Nghiên cứu cơ bản

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ chế tạo Polylactic axit từ phế liệu nông lâm nghiệp

.

Trên thế giới hiện nay, các loại bao bì an toàn và thân thiện với môi trường được phát triển mạnh mẽ, các loại nhựa có nguồn gốc sinh học đang dần thay thế các loại nhựa có nguồn gốc dầu mỏ. Các nghiên cứu nhằm tạo ra các loại bao bì có khả năng phân hủy sinh học và thân thiện với môi trường đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu. Các loại vật liệu phân hủy sinh học như polylactic axit (PLA), polyhydroxybutyrat (PHB) được xem là các ứng cử viên cho hướng phát triển này do có khả năng phân hủy trong tự nhiên, không gây ô nhiễm môi trường, không phụ thuộc vào tăng giá do quá trình khan hiếm dầu mỏ.

Polylactic axit (PLA)/polylactide là một loại polyme nhiệt dẻo bán tinh thể, giòn và rắn, có nhiệt độ thủy tinh hóa tương đối thấp (~60oC) và có nhiệt độ chảy mềm 175-180oC. PLA đang là đối tượng được quan tâm và phát triển nhiều nhất trên thế giới bởi dễ dàng được gia công trong các thiết bị gia công chất dẻo thông thường và cũng dễ dàng phân hủy theo con đường sinh học, thích hợp để chế tạo ra bao bì, màng gói thực phẩm, các sản phẩm sử dụng một lần.

Sản xuất axit L-Lactic để tổng hợp PLA

Sơ đồ sản xuất axit lactic bằng con đường hóa học (a) và con đường lên men vi sinh vật (b)

Tổng hợp axit L- Lactic theo con đường hóa học có nhiều khó khăn và hạn chế do sự khan hiếm dầu mỏ và ô nhiễm môi trường. Do đó sản xuất axit L-lactic theo con đường lên men vi sinh vật được cho là một lựa chọn tối ưu, đặc biệt là việc sử dụng vi nấm Rhizopus oryaseRhizopus arrhizus. Hai vi nấm này có thể thủy phân, đồng hóa tinh bột và tạo ra 100% đồng phân axit L-lactic. Quá trình này diễn ra trong điều kiện hiếu khí nghiêm ngặt. Nếu như quá trình lên men vi khuẩn lactic đòi hỏi môi trường giàu dinh dưỡng thì quá trình lên men của Rhizopus chỉ cần môi trường muối khoáng thông thường. Vi nấm trong quá trình sinh trưởng trong môi trường dịch thể, sợi dinh dưỡng bó lại thành dạng pellet, vì thế dễ dàng loại bỏ sinh khối trong quá trình thu hồi sản phẩm sau lên men.

Thủy phân sinh khối thực vật cho lên men thu nhận axit L- Lactic

Những thuộc tính vốn có của vật liệu lignoxenlulo làm chúng có khả năng chống lại sự tấn công của enzym. Để chuẩn bị cho việc thủy phân, vật liệu lignoxenlulo cần được tiền xử lý bằng một số phương pháp như tiền xử lý vật lý, tiền xử lý lý hóa, tiền xử lý hóa học và tiền xử lý sinh học.

Sau quá trình tiền xử lý, xenlulo và hemixenlulo được thủy phân bằng phức hệ enzym xenlulaza và hemixenlulaza.

Quá trình thủy phân xenlulo

Dịch thủy phân sinh khối thực vật sẽ được lên men riêng bằng các tác nhân vi sinh vật hoặc lên men đồng thời trong quá trình diễn ra việc thủy phân sinh khối bằng xenllulaza và hemixellulaza để tạo ra đường C5 và C6, kết hợp thêm laccaza để loại bỏ độc tố ảnh hưởng đến lên men, đường tạo ra sẽ được lên men ngay để tạo ra axit L-Lactic.

Tổng hợp PLA từ axit L-lactic

Tổng hợp Polylactic axit được thực hiện bằng phản ứng trùng hợp mở vòng Lactide (ROP). Lactide (3,6-dimethyl 1,4-dioxane 2,5-dione) là một dime vòng với monome là axit lactic. Phản ứng tạo Lactide trải qua 2 giai đoạn. Đầu tiên, monome axit lactic được trùng ngưng để tạo thành oligome. Sau đó oligome trải qua quá trình đề polyme hóa đồng thời vòng hóa tạo thành lactide. Quá trình tạo thành lactide là một trong những giai đoạn quan trọng nhất bởi độ tinh khiết quang học của lactide có ảnh hưởng đến sản phẩm polyme nhận được.

Rất nhiều hệ xúc tác đã được sử dụng để nâng cao hiệu suất của sản phẩm lactide đồng thời giảm thiểu hiện tượng raxemic hóa. Trong số những hệ xúc tác đã biết như ZnO, Sb2O3, hợp chất cơ thiếc cho thấy hiệu quả cao nhất do đây là xúc tác khi sản phẩm phản ứng tạo ra có độ raxemic hóa thấp ở nhiệt độ cao, có độc tính thấp so với các kim loại nặng khác, và quá trình loại bỏ khỏi sản phẩm cuối là PLA đã được nghiên cứu và hoàn thiện.

Polylactide tinh thể duy trì tính chất cơ lý gần điểm nóng chảy, nên có nhiệt độ sử dụng cao hơn polyme vô định hình atactic. Polylactide điểm chảy cao là đối tượng hấp dẫn cho những ứng dụng rộng rãi, có thể xây dựng được những phương pháp tổng hợp hiệu quả và giá thành hạ.

Nhựa phân hủy sinh học cho thấy rất nhiều ưu điểm so với nhựa truyền thống, đặc biệt là về khía cạnh môi trường. Bên cạnh đó, nghiên cứu của các nhà khoa học cũng cho thấy tiềm năng chế tạo PLA và các vật liệu phân hủy sinh học dựa trên PLA, trong đó có công nghệ chế tạo PLA từ monome axit L-Lactic tổng hợp từ phế liệu nông lâm nghiệp chứa xenlulo, hemixenlulo mở ra một hướng mới cho sản xuất PLA tại Việt Nam. Trung tâm Phát triển công nghệ cao trực thuộc Viện  Hàn lâm KHCNVN đang tiếp tục hợp tác với Nhật Bản tiến tới xây dựng một dây chuyền sản xuất PLA qui mô Pilot tại Việt Nam.

Nguồn tin: TS.Nguyễn Hồng Minh
Trung tâm Phát triển công nghệ cao
Xử lý tin: Thanh Hà

Bản quyền thuộc về Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Địa chỉ: 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội. Email: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Khi phát hành lại thông tin trên Website cần ghi rõ nguồn: "Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam".