thức liên quan đến việc sản xuất vật liệu polymer

có khả năng phân hủy sinh học bao gồm: cơ chế quá trình phân hủy sinh học, cácyếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy sinh học, công nghệ phân hủy sinh học, cáctác động của polymer đến môi trường và xã hội.

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM, CƠ CHẾ VÀ NGUYÊN LIỆU TRONG CÔNG

NGHỆ POLYMER PHÂN HỦY SINH HỌC 1.1 khái niệm về polymer phân hủy sinh học

Polymer có khả năng phân hủy sinh học khi gặp tác động của nước, khôngkhí, nấm, vi khuẩn trong tự nhiên, các polymer này sẽ tự phân hủy thành nhữngchất không có hại cho môi trường

Các polymer có khả năng tự phân hủy dạng polylactic, polylactic - coglycolic,poly caprolactam… dùng trong dược phẩm (bọc thuốc viên, khớp nối trong cơthể…) thì các dạng polymer có khả năng tự phân hủy dùng làm túi, bầu ươm cây,màng bọc trái cây…

Các polyme có khả năng phân hủy sinh học có thể thu được từ các nguồnnguyên liệu có khả năng tái tạo hoặc tổng hợp từ hóa chất có nguồn gốc dầu mỏ Sựtrộn hợp của hai hoặc nhiều hơn các polyme có khả năng phân hủy sinh học có thểtạo ra một polyme có khả năng phân hủy sinh học phù hợp với những yêu cầu nhấtđịnh Khả năng phân hủy sinh học không chỉ phụ thuộc vào nguồn gốc mà còn phụthuộc vào cấu trúc hóa học và môi trường phân hủy

Khi một vật liệu có khả năng phân hủy sinh học (polyme nguyên chất, sảnphẩm trộn hợp, hoặc composit) thu được hoàn toàn từ các nguồn nguyên liệu cókhả năng tái tạo được gọi là vật liệu polyme xanh Vòng đời của các polyme có khảnăng phân hủy sinh học được mô tả trong hình sau:

Vòng đời của các polyme có khả năng phân hủy sinh học

2 phản ứng sinh học

Phản ứng sinh học là sự xuống cấp ở bề mặt làm thay đổi các tính chất cơ học,vật lý và hóa học của vật liệu

Các vi sinh vật sử dụng các nguồn sáng tạo thành năng lượng quang học, dướitác dụng nhiệt độ thích hợp, các phân tử lớn được chia thành các phần nhỏ hơn vàsau đó sử dụng hết trong hô hấp Nhiều quá trình đồng hóa được cung cấp bởi cácquá trình thủy phân.

Các liên kết trong polymer bị phân cắt tạo ra oligome và monome Các bướcthực hiện để phân đoạn các vật liệu này cũng khác nhau dựa trên sự hiện diện củaoxy trong hệ thống Sự phân hủy vật liệu của vi sinh vật khi có oxy là tiêu hóa hiếukhí, và sự phân hủy vật liệu khi không có oxy là tiêu hóa kỵ khí Sự khác biệt chínhgiữa các quá trình này là các phản ứng yếm khí tạo ra khí mê-tan, trong khi cácphản ứng hiếu khí thì không (tuy nhiên, cả hai phản ứng đều tạo ra carbon dioxide,nước, một số loại dư lượng và sinh khối mới) Ngoài ra, tiêu hóa hiếu khí thườngxảy ra nhanh hơn tiêu hóa kỵ khí, trong khi tiêu hóa kỵ khí làm tốt hơn việc giảmkhối lượng và khối lượng của vật liệu.[5] Do khả năng phân hủy kỵ khí để giảmkhối lượng và khối lượng chất thải và tạo ra khí tự nhiên, công nghệ phân hủy kỵkhí được sử dụng rộng rãi cho các hệ thống quản lý chất thải và là nguồn nănglượng tái tạo tại địa phương

Giai đoạn phản xạ sinh học là giai đoạn đầu, nhưng đa số giai đoạn phản xạsinh học và phản ứng sinh học thường xảy ra đồng thời

3 Đồng hóa

Các sản phẩm thu được từ phản ứng sinh học sau đó được tích hợp vào các tếbào vi sinh vật, đây là giai đoạn đồng hóa Một số sản phẩm từ sự phân mảnh đượcvận chuyển dễ dàng trong tế bào bởi các chất mang màng Tuy nhiên, những ngườikhác vẫn phải trải qua các phản ứng biến đổi sinh học để tạo ra các sản phẩm màsau đó có thể được vận chuyển bên trong tế bào Khi ở trong tế bào, các sản phẩm

