Nhựa sinh học trên thế giới thường được quảng cáo là thân thiện với môi trường, nhưng liệu chúng có thật sự tốt như những lời quảng cáo đó?
Thế giới đã sản xuất hơn 9 tỷ tấn nhựa kể từ những năm 95. Với con số 165 triệu tấn trong số đó đã trôi ra đại dương và gây hại đến môi trường biển cũng như đời sống của sinh vật biển, với gần 9 triệu tấn nữa đi vào các đại dương mỗi năm. Vì chỉ có khoảng 9% nhựa được tái chế, phần lớn còn lại gây ô nhiễm môi trường hoặc nằm trong các bãi chôn lấp, nơi có thể mất tới 500 năm để phân hủy trong khi thời gian chúng tồn tại sẽ tiết ra các hóa chất độc hại vào lòng đất.
Đọc thêm: “RÁC THẢI NHỰA SẼ NHƯ THẾ NÀO VÀ ĐI VỀ ĐÂU KHI CHÚNG TRÀN XUỐNG BIỂN“
Nhựa truyền thống được làm từ nguyên liệu thô có nguồn gốc từ dầu mỏ. Một số người nói rằng nhựa sinh học – được làm từ 20% hoặc nhiều hơn các vật liệu tái tạo – có thể sẽ là giải pháp cho ô nhiễm rác thải nhựa. Những lợi thế thường được biết đến của nhựa sinh học là giảm việc sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch, lượng khí thải carbon nhỏ hơn và phân hủy nhanh hơn. Nhựa sinh học cũng ít độc hơn và không chứa bisphenol A (BPA), một loại chất gây rối loạn hoóc-môn thường có trong các loại nhựa truyền thống.
Kartik Chandran, giáo sư Khoa Kỹ thuật Môi trường và Trái đất tại Đại học Columbia, người đang nghiên cứu về nhựa sinh học, tin rằng so với nhựa truyền thống, “nhựa sinh học là một cải tiến đáng kể”.Tuy nhiên, nhựa sinh học vẫn chưa là phương án hiệu quả nhất cho vấn đề về rác thải nhựa.
Nhựa sinh học phân trên thế giới phân hủy như thế nào?
Bởi vì có sự nhầm lẫn về nhựa sinh học trên thế giới hiện nay, nên trước tiên hãy làm rõ một vài khái niệm:
Phân hủy – Tất cả nhựa đều có thể phân hủy, ngay cả nhựa truyền thống, nhưng chỉ vì nó có thể bị phân hủy thành các mảnh nhỏ hoặc bột không có nghĩa là các vật liệu sẽ trở lại tự nhiên. Một số chất phụ gia cho nhựa truyền thống làm cho chúng xuống cấp nhanh hơn. Sự phân hủy quang học dễ phân hủy hơn dưới ánh sáng mặt trời; nhựa phân hủy oxo phân hủy nhanh hơn khi tiếp xúc với nhiệt và ánh sáng.
Phân hủy sinh học – Nhựa phân hủy sinh học có thể được phân hủy hoàn toàn thành nước, carbon dioxide và phân trộn bởi vi sinh vật trong điều kiện thích hợp. “Có thể phân hủy sinh học” ngụ ý rằng sự phân hủy diễn ra trong vài tuần đến vài tháng. Nhựa sinh học không phân hủy sinh học nhanh chóng được gọi là “bền” và một số nhựa sinh học được làm từ sinh khối mà vi sinh vật không thể phân hủy dễ dàng được coi là không thể phân hủy sinh học.
Ủ phân – Nhựa có thể phân hủy sẽ tự phân hủy sinh học trong khu vực phân trộn. Các vi sinh vật phân hủy nó thành carbon dioxide, nước, các hợp chất vô cơ và sinh khối với tỷ lệ tương tự như các vật liệu hữu cơ khác trong đống ủ, không để lại dư lượng độc hại.
