Bao bì phân hủy sinh học – nhu cầu thực 

Khi chưa có dịch bệnh Covid-19, sản lượng giấy của thế giới ước đạt 420 triệu tấn/năm, trong đó 2/3 là giấy làm bao bì. Sau một thời gian diễn ra dịch bệnh, sản lượng giấy đã giảm cùng với các loại hàng tiêu dùng khác, nhưng thật khó hình dung trong mọi tình huống mà thiếu bao bì giấy, bởi đó là dạng bao bì đáp ứng được nhu cầu bức thiết của mọi lĩnh vực, phù hợp cho mọi sản phẩm và có giá hợp lý mà bất cứ người tiêu dùng nào cũng có thể cần và mua được, đồng thời tiện lợi xử lý sau khi sử dụng. Công nghệ sản xuất giấy bao bì và bao bì giấy đã đạt đến sự hoàn thiện. Mối quan tâm lớn nhất hiện nay của công nghiệp hiện đại là nâng cao chất lượng bao bì giấy để đáp ứng nhu cầu về công dụng và thẩm mỹ của người tiêu dùng, nhất là người tiêu dùng ở các nước đang phát triển, đồng thời đáp ứng nhu cầu của các lĩnh vực sản xuất hàng hóa yêu cầu bao bì chất lượng cao.

Từ hơn 10 năm trước cho đến nay, bao bì từ PE/PP gần như đã trở thành loại bao bì thông dụng mọi lĩnh vực sản xuất, kinh doanh, cũng như đời sống trên toàn thế giới. Tại Việt Nam, sử dụng túi ni-lông đã trở thành thói quen khó bỏ của nhiều người tiêu dùng. Vẫn biết rằng đây không chỉ là vấn đề của Việt Nam, mà là vấn đề toàn cầu, nhưng mọi nỗ lực giảm thiểu sử dụng túi ni-lông chỉ mới được bắt đầu triển khai bằng các giải pháp tuyên truyền, vận động, hạn chế. Giảm thiểu cũng đã đạt được ở mức độ nào đó, nhưng chưa thực sự tạo ra những đột phá.

Chưa hết, những năm gần đây, xu hướng tiêu dùng bao bì, đồ đựng thực phẩm sử dụng một lần, lại tạo ra một làn sóng mới, đảo lộn mọi thói quen và tập quán, nhất là trong lĩnh vực dịch vụ. Người người, đâu đâu cũng có vẻ sẵn sàng và có phần ưu tiên sử dụng các loại bao bì này trong mọi nhu cầu sinh hoạt của mình, nhất là giới trẻ. Rõ ràng, mức sống ngày càng tăng, thế giới rộng mở và tư tưởng được giải phóng, họ luôn hướng tới những xu hướng thời đại, bắt nhịp và theo kịp mọi thị hiếu, họ cũng tự sáng tạo cho chính mình chứ không chỉ sao chép hay chạy theo những gì thế giới đang có. Vậy nên, đừng có quá mất nhiều nỗ lực để cản lại cái gọi là “thị hiếu” và “xu hướng tiêu dùng”.

Thực tế cho thấy, để người tiêu dùng từ bỏ thói quen và lạm dụng sử dụng bao bì nhựa truyền thống, ngoài việc tuyên truyền, hạn chế, cần có những chuyển biến mạnh mẽ trong định hướng tiêu dùng, phát triển và tăng cường sản xuất các sản phẩm thay thế.

Dẫu biết là không nên và cần hạn chế sử dụng những sản phẩm như vậy, nhưng để thay đổi một xu hướng tiêu dùng đang thịnh hành trên toàn thế giới thật sự không dễ dàng. Vì vậy, giải pháp tốt nhất là tạo ra những sản phẩm có công năng tương tự, để thay thế dần sản phẩm không còn “hợp thời”. Dù gì thì bao bì nhựa vẫn có những tính chất và công năng mà bao bì giấy không thể thay thế được. Vì vậy, cần phải tập trung nguồn lực để đặt và cùng giải quyết những vấn đề này trong bối cảnh toàn cầu, từ câu chuyện xã hội về tiêu dùng, sang câu chuyện của khoa học và công nghệ đáp ứng tiêu dùng.

