Đề tài Vật liệu bao bì sinh học

Trường Đại Học Bách Khoa Khoa Kỹ Thuật Hĩa Học Ngành Cơng Nghệ Thực Phẩm Báo Cáo Bao Bì Thực Phẩm VẬT LIỆU BAO BÌ SINH HỌC GVDH: PGS.TS Đống Thị Anh Đào SVTH: HC07TP Năm học: 2009 – 2010 Mở đầu 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 hủy những chiếc nilon này là khoảng 50 năm sẽ ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường. Nhự a nhiệt dẻo phải mất từ 10 tới 30 năm. Thậm chí là một thế kỷ mới có thể phân hủ. Nếu mang đốt, chúng sẽ gây ô nhiễm không khí. Trong khi đó, chôn lấp sẽ tốn đất và ảnh hưởng tới nguồn nước ngầm. Hoạt động tái chế cần đầu tư trang thiết bị đắt tiền, hiệu quả kinh tế thấp. Chỉ riêng năm 1996, thế giới sử dụng 150 triệu tấn nhựa dẻo. Chính vì những lý do trên mà nhiều nước trên thế giới đã bắt đàu nghiên cứu polymer tự phân hủy từ những năm 1980 để sử dụng trong nông, lâm nghiệp, chế biến thực phẩm (bao túi đựng thực phẩm ) và y tế ( màng mỏng phủ vết bỏng và polymer để gắn xương. Năm 1980 trên thế giới mới chỉ có 7 – 12 sáng chế trong ngành này. Tuy nhiên, con số đó đã tăng lên 1500 trong 10 tháng năm 2003. Hiện Mỹ đã thay thế 30% nhựa nhiệt dẻo bằng polymer tự phân hủy. Nước Mỹ sử dụng 190lbs nhựa mỗi năm, trong đó khoảng 60lbs thì được dùng để đóng gói và sẽ được bỏ đi ngay sau khi bao bì được mở. Nhiều vật liệu plastic sẽ được bỏ trong nơi đổ rác và là nơi mà chúng tồn tại hàng nhiều thế kỉ ở đó. Sự phát triển dân số liên quan đến vấn đề rác thải và nhu cầu phát triển các vật liệu có tính chống đỡ tốt hơn, dẫn đến việc ra đời các công ty nghiên cứu và chế tạo ra các vật liệu polyme phối trộn từ nguồn nông nghiệp. Chúng ta tin tưởng rằng vật liệu polyme sinh học sẽ có tiềm năng lớn trong thị trường đóng gói thực phẩm trong 10 năm tới. Sự có mặt của nó góp phần làm giảm đi sự phụ thuộc vào dầu mỏ nước ngoài và chúng ta sẽ giải quyết được vấn đề môi trường do 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 tồn tại của nó, chính sách giao vấn đề quản lý chất thải cho các nhà sản xuất, giới hạn lượng bao bì đóng gói thực phẩm, khuyến khích các tổ chức chính quyền sử dụng vật liệu sinh học. Những chính sách này giúp cho việc tạo ra môi trường phát triển cho polyme sinh học. II. Các loại vật liệu Polyme được xem như là “xanh” thì phải thỏa mãn 2 yếu tố: Một là chúng phải được tạo ra từ những nguồn nguyên liệu có thể tái tạo, làm đổi mới lại được như: cây trồng…Hai là chúng phải trở thành phân bón khi bị phân hủy. Hai điều kiện này thì không phụ thuộc vào nhau. Có 2 loại polyme: tự nhiên và tổng hợp. Polyme tự nhiên được tạo ra từ các nguồn có thể hồi phục lại được : tinh bột, xenlulo và polyme tổng hợp thì dựa vào các chế phẩm của công nghiệp dầu mỏ. Bao bì sinh học là sản phẩm từ nguyên liệu tự nhiên, có 3 dang: Polymer được tách trực tiếp từ sinh vật. Polymer tổng hợp từ các monomer có nguồn gốc sinh học. Các hợp chất hữu cơ thiên nhiên được biến đổi. importn foodpckaging? 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. Hình ảnh ly nhựa bằng vật liệu sinh học trong 1, 15, 30, 50 ngày 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 tù chất hữu cơ lên men. Vật liệu từ tinh bột Đây là nguồn nguyên liệu phong phú, có sẵn và rẻ tiền. Tinh bột có 2 thành phần là 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 polyolefins. 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), thermoplastic tinh bột (TPS). Ba loại này nag notice quant tam trong những năm gần đây. PLA notice 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 polyme này rất thân thiện với môi trường, nhưng vẫn chưa sử dụng rộng rãi do chi phí sản xuất còn cao. Polyme 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. Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng vẫn còn nhiều rào cản khiến chúng chưa notice sử dụng rộng rãi: sự hoài nghi của người tiêu dùng, chi phí nguyên liệu, chi phí kỹ thuật. Để vượt qua những rào cản đó chúng ta phải có những chính sách như sau: Đưa ra những nghiên cứu mở rộng về việc đóng gói bao bì có bổ sung khí quyển. Tiếp tục nhắm vào các mặt hàng ở các cửa hàng tạp hóa, các sản phẩm trái cây, rau,sản phẩm snack cho trẻ em và thực phẩm cho vật nuôi trong nhà. Tìm kiếm sự đồng tình ủng hộ của các tổ chức có quan tam đến vấn đề môi trường như: các trường đại học, cao đẳng, đồng thời tìm kiếm các tổ chức nào cũng quan tâm đến vấn đề này để có thể giúp đỡ lẫn nhau. Nhấn mạnh vào sự tiện ích bởi vì còn rất nhiều người không quan tâm đến môi trường và sự tiện ích của nó. 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 các dextrin. Các dextrin này sẽ được chuyển thành axit 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 dó 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. Qui trình sản xuất PLA Sau đó, vật liệu này được bán cho các công ty và nó sẽ được gia công thêm để cho ra sản phẩm cuối cùng. Sau một thời gian sử dụng thì PLA sẽ bị hủy đi hoặc được tái chế lại. 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 1140 F. Nếu vượt qua nhiệt độ này thì PLA sẽ tan chảy ra. 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 plastic. 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. Có 2 phương pháp để tổng hợp nên 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, 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 mà 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. 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 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 copolmers 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 polyme 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 tao 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 cĩ 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 mơi trường do khi phân hủy nĩ khơng 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 hằng năm cho các đại lý bán lẻ rau quả , dâu tây, thảo dược . Hiệu quả kinh tế thể hiện rõ rệt. 2.Vật liệu từ cellulose Cellulose là nguồn nguyên liệu phong phú, không hòa tan trong nước và hầu hết dung môi hữu cơ. Cellophane (giấy bóng 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 khả năng chống thấm, mặc dù lớp phủ này thì không được phân hủy bởi lớp vi sinh vật. Chúng ta có thể bao gói bánh mì bằng cellophan – 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 au 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. Đường cong phân hủy của plastic sinh học Vật liệu bao bì từ cellulose : sử dụng để bảo quản một số loại rau quả dễ bị hư hỏng như: dâu tây, đào, chuối, nấm,… 3. Vật liệu từ 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 acetyl sẽ tạo thành Chitosan. Chitin và Chitosan là hai loại polymer có đặc tính cơ phù hợp để tạo dạng màng và dạng sợi. 3.1. Chitin Tên hóa học: Poly-N-Acetyl-D-Glucosamine hay [(1-4)]-2-Acetamido-2-deoxy-ß-D-glucan Công thức phân tử: (C8H13NO5)· n Sản phẩm này là một polysaccharide cao phân tử chiết tách từ tôm và cua biển. 3.2. Chitosan Tên hóa học: Poly-(1-4)-2-Amino-2-deoxy-ß-D-Glucan. Công thức phân tử: (C6H11O4N)· n. Vật liệu Mater – Bi Mater-Bi được sản xuất bởi Novamont, một công ty nghiên cứu của Ý đã cho thấy khả năng thay thế plastic từ nguyên liệu dầu mỏ. Mater-Bi là polymer sinh học được phân hủy hoàn toàn đầu tiên được nghiên cứu Một số vật liệu khác