đi vào con đường dị hóa dẫn đến việc sản xuất adenosine triphosphate (ATP) hoặccác yếu tố của cấu trúc tế bào

1.3 Nguyên liệu mới trong ngành sản xuất nhựa phân hủy sinh học

1 Vỏ tôm

Với một phát minh mới, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng vỏ tôm hoàntoàn có khả năng trở thành nguyên liệu sản xuất nhựa sinh học Trong vỏ tôm cóchứa chitosan Hoạt chất này sẽ được chiết xuất và đưa vào quy trình tạo ra nhựasinh học

Cách sản xuất nhựa sinh học từ nguyên liệu vỏ tôm không đòi hỏi công nghệ

cao mà chỉ sử dụng phương pháp và kỹ thuật thông thường Chính vì thế, chi phísản xuất từ nguyên liệu này khá rẻ

Loại nhựa sinh học được tạo ra từ vỏ tôm có tên gọi là nhựa Shrilk Đây là kếtquả của sự kết hợp từ chitosan chiết xuất từ vỏ tôm và protein chiết xuất từ tơ lụa.Nhựa Shrilk không có màu, độ trong suốt tương tự như vỏ tôm

Nhựa Shrilk có tính chất dẻo và rất chắc, ứng dụng vào ngành điện tử sản xuấtđiện thoại di động hay các quân cờ Và có một điểm đặc biệt trở thành ưu điểm lớncủa các sản phẩm làm từ loại nhựa này đó chính là thời gian phân hủy rất ngắn.Trong 2-3 tuần sau khi thải ra ngoài môi trường, các sản phẩm làm từ nhựa Shrilksẽ phân hủy thành nguồn dinh dưỡng mà thực vật có thể hấp thụ

2 Hạt quả bơ

Hạt quả bơ có thể được tận dụng để làm nguyên liệu sản xuất nhựa sinh

học Cách chế tạo nhựa sinh học từ hạt bơ khá giống với quy trình thông thường

nên tiết kiệm được chi phí sản xuất Nhựa sinh học từ hạt bơ có thời gian phân hủykhoảng từ 8-10 tháng tùy vào điều kiện môi trường và vi khuẩn tồn tại trong đất

3 Các loài thực vật

Nhựa sinh học hoàn toàn có thể được sản xuất từ nguyên liệu là các loài thựcvật Nhựa này có tên gọi là polyhydroxybutyrate (PHB) với đặc tính phân hủy sinhhọc và thân thiện với môi trường Sau khi phân hủy, PHB còn khả năng trung hòa

lượng khí CO2 nên nó được xem là nguồn nguyên liệu bền vững cần được khaithác trong tương lai.

Polyhydroxybutyrate (PHB) sản xuất nên nhựa dẻo, butanol và propylene và

các hóa chất công nghiệp khác Loài thực vật được lựa chọn để sản xuất vật liệu nhựa sinh học đó chính là cỏ switchgrass biến đổi gen Quy trình chế tạo nên dòng

sản phẩm này không đòi hỏi kỹ thuật cao nên tiết kiệm được chi phí sản xuất

4 Nguồn nguyên liệu tái tạo

Nguồn nguyên liệu tái tạo được nhắc đến ở đây chính là mía đường, ngô vànhựa của các loại cây lá kim Nhựa sinh học được sản xuất từ các thành phần nàyđược ứng dụng trong ngành sản xuất miếng cấy ghép y tế và bao bì thực phẩm.Mía đường là một trong những nguyên liệu tái tạo sử dụng để sản xuất nhựasinh học

5 Vỏ hạt điều

Nhựa sinh học được chế tạo từ vỏ hạt điều được ứng dụng trong ngành điện

tử Với nhiều đặc tính ưu việt là chịu nhiệt, chịu nước tốt với độ bền cao và thânthiện với môi trường Nhựa từ vỏ hạt điều được sử dụng tạo nên các chi tiết của cácsản phẩm điện tử như máy tính, điện thoại

