Nhựa sinh học từ tinh bột giong riềng

Tình trạng ô nhiễm môi trường toàn cầu đang ngày càng nghiêm trọng, đặc biệt là do rác thải nhựa không phân hủy. Bao bì nhựa, trong đó có túi nilon, chiếm tỷ lệ đáng kể trong tổng lượng rác thải này. Nhiều nước châu Âu đã nhận thức được vấn đề này và đã có những biện pháp tích cực như ngừng xả rác thải nhựa ra môi trường, các siêu thị ngừng phát hành túi nilon cho khách hàng. Sự phát triển của khoa học đã dẫn đến việc chế tạo các loại vật liệu polyme có nguồn gốc từ thiên nhiên, có thể phân hủy hoàn toàn trong vòng vài tháng đến vài năm, khác biệt hoàn toàn với các loại túi nilon truyền thống. Việc hạn chế sử dụng bao bì nilon đang lan rộng toàn cầu, tạo ra nhu cầu lớn về các loại túi thay thế thân thiện môi trường, bao gồm cả túi tái sử dụng và túi dễ phân hủy. Xu hướng này càng được thúc đẩy bởi sự khan hiếm nguồn nguyên liệu hóa thạch dùng để sản xuất nhựa truyền thống, cũng như chi phí xử lý rác thải ngày càng tăng.

Tại Việt Nam, việc sử dụng bao bì dễ phân hủy sinh học vẫn chưa phổ biến, do nhiều nguyên nhân. Thứ nhất, người dân chưa có thói quen sử dụng loại sản phẩm này. Thứ hai, số lượng sản phẩm nhựa dễ phân hủy sinh học trên thị trường còn hạn chế, công nghệ sản xuất chưa được phổ biến rộng rãi, và chưa có đủ bằng chứng thuyết phục để người tiêu dùng tin tưởng vào khả năng phân hủy của chúng. Mặc dù ngành nhựa Việt Nam có tốc độ phát triển nhanh (20-25%/năm) với hơn 1000 doanh nghiệp, chủ yếu là doanh nghiệp tư nhân, và sản phẩm được xuất khẩu ra hơn 40 quốc gia, nhưng phần lớn vẫn dựa trên nhựa truyền thống. Hơn 80% doanh nghiệp nhựa tập trung tại TP.HCM, với tổng giá trị xuất khẩu gần 400 triệu USD mỗi năm, chủ yếu là bao bì, sản phẩm nhựa tiêu dùng, nhựa xây dựng và sản phẩm nhựa kỹ thuật cao. Tuy nhiên, ngành công nghiệp tái chế phế liệu nhựa còn yếu kém, hạn chế nguồn nguyên liệu tái chế chất lượng cao và giá thành cạnh tranh cho các doanh nghiệp.

Ngành nhựa Việt Nam hiện nay đang đối mặt với nhiều thách thức. Sự phát triển của các doanh nghiệp nhựa còn mang tính tự phát, thiếu quy hoạch, dẫn đến cạnh tranh thiếu lành mạnh, lãng phí nguồn lực. Việc thiếu trung tâm đào tạo nhân lực bài bản cũng gây khó khăn trong việc tuyển dụng cán bộ quản lý, kỹ thuật và công nhân lành nghề. Để phát triển bền vững, ngành nhựa Việt Nam cần tập trung vào một số hướng: Thứ nhất, triển khai nghiên cứu và ứng dụng khoa học công nghệ vào sản xuất. Thứ hai, đầu tư vào các doanh nghiệp thu gom, phân loại và tái chế phế liệu nhựa. Thứ ba, đẩy mạnh đầu tư vào sản xuất khuôn mẫu, thiết bị, phụ tùng chất lượng cao phục vụ sản xuất nhựa cao cấp và xuất khẩu, tập trung vào các sản phẩm nhựa kỹ thuật và vật liệu xây dựng. Thứ tư, tăng cường đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao đáp ứng yêu cầu hội nhập quốc tế.

Ngành công nghiệp nhựa toàn cầu thể hiện tốc độ tăng trưởng ổn định đáng kể, đạt trung bình 9% trong vòng 50 năm. Dù chịu ảnh hưởng của khủng hoảng kinh tế năm 2008, ngành nhựa vẫn duy trì mức tăng trưởng 3% trong các năm 2009 và 2010. Sản lượng nhựa toàn cầu năm 2010 đạt 300 triệu tấn, tăng 32% so với năm 2009, cho thấy sự phục hồi mạnh mẽ. Sự suy giảm sản lượng năm 2009 chủ yếu do giá thành sản xuất tăng cao và tác động tiêu cực từ suy thoái kinh tế. Điều này cho thấy ngành nhựa có khả năng chống chịu tốt trước những biến động kinh tế toàn cầu và vẫn giữ được đà phát triển.

Phân khúc sản xuất bao bì chiếm tỷ trọng lớn nhất trong tổng sản lượng nhựa toàn cầu, khoảng 40%. Giá trị của phân khúc này được dự báo đạt khoảng 180 tỷ USD vào năm 2011, với mức tăng trưởng trung bình 4%/năm. Sự tăng trưởng này phụ thuộc vào các ngành sản phẩm cuối cùng như thực phẩm, đồ uống, dược phẩm, những ngành ít bị ảnh hưởng bởi khủng hoảng tài chính. Do đó, triển vọng tăng trưởng của phân khúc này được đánh giá là ổn định. Trung Quốc và Nhật Bản là những thị trường tiêu thụ nhựa lớn, đặc biệt là sau các sự kiện thiên tai như động đất, nhu cầu tái thiết tăng cao. Khu vực Tây Âu và Bắc Mỹ, dù tốc độ tăng trưởng chậm lại, vẫn là những thị trường tiêu thụ ống nước lớn nhất. Tại Mỹ, giá trị sản phẩm ống nhựa (chiếm tỷ trọng lớn nhất) dự kiến tăng 6.6% lên 38.6 tỷ USD trong giai đoạn 2010-2015.

Máy thổi khuôn là loại máy quan trọng nhất trong sản xuất nhựa PET. Máy thổi khuôn một bậc (Single Stage Blow Molding machine), được sử dụng từ năm 1975, có khả năng sản xuất chai lọ mọi hình dáng và kích cỡ. Máy ép thổi (Injection Molding machine) được dùng để tạo khuôn trước khi đưa vào máy thổi. Máy thổi khuôn hai bậc (Two Stage Blow Molding machine) kết hợp công nghệ ép thổi và kéo đùn thổi, linh hoạt hơn và cho năng suất khoảng 4000-6000 chai/giờ. Máy thổi khuôn hiện đại nhất hiện nay tích hợp cả hai loại máy trên (Integrated Two Stage Blow Molding Machine), thích hợp sản xuất các lô chai nhỏ với bề mặt nhẵn. Năng suất sản xuất tăng lên theo sự phát triển của công nghệ. Trên thị trường hiện nay cũng có các loại máy bán tự động và tự động hoàn toàn.

Nhu cầu về hạt nhựa PET, nguyên liệu chính sản xuất nhựa có khả năng tái chế, ngày càng tăng cao ở các quốc gia phát triển. Tiêu thụ hạt nhựa PET vượt 500.000 tấn trong năm và dự kiến vượt 600.000 tấn trong những năm tới. Triển vọng tăng trưởng của nhựa PET tái chế rất lớn. Theo cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ, chai nhựa tái chế hiện chỉ chiếm khoảng 2% tổng lượng nhựa tái chế tại Mỹ. Với mục tiêu 25% lượng nhựa tiêu thụ sẽ được sản xuất từ nhựa tái chế, thị phần và sản lượng chai nhựa PET sẽ tăng mạnh. Việc sử dụng nhựa PET tái chế góp phần bảo vệ môi trường và giảm phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu hóa thạch.

Vật liệu polyme phân hủy sinh học là một giải pháp thay thế cho nhựa truyền thống, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Quá trình phân hủy sinh học là sự phân hủy do hoạt động của vi sinh vật, đặc biệt là enzyme, dẫn đến thay đổi cấu trúc hóa học của vật liệu. Nhựa phân hủy sinh học cần phân hủy hoàn toàn thành các phân tử đơn giản như CO2 và nước trong một thời gian nhất định. Tốc độ phân hủy phụ thuộc vào độ dày và hình dạng sản phẩm; màng mỏng phân hủy nhanh hơn các sản phẩm dày như tấm, khay, dao, thìa, nĩa (có thể cần đến một năm để phân hủy hoàn toàn).

Tinh bột và cellulose là các polyxacarit chính được sử dụng để chế tạo vật liệu polyme phân hủy sinh học. Tuy nhiên, người ta cũng quan tâm đến các polyme hydrocarbon phức tạp hơn do vi khuẩn, nấm, mốc tạo ra, như xanthan, pullulan và axit hyaluronic. Tinh bột, với cấu trúc mạch nhánh và mạch thẳng, có thể được sử dụng để sản xuất màng có độ xuyên thấm thấp, thích hợp cho bao gói thực phẩm. Màng tinh bột cũng được ứng dụng trong nông nghiệp làm màng phủ đất, vì khả năng phân hủy thành sản phẩm không độc hại khi tiếp xúc với đất. Tuy nhiên, tinh bột có độ bền cơ học thấp, dễ bị giòn và hút ẩm mạnh, cần được cải thiện bằng cách pha trộn hoặc biến tính hóa học. Công ty CRC ở Australia đã sản xuất thành công nhựa tinh bột nhiệt dẻo có hàm lượng amylose cao hơn 70%, có thể ứng dụng làm túi mua sắm, túi đựng bánh mì, màng bọc thực phẩm, màng phủ đất, xốp đệm và các sản phẩm ép phun.

Để cải thiện tính chất cơ học của vật liệu, tinh bột được pha trộn với các polyeste như polybutylen succinate (PBS) hoặc polybutylen succinate adipate (PBSA). Hàm lượng tinh bột cao hơn 60% có thể làm sản phẩm giòn, vì vậy chất hóa dẻo thường được thêm vào. PBSA có tính chất nhiệt dẻo tốt và phân hủy sinh học, kết hợp với tinh bột ngô tạo ra các tấm nhựa phân hủy sinh học dùng làm khay đựng bánh kẹo, màng… Sự pha trộn tinh bột với các polyeste no tổng hợp phân hủy sinh học khác như PLA và PCL cũng đang được nghiên cứu. Ví dụ, nhựa phân hủy sinh học có thể được chế tạo bằng cách pha trộn đến 45% tinh bột với PCL. Tuy nhiên, các sản phẩm này có thời gian lưu trữ ngắn do dễ bị nước thẩm thấu, dẫn đến biến dạng.

Polyme phân hủy sinh học có nhiều ứng dụng khác ngoài những ứng dụng đã nêu trên, bao gồm: màng phủ đất, bầu ươm cây, bao bì thực phẩm (pullulan có khả năng chống thấm oxy tốt), và chỉ khâu phẫu thuật (polyglycolit (PGA), polylactit (PLA), copolyme của chúng và polylactone). Châu Âu chiếm đến 60% thị trường tiêu thụ nhựa phân hủy sinh học, chủ yếu dùng làm bao bì. Nhật Bản đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng vào ngành công nghiệp ô tô và điện tử. Trong y học, polyme phân hủy sinh học được dùng làm hệ thống phân phối thuốc kiểm soát, cho phép giải phóng thuốc với tốc độ ổn định và chính xác đến mục tiêu. Poly(lactic acid) là một ví dụ được sử dụng rộng rãi. Một số nghiên cứu cụ thể được đề cập, ví dụ như công trình của PGS.TS Phạm Thế Trinh tại Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam về vật liệu polyme phân hủy sinh học LDPE kết hợp tinh bột, và công trình của ThS Trương Phước Nghĩa tại Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM về polyme sinh học từ tinh bột ngô. Công ty Tiến Thành tại TP.HCM sản xuất bao bì thực phẩm từ bột bắp, có khả năng tự phân hủy.

Ngành nhựa Việt Nam đang phát triển nhanh chóng với tốc độ tăng trưởng bình quân 20-25%/năm trong những năm gần đây. Toàn ngành hiện có hơn 1000 doanh nghiệp, trong đó hơn 90% là doanh nghiệp tư nhân. Sản phẩm nhựa Việt Nam được tiêu thụ rộng rãi trong nước và xuất khẩu sang hơn 40 quốc gia và vùng lãnh thổ. Hiện tại, Việt Nam có khoảng 1400 doanh nghiệp nhựa, tập trung chủ yếu tại TP.HCM (hơn 80% doanh nghiệp). Giá trị xuất khẩu hàng năm của ngành đạt gần 400 triệu USD, với các sản phẩm thế mạnh là bao bì, sản phẩm nhựa tiêu dùng, nhựa xây dựng và sản phẩm nhựa kỹ thuật cao. Các doanh nghiệp trong nước đã cung cấp sản phẩm nhựa cho hầu hết các ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, thủy sản, xây dựng và điện - điện tử, thậm chí cả những sản phẩm đòi hỏi kỹ thuật cao như ống dẫn dầu, đồ nhựa cho ô tô và máy vi tính (do các doanh nghiệp như Tiền Phong, Phương Đông, Tân Tiến, Bình Minh sản xuất).

Mặc dù có tốc độ tăng trưởng cao, ngành nhựa Việt Nam vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Việc phát triển còn mang tính tự phát, thiếu quy hoạch tổng thể. Doanh nghiệp tư nhân thường tập trung vào các mặt hàng phổ biến, dẫn đến tình trạng cạnh tranh thiếu lành mạnh, gây lãng phí nguồn vốn và hiệu quả kinh tế thấp. Ngành công nghiệp tái chế phế liệu nhựa chưa phát triển, hệ thống thu gom chưa hiệu quả, việc nhập khẩu phế liệu bị hạn chế, dẫn đến thiếu nguyên liệu tái chế chất lượng cao và giá cả cạnh tranh, làm tăng giá thành sản phẩm. Thiếu trung tâm đào tạo nhân lực bài bản cũng là một trở ngại lớn, gây khó khăn cho doanh nghiệp trong việc tuyển dụng và đào tạo nhân sự có trình độ chuyên môn cao, đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của thị trường.

Để phát triển bền vững, ngành nhựa Việt Nam cần tập trung vào một số giải pháp. Thứ nhất, triển khai thực nghiệm gắn với ứng dụng khoa học công nghệ vào sản xuất, đáp ứng mục tiêu trước mắt và lâu dài. Thứ hai, đầu tư vào các doanh nghiệp thu gom, phân loại và xử lý phế thải nhựa, hình thành hệ thống sản xuất, chế biến nhựa tái sinh và sử dụng nhựa tái sinh, góp phần tiết kiệm nguyên vật liệu và giảm giá thành. Thứ ba, tập trung đầu tư vào các dự án sản xuất khuôn mẫu, thiết bị, phụ tùng chất lượng cao phục vụ cho sản xuất hàng nhựa cao cấp và xuất khẩu, chuyển dịch cơ cấu đầu tư sang các sản phẩm nhựa kỹ thuật và vật liệu xây dựng. Thứ tư, tăng cường đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao, liên kết với các cơ sở đào tạo và nghiên cứu để đào tạo lại lực lượng lao động hiện có và có chính sách đãi ngộ hợp lý cho người lao động có trình độ.