Trong 10 năm qua, mối quan tâm ngày càng tăng về các loại vật liệu mới thân thiện môi trường, cũng đồng thời hướng chú ý vào các loại chất dẻo và nhựa tổng hợp như mong đợi. Mục tiêu tạo ra vật liệu từ nguồn nguyên liệu tự nhiên và nguồn gốc sinh học, đã chiếm trọn mọi suy nghĩ của các nhà sáng chế trong lĩnh vực này, chắc chắn rằng nhựa phân hủy sinh học sẽ giúp giải quyết điều chỉnh thói quen tiêu dùng bao bì truyền thống của xã hội.

Cần phải hiểu rằng, khái niệm quen thuộc “nhựa sinh học” không phải là một định nghĩa mang tính đặc trưng của một nhóm hợp chất, mà được sử dụng để mô tả về các polyme có nguồn gốc khác nhau. Cần phân biệt rõ nhựa nguồn gốc sinh học (bio-based) và nhựa phân hủy sinh học (biodegradable), tuy chúng đều là vật liệu polyme. Nếu như nhóm polyme thứ nhất cấu tạo từ các monome nguồn gốc tự nhiên, trùng hợp thành nhựa thông dụng (như PE, PA, PET, …), thì nhóm polyme thứ hai có đặc tính nổi bật là khả năng phân hủy nhanh ở môi trường tự nhiên trong một thời gian ngắn. Chẳng hạn, từ nguồn nguyên liệu tự nhiên là tinh bột hay cellulose có thể sản xuất etanol, rồi chuyển hóa thành etylen, qua quá trình trùng hợp thu được polyetylen. Loại polyetylen này có thể xem là có nguồn gốc sinh học, nhưng sản phẩm không khác gì so với PE sản xuất từ dầu mỏ. Cũng trường hợp khác, như polybutylene succinate (PBS), là một loại nhựa phân hủy sinh học có thể tổng hợp từ n-butan, một sản phẩm thu được từ phân đoạn hydro cabon C4 của dầu mỏ. Công nghệ hiện đại rất đa dạng, nên rất dễ nhầm lẫn các khái niệm và bản chất.

Vậy là đã rõ, bao bì phân hủy sinh học là nhu cầu thực tế và cấp thiết. Có hai sự lựa chọn cho bao bì phân hủy sinh học, là bao bì giấy tráng phủ polyme phân hủy sinh học và bao bì từ 100% nhựa sinh học.

Nhựa sinh học

Ngày này, khái niệm nhựa sinh học không cần phải để trong “ngặc kép” nữa. Bởi nó đã quen thuộc và chắc hẳn là một xu hướng tiêu dùng trong tương lai gần, do nhu cầu tiêu dùng sẽ thay đổi và giá thành sẽ hợp lý.

Các loại nhựa sinh học và vật liệu sản xuất bao bì phân hủy sinh học, có thể được sản xuất từ cả nguồn nguyên liệu hóa thạch là dầu mỏ và nguồn nguyên liệu tự nhiên như tinh bột, cellulose (Hình 1). So với nhựa truyền thống, công nghệ sản xuất và chủng loại sản phẩm khá đa dạng, qua đó có thể thấy sự phát triển lĩnh vực công nghệ vật liệu polyme và compozit đã và đang đáp ứng xu hướng tiêu dùng, với mục tiêu bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Điểm khác biệt cơ bản của nhựa phân hủy sinh học so với các loại nhựa tương tự khác, là chúng bị phân hủy trong môi trường tự nhiên dưới tác dụng của vi sinh vật (nấm, vi khuẩn) và các yếu tố vật lý khác (tia UV, nhiệt độ, oxi hóa) thành CO2 và nước, metan, sinh khối hay các hợp chất vô cơ.

Hiện nay các quá trình công nghệ sản xuất polyme phân hủy sinh học đang được phát triển theo những hướng sau:

• Tổng hợp polyeste phân hủy sinh học trên nền các axit caboxylic;

• Tạo tính chất phân hủy sinh học cho các loại nhựa truyền thống bằng cách biến tính và bổ sung phụ gia;

• Tổng hợp những loại nhựa mới trên nền các polyme nguồn gốc tự nhiên tái tạo.