6 Tinh bột

Về cơ bản, nguồn nguyên liệu được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành sảnxuất nhựa sinh học vẫn là từ tinh bột của các loại lương thực Về tỷ lệ các thànhphần nguyên liệu cụ thể theo khối lượng sẽ là tinh bột biến tính chiếm 25-50%,nhựa tổng hợp tự hủy sinh học chiếm 10- 40%, nhựa tổng hợp chiếm 5-15%, chất

ái lực chiếm 8-10%, chất kết hợp: 1-3% và các chất phụ gia chiếm 1-15%

CHƯƠNG 2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHÂN HỦY

SINH HỌC

Trong thực tế, hầu hết tất cả các hợp chất hóa học và vật liệu đều phải chịucác quá trình phân hủy sinh học Tuy nhiên, tầm quan trọng nằm ở tỷ lệ tương đốicủa các quá trình như vậy, chẳng hạn như ngày, tuần, năm hoặc thế kỷ Một số yếu

tố quyết định tốc độ xuống cấp của các hợp chất hữu cơ này Các yếu tố baogồm ánh sáng, nước, oxy và nhiệt độ Tốc độ phân hủy của nhiều hợp chất hữu cơ

bị giới hạn bởi tính khả dụng sinh học của chúng, là tốc độ mà một chất được hấpthụ vào hệ thống hoặc có sẵn tại vị trí hoạt động sinh lý, vì các hợp chất phải đượcgiải phóng vào dung dịch trước khi sinh vật có thể phân hủy họ Tốc độ phân hủysinh học có thể được đo lường bằng một số cách Xét nghiệm đo hô hấp có thểđược sử dụng cho các vi khuẩn hiếu khí Đầu tiên người ta đặt một mẫu chất thảirắn trong một thùng chứa có vi sinh vật và đất, sau đó sục khí hỗn hợp Trong vàingày, các vi sinh vật tiêu hóa từng chút mẫu và tạo ra carbon dioxide - lượng CO 2thu được đóng vai trò là một chỉ số về sự thoái hóa Khả năng phân hủy sinh học cũng

có thể được đo bằng các vi khuẩn kỵ khí và lượng khí mêtan hoặc hợp kim màchúng có thể tạo ra

Điều quan trọng cần lưu ý là các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy sinhhọc trong quá trình thử nghiệm sản phẩm để đảm bảo rằng kết quả tạo ra là chínhxác và đáng tin cậy Một số vật liệu sẽ kiểm tra khả năng phân hủy sinh học trongđiều kiện tối ưu trong phòng thí nghiệm để phê duyệt nhưng những kết quả này cóthể không phản ánh kết quả thế giới thực trong đó các yếu tố có nhiều thay đổi.Ví

dụ, một vật liệu có thể đã được thử nghiệm là phân hủy sinh học ở tốc độ cao trongphòng thí nghiệm có thể không bị suy giảm ở tốc độ cao trong bãi rác vì các bãichôn lấp thường thiếu ánh sáng, nước và hoạt động của vi sinh vật cần thiết cho sựxuống cấp Vì vậy, điều rất quan trọng là có các tiêu chuẩn cho các sản phẩm phânhủy sinh học bằng nhựa, có tác động lớn đến môi trường Việc phát triển và sử

dụng các phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn chính xác có thể giúp đảm bảo rằngtất cả các loại nhựa đang được sản xuất và thương mại hóa sẽ thực sự phân hủysinh học trong môi trường tự nhiên Một thử nghiệm đã được phát triển cho mụcđích này là DINV 54900

Công thức phân hủy sinh học hiếu khí

Công thức phân hủy sinh học kỵ khí

2.1 Thời gian gần đúng cho các hợp chất phân hủy sinh học trong môi trường biển

Găng tay len 1 năm

2.2 Khung thời gian cho việc phân hủy vật dụng thông thường trong môi trường trên mặt đất

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CỦA POLIME PHÂN HỦY SINH HỌC

Polyme phân hủy sinh học được ứng dụng chủ yếu trong 3 lĩnh vực: y – sinh học, nông nghiệp và bao bì, nhiều loại đã trở thành sản phẩm thương mại Do có tính chuyên dụng và giá thành cao nên polyme phân hủy sinh học được ứng dụng trong y – sinh học phát triển mạnh hơn trong các lĩnh vực khác

