Đề tài Bao bì tự hủy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BAO BÌ TỰ HỦY GVHD : cô Đống Thị Anh Đào Lớp : HC07TP Năm học 2009 -2010 ĐẶT VẤN ĐỀ: Việc sử dụng bao bì plastic đang làm gia tăng sự ô nhiễm môi trường. Theo thống kê sơ bộ của Bộ Tài nguyên Môi trường, trung bình 1 ngày, 1 người tiêu dùng phải sử dụng ít nhất một chiếc túi nilon. Thời gian để phân huỷ những chiếc nylon này là khoảng 50 năm sẽ ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường. Nhựa nhiệt dẻo phải mất từ 10 tớ i 30 năm, thậm chí là một thế kỷ, mới có thể phân huỷ. Nếu mang đốt, chúng sẽ gây ô nhiễm không khí. Trong khi đó, chôn lấp sẽ rất tốn đất và ảnh hưởng tới nguồn nước ngầm. Hoạt động tái chế cần đầu tư thiết bị máy móc đắt tiền, hiệu quả kinh tế thấp. Chỉ riêng năm 1996, thế giới sử dụng 150 triệu tấn nhựa nhiệt dẻo. Chính vì những lý do trên mà nhiều nước trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu polymer tự phân huỷ kể từ những năm 1980. Năm 1980 trên thế giới mới chỉ có 7 -12 sáng chế trong ngành này. Tuy nhiên, con số đó đã tăng lên 1.500 trong 10 tháng đầu năm 2003. Hiện Mỹ đã thay thế 30% nhựa nhiệt dẻo bằng polymer tự phân huỷ. Bao bì tự hủy có nguồn gốc sinh học có tiềm năng lớn trong thị trường bao gói thực phẩm trong những năm tới. Điều này sẽ giúp chúng ta hạn chế sự phụ thuộc vào nguồn dầu mỏ đang dần cạn kiệt đồng thời giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường của bao bì plastic gây ra. Trong những năm gần đây, các quốc gia có những đạo luật như: các cơ sở sản xuất phải có trách nhiệm với các sản phẩm do mình làm ra ở giai đoạn cuối vòng đời của nó, chính sách giao vấn đề quản lý chất thải cho các nhà sản xuất, giới hạn lượng bao bì đóng gói cho thực phẩm, khuyến khích các tổ chức chính quyền sử dụng vật liệu sinh học. BAO BÌ TỰ HỦY: Hiện nay, vật liệu bao bì sinh học chủ yếu từ polymer sinh học chẳng hạn như: tinh bột, cellulose, protein, pullulan, gelatin… và các monomer từ chất hữu cơ lên men. 2.1. Bao bì tự hủy từ tinh bột: đây là nguồn nguyên liệu phong phú, có sẵn và rẻ tiền. Tinh bột có 2 thành phần Amilose và Amilopectin. Trong tự nhiên tinh bột có nhiều ở ngũ cốc, một số loại củ và một số loại đậu. Hạt tinh bột có thể được kết hợp với plastic truyền thống, đặc biệt kết hợp với polylefins. Khi đó plastic sẽ được phân hủy bởi vi sinh vật, vi sinh vật sẽ sử dụng tinh bột, làm tăng độ xốp tạo khoảng trống làm mất tính nguyên vẹn của mạng plastic. Có 3 loại polyme phối trộn: Poly(hydroxylalkanoates) (PHA) Polylactic acid (PLA): được sản xuất từ sự lên men tinh bột (chủ yếu là tinh bột bắp). Loại polyme này tiêu tốn ít năng lượng hơn plastic. Mặc dù những polymer này rất thân thiện với môi trường, nhưng vẫn chưa sử dụng rộng rãi do chi phí sản xuất còn cao. Thermoplastic tinh bột (TPS): là polyme 100% từ tinh bột, đã có chỗ đứng trên thị trường. Nó có ưu điểm là: chi phí năng lượng, giá cả thấp hơn so với plastic truyền thống. Ba loại này được quan tâm trong những năm gần đây. Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng vẫn còn nhiều rào cản khiến chúng chưa được sử dụng rộng rãi: sự hoài nghi của người tiêu dùng, chi phí nguyên liệu, chi phí kỹ thuật. Nhưng trong bao bì tự hủy có nguồn gốc sinh học sẽ nhanh chóng thay thế bao bì thông thường do nguồn gốc có thể tái tạo của chúng. 2.1.1. Vật liệu PLA: Những vật liệu đóng gói bằng plastic vững chắc, sạch được sử dụng phải thỏa mãn các điều kiện: không đắt tiền, nhẹ, sạch, không thấm khí, không thấm nước và dầu. Người ta sản xuất PLA dựa vào nguồn nguyên liệu từ tinh bột bắp. Bắp được xay và cán. Sau đó sẽ được đường hóa thành dextrin. Các dextrin này sẽ được chuyển thành acid lactic qua quá trình lên men. Và rồi sẽ được cô đặc, lúc này 2 phân tử lactic sẽ kết hợp lại thành cấu trúc vòng gọi là lactid. Hợp chất lactid này sẽ được làm sạch qua quá trình chưng cất. Sau đó chúng sẽ được trùng hợp tạo chuỗi polyme mạch dài. Để có nhiều loại thì ta có thể thay đổi phân tử lượng và độ trong. Bằng cách thêm vào nhiều chất bổ sung ta sẽ có vật liệu PLA. Sau đó, vật liệu này sẽ được gia công thêm để cho ra sản phẩm cuối cùng. Sau một thời gian thì PLA sẽ bị hủy đi hoặc được tái chế lại. Mặc dù có nhiều lợi ích đối với môi trường nhưng vẫn có nhiều khía cạnh kỹ thuật cần phải giải quyết. Ví dụ: tinh bột rất dễ tương tác với nước nên nhiều thuộc tính của PLA sẽ không được sử dụng trong thị trường chai, lọ. Mặt khác PLA chịu được nhiệt độ tối đa là khoảng 114oF, nếu vượt qua nhiệt độ này thì PLA sẽ tan chảy ra. 2.1.2. Vật liệu PHA: Poly(hydroxylalkanoates) hay PHA là một vật liệu polyme khác có nhiều hứa hẹn. Polyme này đang được nghiên cứu để thay thế cho bao bì plactic. 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 carbon, vi sinh vật hữu cơ khác và có qua quá trình gia công. Có 2 phương pháp để tổng hợp nên PHA: Phương pháp lên men gồm: trồng các cây trồng như bắp rồi thu hoạch, tách chiết glucose từ cây trồng, sau đó lên men đường trong những tế bào chứa PHA, 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 thì giống với 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. 2.1.3. Vật liệu TPS: Vật liệu bằng tinh bột có chứa chất dẻo chịu nhiệt (thermoplastic Starches) Thermoplastic Starches 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. Thermoplastic Starches (TPS) khác PLA và PHA là chúng không qua giai đoạn 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 thể lớn hơn 50% sẽ tạo nên các loại plastic mà đáp ứng 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, dễ bị rách trượt và không được phân hủy một cách hoàn toàn bởi vi sinh vật. Starch/vinyl alcohol copolymers: tùy vào điều kiện gia công, loại tinh bột và thành phần của copolymers 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 nah5y 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. Polyesters béo có điểm tan chảy thấp khó tạo thành vật liệu 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 glycol như 1,4 – butandiol với một số acid như: succinic, sebacic, adipic, azelaic,decanoic, brassillic. Sự kết hợp này sẽ làm tăng thuộc tính cơ, giảm sự nhạy cảm với nước và tăng khả năng phân hủy. 2.2. Bao bì tự hủy từ cellulose: Cellophane hay giấy bong kính là một trong những dạng phổ biến của bao bì từ Cellulose, được sử 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 cường