Một công ty ở Anh đã phát triển 1 loại dung dịch mới, có tính thực tiễn và an toàn đối với môi trường, giải quyết vấn đề môi trường do hàng triệu tấn rác thải bằng plastic gây ra. Họ tuyên bố rằng việc cắt đứt liên kết cacbon trong nhựa góp phần làm giảm phân tử lượng, thay đổi thuộc tính dẫn đến việc chúng có thể phân hủy nhanh chóng. Một bước đột phá mới khi các nhà khoa học phát triển bao bì bioplastic tốt hơn : cĩ khả năng phân hủy ở nhiệt độ thấp đến 330F, hay đơn giản nĩ cĩ thể phân hủy dưới mưa, các vi sinh vật trong đất. Bioplastic phân hủy cho ra CO2 và H2O. Plastic từ tinh bột được tạo ra bằng cách ép đùn, thổi khí và đúc thành khuơn. So sánh với plastic từ dầu mỏ thì giá cả bioplastic rẽ hơn khoảng 32cent/pound. Các loại bao bì này thường dùng bao gĩi các thực phẩm khơ như socola, kẹo , bánh…. Bằng cách phối trộn giữa protein từ bắp và các acid béo người ta cĩ thể tạo ra một loại resin bằng cách ép đùn thành màng phân hủy sinh học được ưu chuộng hơn plastic.Vật liệu này khi đốt cháy cho ra các chất khơng gây độc hại. Các loại màng này thường dùng bao gĩi các dạng thực phẩm đơng lạnh, các loại bánh, thức ăn nhanh… Các plastic ăn được làm từ tinh bột và protein, sau khi sử dụng cĩ thể nghiền nhỏ ra làm thức ăn cho gia súc bởi thành phần dinh dưỡng chứa trong nĩ khá cao. Plastic từ khoai tây : Các phế phẩm trong ngành chế biến khoai tây cĩ thể được tận dụng để làm plastic. Tinh bột từ các phế phẩm này được vi khuẩn thủy phân thành đường glucose, sau đĩ lên men nhờ vi khuẩn latic cho ra sản phẩm là acid latic, sấy khơ và nghiền thành bột để dùng tạo ra một dạng PLA plastic bằng kỹ thuật ép đùn. Bao bì nhựa tự phân hủy Màng polymer tự phân huỷ Cĩ thể nĩi đây là sản phẩm đầu tiên thuộc loại này của ngành sản xuất vật liệu polymer ở Việt Nam. Ưu điểm chính của nĩ là khơng gây ơ nhiễm mơi trường giống như màng và túi đựng bằng nhựa nhiệt dẻo (PE, PP, PVC) hiện nay. 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, nhĩm 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 cĩ 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 đĩng vai trị 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. Cĩ thể tạo ra các màng cĩ độ dày khác nhau theo yêu cầu của người sử dụng. Nhĩm nghiên cứu đã phủ vật liệu mới này trên các luống lạc tại Nơng trường Thanh Hà, Hồ Bình. Kết quả cho thấy, nĩ cĩ tác dụng giữ ẩm, dinh dưỡng cho đất, chống xĩi mịn và diệt cỏ dại. Sau 4 tháng, tồn bộ màng polymer phân huỷ 100%. Hiện họ đang mở rộng ứng dụng cho mọi nơng trường lạc, bơng, ngơ và thuốc lá trên tồn quốc. Tiến sĩ Phạm Thế Trinh, Phĩ Viện trưởng Viện Hố học cơng nghiệp, cho biết: "Nhu cầu sử dụng màng polymer tự phân huỷ trong nơng, lâm nghiệp và thực phẩm là rất lớn. Chúng tơi mong nhận được sự hỗ trợ của các cơ quan hữu quan để sản xuất hàng loạt, tiến tới chế tạo bao gĩi thay thế bao bì nhựa nhiệt dẻo hiện nay Những bình làm từ vật liệu phân hủy bởi vi sinh vật, có thể trồng trực tiếp vào đất, không ngăn cản rễ khi cây phát triển, khi nó vỡ ra, rễ có thể phát riển ở vùng đất xung quanh. Tương lai của polymer sinh học 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 đan 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 PHAs, có giá gấp 10 lần plastic truyền thống. Tuy nhiên, do lượng sản phẩm này ít hơn, ảnh hưởng đến vấn đề giá cảùù, 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 mong thay thế hoàn toàn vật liệu truyền thống bằng vật liệu sinh học trong một thời ngắn, tuy nhiên, đó thật sự là vật liệu của tương lai, khi mà nhưng đạc tính và giá cả của chúng tương đương với vật liệu truyền thống. Tài liệu tham khảo.