4.1 Ứng dụng trong lâm, nông nghiệp

Màng mỏng từ polyme đã được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp từ những năm 30, 40 của thế kỷ trước để làm màng che, phủ, hom ươm cây,… Màng polyme có tác dụng giữ hơi ẩm cho đất, ngăn cỏ dại phát triển, có tác dụng ổn định nhiệt của đất vì vậy làm tăng tốc độ phát triển của cây trồng các polyme làm màng phủ thông dụng là polyetylen tỉ trọng thấp (LDPE), polyvinylclorua(PVC),

polybutylen (PB) và copolyme của etylen với vinyl acetat,… Tuy nhiên, sau khi hếtthời gian sử dụng, các polyme này hầu như không bị phân hủy hoàn toàn trong đất gây ra nhiều khó khăn cho môi trường và cho bản thân người trồng trọt

Trong những năm gần đây, polyme phân hủy sinh học được định hướng sử dụng để làm màng che phủ trong nông nghiệp nhờ khả năng tự phân hủy sua một thời gian nhất định dưới tác động của nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và các vi sinh vật trong đất Màng phân hủy giúp cho thu hoạch thuận lợi, giảm giá thành sản xuất và không gây trở ngại cho vụ mùa sau Các màng mỏng polyme có thể bị phân hủy quang và phân hủy sinh học Để vật liệu có khả năng phân hủy quang, người ta thường đưa vào polyme một số chất quạ gia quang hóa và oxi hóa Tỉ lệ phối trộn được điều chỉnh sao cho khi cây phát triển thì polyme bắt đầu phân hủy

Màng mỏng phân hủy sinh học trên cơ sở tinh bột với polyvinylancol, co-acrylic axit), polyvinylclorua đã được ứng dụng ở Mỹ Màng mỏng poly(e-caprolacton) đã được ứng dụng làm bầu ươm cây giống Trong môi trường đất, poly(e-caprolacton) bị phân hủy sinh học, sau 6 tháng tổn hao 48% và sau 1 năm tổn hao tới 95% trọng lượng

poly(etylen-Trên thị trường, ngoài các polymer có khả năng tự phân hủy dạng polylactic, polylactic - coglycolic, poly caprolactam… dùng trong dược phẩm (bọc thuốc viên,khớp nối trong cơ thể…) thì các dạng polymer có khả năng tự phân hủy dùng làm túi, bầu ươm cây, màng bọc trái cây… chưa triển khai được vì giá thành còn quá cao Một số thông tin được công bố về việc phối hợp giữa PE (PVC) với tinh bột, tuy tạo ra màng polymer có giá thành thấp, nhưng trên thực tế, phần polymer

truyền thống không bị phân hủy triệt để thành CO2 và H2O mà tạo thành các mảnh nhỏ khó phân hủy, chui vào lỗ xốp của đất, gây nên tình trạng bạc màu đất Loại ô nhiễm này còn nguy hiểm hơn ô nhiễm thấy được và nhiều nhà khoa học đã cảnh báo về tình trạng này Tạo ra một dạng polymer phân hủy sinh học (thành CO2 và H2O), không để lại di hại cho đất, có độ bền tương đương polymer truyền thống và

có giá thành chấp nhận được, là mong muốn của các nhà sản xuất chất dẻo, là nổ lực của các nhà khoa học Vì vậy, cho đến nay, việc nghiên cứu polymer phân hủy sinh học vẫn đang là đề tài nóng hổi Polymer phân hủy sinh học được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nên tính chất, thành phần của nó cũng khác nhau Hiện nay, việc áp dụng polymer phân hủy sinh học phục vụ sản xuất nông nghiệp đang trở nên cấp thiết để tiết kiệm tối đanguồn nước, tăng tỉ lệ hấp thụ phân bón vào cây trồng, làm màng bọc nâng chất lượng trái và bảo quản sản phẩm sau thu hoạch, làm bầu ươm cây… Việc dùng túi nylon tự phân hủy sinh học sẽ giúp nhà nông giải quyết được bài toán về công, môi trường, chất lượng và giá thành sản phẩm Trên cơ sở đó, nhiệm vụ nghiên cứu được đặt ra là: tổng hợp một số loại polymer có khả năng giải quyết các vấn đề trên với các chỉ số hóa lý tương đương polymer truyền thống (PE, PP, PVC…), dễ gia công, giá thành thấp, phân hủy sinh học hoàn toàn Qua nhiều năm nghiên cứu, kết quả đã tạo được một loại polymer phân hủy sinh học hoàn toàn, đáp ứng các yêu cầu trên và đặt tên cho loại polymer

này là VINAPOL®.