Các loại nhựa sinh học
Nhựa sinh học trên thế giới hiện đang được sử dụng trong các mặt hàng dùng một lần như bao bì, hộp đựng, ống hút, túi và chai các loại, và trong thảm không dùng một lần, ống nước nhựa, ốp lưng điện thoại, in 3D, cách nhiệt xe hơi và thiết bị cấy ghép trong y khoa. Thị trường nhựa sinh học toàn cầu dự kiến sẽ tăng từ 17 tỷ USD trong năm nay lên gần 44 tỷ USD vào năm 2022.
Có thể chia thành 2 loại nhựa sinh học trên thế giới như sau:
PLA (axit polylactic) thường được làm từ đường trong tinh bột ngô, sắn hoặc mía. Nó có thể phân hủy sinh học, trung tính với carbon và có thể ăn được. Để biến ngô thành nhựa, hạt ngô được ngâm trong sulfur dioxide và nước nóng, nơi các thành phần của nó phân hủy thành tinh bột, protein và chất xơ. Nhân hạt sau đó được nghiền và dầu ngô được tách ra khỏi tinh bột.
Tinh bột bao gồm các chuỗi phân tử carbon dài, tương tự như các chuỗi carbon trong nhựa từ nhiên liệu hóa thạch. Một số axit xitric được trộn vào để tạo thành một polyme chuỗi dài (một phân tử lớn bao gồm các đơn vị nhỏ hơn lặp đi lặp lại) là cơ sở tạo nên nhựa. PLA có thể trông và hoạt động giống như polyethylene (được sử dụng trong màng nhựa, bao bì và chai), polystyrene (Dao kéo bằng xốp và nhựa) hoặc polypropylene (bao bì, phụ tùng ô tô, hàng dệt)
PHA (polyhydroxyalkanoate) được tạo ra bởi vi sinh vật, đôi khi được biến đổi gen, tạo ra nhựa từ các vật liệu hữu cơ. Các vi sinh vật bị thiếu các chất dinh dưỡng như nitơ, oxy và phốt pho, nhưng được cung cấp hàm lượng carbon cao. Chúng tạo ra PHA dưới dạng dự trữ carbon, chúng dự trữ ở dạng hạt cho đến khi chúng có nhiều chất dinh dưỡng khác cần thiết để phát triển và sinh sản.
Sau đó, các công ty có thể thu hoạch PHA do vi khuẩn tạo ra, có cấu trúc hóa học tương tự như cấu trúc hóa học của nhựa truyền thống. Bởi vì nó có thể phân hủy sinh học và sẽ không gây hại cho mô sống, PHA thường được sử dụng cho các ứng dụng y tế như chỉ khâu, dây treo, tấm xương và chất thay thế da; nó cũng được sử dụng để đóng gói thực phẩm sử dụng một lần.
Những ảnh hưởng ngoài lề của việc sản xuất nhựa sinh học
Trong khi nhựa sinh học thường được coi là thân thiện với môi trường hơn nhựa truyền thống, một nghiên cứu năm 2010 từ Đại học Pittsburgh cho thấy điều đó không nhất thiết đúng khi vòng đời của vật liệu được xem xét.
Nghiên cứu đã so sánh bảy loại nhựa truyền thống, bốn loại nhựa sinh học và một loại được làm từ cả nhiên liệu hóa thạch và các nguồn tái tạo. Các nhà nghiên cứu xác định rằng sản xuất nhựa sinh học dẫn đến lượng chất ô nhiễm lớn hơn, do phân bón và thuốc trừ sâu được sử dụng để trồng trọt và quá trình xử lý hóa học cần thiết để biến vật liệu hữu cơ thành nhựa.