Hướng phát triển thứ 3 được xem là có tiềm năng lớn, bởi nguồn nguyên liệu tái tạo như tinh bột hay cellulose rất lớn và sẵn có ở nhiều quốc gia trên thế giới. Hiệu quả kinh tế và kỹ thuật đã được khẳng định, như hiện nay PLA đang được sản xuất từ tinh bột ngô. Sử dụng cellulose với công nghệ đường hóa bằng enzyme là hướng phát triển công nghệ cần được khai thác và đầu tư. Việt Nam có thể phát triển công theo cả hai hướng.

Công nghệ sản xuất polyme phân hủy sinh học đang được phát triển mạnh tại Mỹ, châu Âu và gần đây là Hàn Quốc, Nhật Bản và Trung Quốc. Theo số liệu của Viện nghiên cứu nhựa sinh học châu Âu (Eurpean institute of Bioplastics and Biocomposites- IfBB), sản lượng nhựa sinh học toàn cầu năm 2018-2019 đã đạt khoảng 2,11 triệu tấn (Hình 2), tức chỉ chiếm khoảng 1% tổng sản lượng nhựa. Trong đó PLA có tốc độ tăng trưởng nhanh trong những năm 2015-2019. Dự đoán sản lượng sẽ tăng lên mức khoảng 2,5 triệu tấn vào năm 2023. Tuy nhiên, diễn biến của dịch bệnh Covid-19 đã phần nào kìm hãm sự tăng trưởng trong bối cảnh suy giảm kinh tế chung toàn thế giới.  Sản lượng nhựa không phân hủy sinh học sản xuất từ nguồn nguyên liệu tự nhiên đạt khoảng 2,05 triệu tấn, cho thấy nguồn nguyên liệu tái tạo chủ yếu là tinh bột ngô và các loại tinh bột khác hiện cũng được sử dụng nhiều cho sản xuất nhựa sinh học.

Châu Âu giữ vị trí dẫn đầu trong nghiên cứu và phát triển công nghệ nhựa sinh học, sản xuất ra khoảng 25% lượng nhựa sinh học trên thế giới. Mức tăng trưởng có thể đạt xấp xỉ 30% nhờ vào chiến lược phát triển lĩnh vực này của Ý và Pháp. Tuy vậy, trung tâm sản xuất nhựa sinh học lại nằm ở khu vực châu Á, năm 2019 chiếm giữ 55% sản lượng toàn cầu. Tương ứng 16% và 9% được sản xuất tại khu vực Bắc Mỹ và Nam Mỹ, Australia chiếm khoảng 1%.

Các nhà sản xuất nhựa sinh học hàng đầu thế giới hiện này, là NatureWorks (Mỹ), tại châu Âu có BASF và Novamont, và Mitsubishi Chemicals (Nhật Bản). Avani Eco là nhà cung cấp hàng đầu tại khu vực Đông Nam Á. Tại Nga và một số nước châu Âu lân cận cũng đang trong giai doạn hình thành. Việt Nam rõ ràng có những hạn chế về nhiều mặt, nhưng tiềm năng thị trường lớn và mục tiêu tăng cường bao bì phân hủy sinh học để giảm thiểu phát thải nhựa truyền thống là rất bức thiết.

Về nguyên liệu, nhựa sinh học chủ yếu được sản xuất từ tinh bột, polylactic axit, polyhydroxyalkanoate và cellulose. Trong đó các thành phần chính là thành phần phân hủy sinh học. Hoàn toàn có khả năng triển khai công nghệ sản xuất PHA, PHA hay PLA từ glucose dẫn xuất từ cellulose của gỗ. Khả thi nhất vẫn là nguồn nguyên liệu cellulose có sẵn, như bột giấy hay giấy phế liệu.

Có thể thấy, PLA là polyme phân hủy sinh học có tiềm năng ứng dụng lớn nhất, phù hợp cả về công nghệ sản xuất, lẫn yếu tố kinh tế, khi sử dụng làm vật liệu sản xuất bao bì phân hủy sinh học. Sản lượng PLA trên thế giới không ngừng tăng, đạt mức khoảng 20% mỗi năm. Nhu cầu sử dụng PLA đã tăng từ khoảng 350 tấn/năm vào năm 2012-2013 lên khoảng 1,2 triệu tấn vào năm 2019.