khả năng chống thấm, mặc dù lớp phủ này thì không được phân hủy bởi lớp sinh vật. Chúng ta có thể bao gói bánh mì bằng cellophane - một loại vật liệu phân hủy sinh học dùng bao gói thực phẩm, loại vật liệu này 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 có thể ăn được. Ngoài ra cellulose acetate được kết hợp với tinh bột để tạo nên plastic dễ phân hủy bởi vi sinh vật. Cellulose cũng kết hợp với Chitosan tạo màng có khả năng thấm khí và thấm nước cao. Vật liệu bao bì từ cellulose: sử dụng để bảo quản một số loại trái dễ bị hư hỏng như dâu tây, đào, chuối, nấm, … 2.3. Bao bì tự hủy từ Chitin và Chitosan: Đây là hai loại polymer có đặc tính phù hợp để tạo dạng màng và dạng sợi. 2.4. Bao bì tự hủy từ vật liệu khác: 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 phân hủy sinh học được ưa chuộng hơn cả plastic. Vật liệu này khi đốt cháy cho ra các chất không gây độc hại. Các loại màng này thường được bao gói các dạng thực phẩm đông lạnh, các loại bánh, thức ăn nhanh, … Các plastic ăn được 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 chứa trong nó khá cao. Plastic từ khoai tây được sản xuất từ sự tận dụng các phế phẩm trong ngành chế biến khoai tây. Tinh bột từ các phế phẩm này được vi khuẩn thủy phân thành đường glucose, sau đó lên men nhờ vi khuẩn lactic cho ra sản phẩm là acid lactic, sấy khô và nghiền thành bột để tạo ra một dạng PLA plastic bằng kỹ thuật ép đùn. 2.5. Màng polymer tự hủy Việt Nam đã sản xuất được loại này và có thể xem đây là loại bao bì tự hủy có nguồn gốc sinh học đầu tiên ở nước ta. Vật liệu chính dùng trong sản xuất màng polymer tự phân huỷ là nhựa LDPE (low density polyetylen - polyetylen tỷ trọng thấp) và tinh bột sắn. Ban đầu, nhóm nghiên cứu cho LDPE, tinh bột sắn và một số chất phụ gia đi qua máy trộn vật liệu cực đều ở nhiệt độ thích hợp. Tiếp đến, vật liệu được đùn ép trên máy đùn trục vít có 3 vùng điều khiển nhiệt độ khác nhau. Sau khi được bổ sung chất trợ tương hợp và chất phân tán, nhựa hạt đi qua máy chém hạt để tạo hạt compound. Chất trợ tương hợp đóng vai trò quyết định về khả năng phân phối trộn và sự đồng đều của vật liệu. Cuối cùng, hạt compound đi qua máy ép phun để tạo vật liệu định hình hoặc qua thiết bị thổi màng để thổi thành màng mỏng. Có thể tạo ra các màng có độ dày khác nhau theo yêu cầu của người sử dụng. BÀN LUẬN: Vấn đề thân thiện của môi trường ngày càng được coi trọng nhưng hiện nay đặc tính vật liệu và giá cả vẫn là những yếu tố quan trọng. Hầu hết polyme 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 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 PHAs, có giá gấp 10 lần plastic truyền thống. Tuy nhiên, do lượng sản phẩm này ít hơn, ảnh hưởng đến vấn đề giá cả, nếu sản xuất với số lượng lớn thì giá của chúng sẽ thấp hơn. Các nghiên cứu khoa học đã tìm ra một lượng lớn các vật liệu sinh học thích hợp cho bao bì thực phẩm nhưng việc ứng dụng chúng vẫn còn nhiều hạn chế. Chúng ta không thay thế hoàn toàn vật liệu truyền thống bằng vật liệu sinh học trong một thời gian ngắn, tuy nhiên, đó thật sự là vật liệu của tương lai, khi mà những đặc tính và giá cả của chúng tương đương với vật liệu truyền thống.