Giải pháp thay thế nhựa bằng Polyme được chiết xuất từ thực vật
Nhựa có giá thành rẻ và nhiều ứng dụng nhưng lại có tác động lâu dài đối với môi trường. Bởi lẽ đó, các nhà khoa học đang không ngừng triển khai các giải pháp thay thế nhựa hiệu quả. Giáo sư Jeffrey Catchmark cùng với các đồng nghiệp của ông tại Đại học Bang Pennsylvania (Mỹ) tin rằng họ có một giải pháp như vậy, đó là sử dụng các vật liệu có nguồn gốc từ các loại thực vật phổ biến để tạo ra bao bì thực phẩm có sức tồn tại lâu dài.
Nhựa đã cách mạng hóa thế giới, tạo ra vô số vật liệu mà nhờ đó mở rộng đáng kể những gì con người có thể sản xuất và phân phối. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng lại phải trả một cái giá rất đắt: ưu điểm bền bỉ, có thể tồn tại tới hàng nghìn năm, kết hợp với khối lượng khổng lồ thải ra môi trường khiến nhựa trở thành một thảm họa ô nhiễm và cần một nỗ lực toàn cầu để giảm số lượng sản xuất và sử dụng nhựa.
Đặt trụ sở tại Đại học Bang Pennsylvania, Giáo sư Jeffrey Catchmark và nhóm của ông đang giải quyết câu hỏi chính: Vật liệu nào có thể thay thế nhựa? Họ đang tập trung vào một ứng dụng cụ thể đó là việc sử dụng lớp phủ nhựa trong bao bì thực phẩm. Ví dụ, một chiếc bánh sandwich có thể được bán trong một hộp giấy với lớp phủ nhựa bên trong, giúp giữ chiếc bánh tươi cũng như ngăn nước và dầu thấm qua. Tuy nhiên, điều này lại gây ra những khó khăn trong việc tái chế và phân hủy bao bì một cách hiệu quả. Đội ngũ của Jeffrey đang phát triển một giải pháp thay thế có nguồn gốc từ thực vật nhằm giải quyết thực trạng này.
Vật liệu từ thực vật
“Chúng tôi đang tập trung vào một lớp các phân tử được gọi là polysaccharide, là các polyme của đường,” theo Jeffrey. “Chúng thường có nguồn gốc từ thực vật.” Các polysaccharide thực vật phong phú nhất là cellulose và tinh bột, và hai chất này này là trọng tâm trong nghiên cứu của Jeffrey. “Cellulose chủ yếu được chiết xuất từ gỗ, trong khi tinh bột được chiết xuất từ ngô, khoai tây, sắn, gạo hoặc lúa mì,” theo Jeffrey. “Hàng triệu tấn các polyme này được sản xuất thương mại mỗi năm.” Đội ngũ của Jeffrey đã kết hợp các loại cellulose và tinh bột khác nhau để tạo thành một lớp phủ trên giấy bìa có cùng tính chất chống thấm như nhựa nhưng cũng có thể được ủ phân.
“Công nghệ mới của chúng tôi loại bỏ nhu cầu về nhựa không bền vững và các lớp phủ flo trong nhiều ứng dụng, làm giảm ô nhiễm và các mối nguy hại cho sức khỏe con người,” Jeffrey giải thích. “Các vật liệu cũng có chi phí thấp hơn nhựa, không cần đến sự trợ giúp của các thiết bị mới và sử dụng hoàn toàn các công nghệ sản xuất hiện có.” Vì sản xuất cellulose đã là một ngành công nghiệp lớn, Jeffrey tự tin rằng điều này có thể cung cấp nguyên liệu thô cần thiết để thay thế một tỷ lệ lớn sản xuất nhựa. “Lớp phủ cũng có thể được tái chế cùng với giấy bìa, nhưng nếu trong trường hợp bị vứt bỏ, nó sẽ phân hủy một cách tự nhiên mà không gây hại cho hệ sinh thái,”
Từ phòng thí nghiệm đến nhà máy
Làm thế nào để một sản phẩm như vậy xuất hiện trên thị trường? “Bước đầu tiên là tầm nhìn,” Jeffrey nói. Nhóm của ông bắt đầu nghiên cứu với mục tiêu cuối cùng là tạo ra một giải pháp thay thế bền vững và thực tiễn cho bao bì nhựa. “Từ tầm nhìn đó đến chiến lược,” Jeffrey tiếp tục. “Chúng tôi tập trung vào các polyme có tình bền vững nhất đi kèm với chi phí thấp nhất: đó là cellulose và tinh bột. Tiếp theo là sự đổi mới.” Bước đột phá chính đến khi nhóm nghiên cứu khám phá việc sử dụng các polysaccharide có điện tích trái dấu. Sự kết hợp của các điện tích âm và dương tạo ra sự hấp dẫn giữa các phân tử dài, mang lại cho các vật liệu tổng hợp sự ổn định cần thiết cho sản xuất.
“Chúng tôi đã tạo ra nhiều công thức và thử nghiệm theo tiêu chuẩn để các công ty hiểu rõ về hiệu suất sản phẩm của chúng tôi và những cơ hội mà nó mang lại,” Jeffrey giải thích. Trên thực tế, nhóm đã làm việc với gần 30 công ty để tinh chỉnh công thức lớp phủ sao cho phù hợp với từng bao bì khác nhau. “Chúng tôi học được nhiều điều mới mẻ từ mỗi công ty khác nhau, và mỗi ứng dụng cho sản phẩm lại đặt ra một thách thức mới,” Jeffrey nói. “Khám phá cách chuyển đổi các công nghệ được phát triển trong phòng thí nghiệm thành các sản phẩm mà thực sự có sức đột biến lớn là một điều rất thú vị.” Một bài học lớn được rút ra từ mọi công ty đó chính là mọi sự thay đổi đều mang lại khó khăn. Để làm cho các chuyển đổi như vậy có khả năng thành công cao hơn, các quy trình phải dễ dàng sản xuất và phải sử dụng các vật liệu có sẵn và quen thuộc với ngành.
Vượt qua các thách thức
Một thách thức lớn đối với nhóm là phải tính đến các khoảng thời gian khác nhau giữa các phòng thí nghiệm và các công ty sản xuất. “Chúng tôi phải làm việc chăm chỉ để đáp ứng nhu cầu của công ty,” Jeffrey nói. “Thường thì các thông số kỹ thuật sẽ thay đổi khi chúng tôi đang trong quá trình phát triển.” Với những bài học này, nhóm hiện đang thành lập một công ty sở hữu các nguồn lực và tính linh hoạt để làm việc với các công ty khác trong khoảng thời gian ngắn.
Một thách thức khác liên quan đến việc thương lượng với các nhà cung cấp cellulose và tinh bột. “Các nhà cung cấp thường quan tâm đến việc bán hàng tấn nguyên liệu chứ không phải khối lượng chúng tôi cần cho các thí nghiệm hoặc dự án thí điểm,” Jeffrey nói. “Tạo ra mối quan hệ tích cực chính là chìa khóa để vượt qua điều này!” Để thuyết phục các nhà cung cấp tham gia, cần phải chứng minh được cho họ thấy sự đón nhận của thị trường đối với giải pháp bao bì. Từ đó, họ sẽ thấy được nhu cầu tăng mạnh đối với sản phẩm của họ từ các nhà sản xuất trong tương lai.
“Chúng tôi hy vọng sản phẩm này sẽ có mặt trên thị trường trong vòng một năm tới,” Jeffrey nói. “Song, nghiên cứu của chúng tôi sẽ không dừng lại ở đó. Chúng tôi nhắm đến việc tiếp tục làm cho sản phẩm của mình ngày càng bền vững hơn.” Nhóm sẽ điều tra cách sản xuất bao bì từ thực vật sử dụng ít tài nguyên và hóa chất hơn, ít năng lượng hơn, và chú ý chặt chẽ đến bất kỳ tác động xã hội và sinh thái nào khác.