Nhựa sinh học cũng đóng góp nhiều hơn vào sự suy giảm tầng ozon so với nhựa truyền thống và đòi hỏi sử dụng đất rộng rãi. B-PET, loại nhựa lai, được phát hiện là có khả năng gây độc hại cao nhất đối với hệ sinh thái và nhiều chất gây ung thư nhất, đồng thời ghi điểm kém nhất trong phân tích vòng đời vì nó kết hợp các tác động tiêu cực của cả nông nghiệp và chế biến hóa chất.
Nhựa sinh học tạo ra ít phát thải khí nhà kính hơn đáng kể so với nhựa truyền thống trong suốt thời gian tồn tại của chúng. Không có sự gia tăng thực sự trong lượng carbon dioxide khi chúng phân hủy bởi vì thực vật được tạo ra từ nhựa sinh học đã hấp thụ cùng một lượng carbon dioxide khi chúng lớn lên. Một nghiên cứu năm 2017 xác định rằng việc chuyển từ nhựa truyền thống sang PLA làm từ ngô sẽ cắt giảm 25% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính của Hoa Kỳ.
Nghiên cứu cũng kết luận rằng nếu nhựa truyền thống được sản xuất bằng các nguồn năng lượng tái tạo, lượng khí thải nhà kính có thể giảm từ 50 đến 75 phần trăm; tuy nhiên, nhựa sinh học có thể được sản xuất bằng năng lượng tái tạo trong tương lai cho thấy triển vọng nhất trong việc giảm đáng kể lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính.
Các vấn đề khác phát sinh từ nhựa sinh học
Trong khi khả năng phân hủy sinh học của nhựa sinh học là một lợi thế, hầu hết đều cần các cơ sở làm phân trộn công nghiệp ở nhiệt độ cao để phân hủy và rất ít thành phố có nhu cầu xử lý chúng. Kết quả là, nhựa sinh học thường kết thúc ở các bãi chôn lấp, nơi thiếu oxy, chúng có thể giải phóng mêtan, một loại khí nhà kính mạnh gấp 23 lần so với carbon dioxide.
Khi nhựa sinh học không được loại bỏ đúng cách, chúng có thể làm ô nhiễm các lô nhựa tái chế và gây hại cho cơ sở hạ tầng tái chế. Ví dụ: nếu nhựa sinh học làm ô nhiễm PET tái chế (polyethylene terephthalate, loại nhựa phổ biến nhất, được sử dụng cho nước và chai nước ngọt), toàn bộ lô hàng có thể bị loại bỏ và kết thúc trong một bãi chôn lấp. Vì vậy, các luồng tái chế riêng biệt là cần thiết để có thể loại bỏ nhựa sinh học đúng cách.
Đất cần cho nhựa sinh học cạnh tranh với sản xuất lương thực vì cây trồng sản xuất nhựa sinh học cũng có thể được sử dụng để nuôi sống con người. Dự án The Plastic Pollution Coalition để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trên toàn cầu về nhựa sinh học, hơn 3,4 triệu mẫu đất — một diện tích lớn hơn Bỉ, Hà Lan và Đan Mạch cộng lại — sẽ cần thiết để trồng trọt vào năm 2019. Ngoài ra, dầu mỏ được sử dụng để vận hành máy móc trang trại tạo ra khí thải nhà kính.
Nhựa sinh học cũng tương đối đắt tiền; PLA có thể đắt hơn từ 20 đến 50% so với các vật liệu tương đương do quy trình phức tạp được sử dụng để chuyển ngô hoặc mía thành các khối xây dựng cho PLA. Tuy nhiên, giá đang giảm khi các nhà nghiên cứu và công ty phát triển các chiến lược hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường để sản xuất nhựa sinh học.
Nghiên cứu phát triển nhựa sinh học từ nước thải
Sinh viên Kartik Chandran và Columbia đang phát triển các hệ thống sản xuất nhựa sinh học có thể phân hủy sinh học từ nước thải và chất thải rắn. Chandran sử dụng một cộng đồng vi sinh hỗn hợp ăn cacbon dưới dạng axit béo dễ bay hơi, chẳng hạn như axit axetic có trong giấm.
Hệ thống của anh ta hoạt động bằng cách cho nước thải vào lò phản ứng sinh học. Bên trong, các vi sinh vật (khác với vi khuẩn sản xuất nhựa) chuyển đổi cacbon hữu cơ của chất thải thành các axit béo dễ bay hơi. Dòng chảy ra sau đó được gửi đến một lò phản ứng sinh học thứ hai, nơi các vi sinh vật sản xuất nhựa ăn các axit béo dễ bay hơi. Những vi khuẩn này liên tục phải trải qua các giai đoạn lễ hội, sau đó là các giai đoạn đói kém, trong đó chúng lưu trữ các phân tử cacbon dưới dạng PHA.
Chandran đang thử nghiệm với các dòng chất thải tập trung hơn, chẳng hạn như chất thải thực phẩm và chất thải rắn của con người, để tạo ra các axit béo dễ bay hơi hiệu quả hơn. Trọng tâm nghiên cứu của ông là vừa tối đa hóa sản xuất PHA vừa tích hợp chất thải vào quy trình. Chandran nói: “Chúng tôi muốn tận dụng hết mức có thể [từ cả hai hệ thống].
Ông tin rằng hệ thống tích hợp của mình sẽ tiết kiệm chi phí hơn so với các phương pháp hiện đang được sử dụng để sản xuất nhựa sinh học liên quan đến việc mua đường để tạo PHA. Chandran nói: “Nếu bạn tích hợp xử lý nước thải hoặc giải quyết các thách thức về rác thải thực phẩm với sản xuất nhựa sinh học, thì điều này là khá thuận lợi [về mặt kinh tế].
“Bởi vì nếu chúng tôi mở rộng quy mô và đi vào chế độ thương mại, chúng tôi sẽ được trả tiền để loại bỏ chất thải thực phẩm và sau đó chúng tôi cũng sẽ được trả tiền để sản xuất nhựa sinh học”. Chandran hy vọng sẽ khép lại vòng lặp để một ngày nào đó, các sản phẩm phế thải sẽ thường xuyên đóng vai trò như một nguồn tài nguyên có thể được chuyển đổi thành các sản phẩm hữu ích như nhựa sinh học.
Các giải pháp thay thế đầy triển vọng
Full Cycle Bioplastics ở California cũng đang sản xuất PHA từ chất thải hữu cơ như chất thải thực phẩm, tàn dư cây trồng như thân cây và lá không ăn được, chất thải vườn, và giấy hoặc bìa cứng chưa đóng gói. Được sử dụng để làm túi, hộp đựng, dao kéo, chai nước và dầu gội đầu, loại nhựa sinh học này có thể phân hủy, có thể phân hủy dưới biển (có nghĩa là nếu nó kết thúc ở đại dương, nó có thể dùng làm thức ăn cho cá hoặc vi khuẩn) và không có tác dụng độc hại. Full Cycle có thể xử lý PHA khi hết tuổi thọ của nó và sử dụng nó để sản xuất lại nhựa nguyên sinh.
Renmatix có trụ sở tại Pennsylvania đang sử dụng sinh khối gỗ, cỏ năng lượng và phụ phẩm cây trồng thay vì các loại cây lương thực đắt tiền hơn. Công nghệ của nó tách đường khỏi sinh khối bằng cách sử dụng nước và nhiệt thay vì axit, dung môi hoặc enzym trong một quy trình tương đối sạch, nhanh chóng và không tốn kém. Sau đó, cả đường và lignin từ sinh khối được sử dụng làm khối xây dựng cho nhựa sinh học và các sản phẩm sinh học khác.
Tại Đại học Bang Michigan, các nhà khoa học đang cố gắng cắt giảm chi phí sản xuất nhựa sinh học thông qua việc sử dụng vi khuẩn lam, còn được gọi là tảo xanh lam, sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra các hợp chất hóa học thông qua quá trình quang hợp. Thay vì cho vi khuẩn sản xuất nhựa đường từ ngô hoặc mía, các nhà khoa học này đã điều chỉnh tảo lam để liên tục bài tiết lượng đường mà chúng sản xuất tự nhiên. Sau đó, vi khuẩn sản xuất nhựa tiêu thụ đường do tảo lam tạo ra, có thể tái sử dụng.
Các nhà nghiên cứu của Đại học Stanford và công ty khởi nghiệp Mango Materials có trụ sở tại California đang biến khí methane từ các nhà máy xử lý nước thải hoặc bãi chôn lấp thành nhựa sinh học. Khí metan được cung cấp cho vi khuẩn sản xuất nhựa để biến đổi nó thành PHA, mà công ty bán cho các nhà sản xuất nhựa. Nó được sử dụng cho nắp nhựa, chai dầu gội đầu hoặc sợi biopolyester có thể kết hợp với các vật liệu tự nhiên cho quần áo. Nhựa sinh học sẽ phân hủy sinh học trở lại thành metan, và nếu nó đến đại dương, có thể được tiêu hóa tự nhiên bởi các vi sinh vật biển.
Trung tâm Công nghệ Bền vững tại Đại học Bath ở Anh đang sản xuất polycarbonate từ đường và carbon dioxide để sử dụng trong chai, thấu kính và lớp phủ cho điện thoại và DVD. Nhựa polycarbonate truyền thống được làm bằng BPA (bị cấm sử dụng trong bình sữa trẻ em) và phosgene hóa học độc hại. Các nhà nghiên cứu tại Bath đã tìm ra một cách rẻ hơn và an toàn hơn bằng cách thêm carbon dioxide vào đường ở nhiệt độ phòng. Vi khuẩn trong đất có thể phá vỡ nhựa sinh học thành carbon dioxide và đường.
Và sau đó là những cách thức sáng tạo đang phát triển để thay thế hoàn toàn nhựa. Công ty thiết kế AMAM của Nhật Bản đang sản xuất vật liệu đóng gói làm từ thạch trong tảo biển đỏ. Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ đang phát triển một loại màng có thể phân hủy sinh học và ăn được từ casein protein sữa để bọc thực phẩm; bảo quản thực phẩm tươi ngon gấp 500 lần so với màng nhựa truyền thống. Và Ecovative có trụ sở tại New York đang sử dụng sợi nấm, phần phân nhánh sinh dưỡng của nấm, để làm Vật liệu Nấm, cho vật liệu đóng gói có thể phân hủy sinh học, gạch lát, chậu trồng cây và hơn thế nữa.
Ngay bây giờ, thật khó để khẳng định rằng nhựa sinh học trên thế giới có thân thiện với môi trường hơn nhựa truyền thống khi tất cả các khía cạnh trong vòng đời của chúng được xem xét: sử dụng đất, thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ, tiêu thụ năng lượng, sử dụng nước, phát thải khí nhà kính và mêtan, khả năng phân hủy sinh học, khả năng tái chế và hơn thế nữa . Nhưng khi các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới nỗ lực phát triển các giống cây xanh hơn và quy trình sản xuất hiệu quả hơn, nhựa sinh học thực sự hứa hẹn sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm nhựa và giảm lượng khí thải carbon của chúng ta.
Tại Việt Nam, Biopolymer là công ty cung cấp nhựa sinh học sinh làm từ bã cà phê đầu tiên cũng như mang đến đa dạng sản phẩm làm từ nhựa sinh học phục vụ cho thị trường trong nước và cả quốc tế.
Xem thêm : “HẠT NHỰA SINH HỌC COFFEE BIO-COMPOSITE LÀ GÌ? GIÁ HẠT NHỰA SINH HỌC“
Nguồn: Columbia Climate School