Yếu tố công nghệ thúc đẩy sản xuất PLA và các sản phẩm từ PLA, là đặc điểm cấu tạo đồng phân quang học của phân tử axit lactic, như đã biết chúng tồn tại dưới hai dạng (D- và L-). Nhựa từ 100% L-PLA có cấu trúc tinh thể, nóng chảy ở nhiệt độ cố định, trong khi đó hỗn hợp D- và L-PLA lại có cấu trúc vô định hình dạng thủy tinh. Vì vậy, bằng cách điều chỉnh tỉ lệ các đồng phân, có thể tạo ra sản phẩm PLA có tính chất khác nhau tùy thuộc vào công dụng của nó.

Bên cạnh đó, hiện cũng nhiều loại vật liệu compozit phân hủy sinh học, được sản xuất bằng cách bổ sung phụ gia với mục đích giảm giá thành hoặc cải thiện các tính chất hóa học và cơ học của sản phẩm. Cần lưu ý rằng, bổ sung các loại phụ gia phân hủy sinh học (như tinh bột, bột cellulose hay mùn gỗ) không tạo ra sản phẩm phân hủy sinh học, mà chỉ rút ngắn (không đáng kể) quá trình phân hủy sinh học của chúng. Vì vậy hãy thận trọng với những lời quảng bá. Mặc dù vậy, tất cả các loại nhựa sinh học đều có lợi cho môi trường và người sử dụng.

Bao bì phân hủy sinh học

Bản thân bao bì giấy là một loại bao bì phân hủy sinh học, mặc dù bao bì giấy hiện nay khi sản xuất được bổ sung nhiều phụ gia, đồng thời giấy có thể được tráng phủ picmen hoặc nhựa khi sản xuất bao bì. Tuy vậy, như đã nêu trên, bao bì giấy không đáp ứng được nhiều tính năng sử dụng so với bao bì nhựa, kể cả nhựa không phân hủy sinh học hay nhựa phân hủy sinh học.

Theo số liệu của các nghiên cứu và thống kê, có tới >75% nhựa sinh học được sử dụng làm bao bì. Bên cạnh ý thức về tăng cường sử dụng bao bì phân hủy sinh học để bảo vệ môi trường của người tiêu dùng, thì yếu tố thúc đẩy tăng trưởng tiêu dùng nhựa phân hủy sinh học chính là những hạn chế của Chính phủ một loạt các nước trên thế giới và trong khu vực đối với bao bì từ nhựa không phân hủy sinh học, đồng thời nhu cầu sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất có ứng dụng công nghệ cao (như y tế, mỹ phẩm, điện tử, …). Chẳng hạn, Australia đã cấm sử dụng túi nilon từ năm 2004. Hà Lan quy định giá bán túi nilông thấp hơn nhiều so với giá thành sản xuất từ năm 2002. Ý cấm hoàn toàn sử dụng bao bì từ polyethylen sử dụng một lần tại các cơ sở thương mại. Bang Califonia của Mỹ và Đài Loan đã cấm sử dụng túi nilon tại các trung tâm thương mại từ năm 2003, hay Triều Tiên cũng đã cấm sản xuất, kinh doanh và sử dụng túi nilon mỏng hơn 0,025 mm, …

Những lý do trên đã tạo nên thị trường bao bì phân hủy sinh học ở nhiều nước trên thế giới hiện nay khá sôi động, với chủng loại, mẫu mã, tiếp thị và chuỗi cung ứng đa dạng. Ngay từ làn quan sát đầu tiên, thật khó để phân biệt được trước mắt chúng ta là bao bì phân hủy sinh học hay chỉ là loại bao bì thông thường. Thường thì trên bao bì sản phẩm có nhãn mác hoặc ký hiệu đặc biệt. Nếu có những ký hiệu PS, PP, PE, PET thì đó chỉ là dạng bao bì thông thường, còn nếu là bao bì phân hủy sinh học thì thường kèm theo thông tin “phân hủy sinh học” hoặc thương hiệu sản phẩm đã được đăng ký là bao bì phân hủy sinh học.

Về công nghệ sản xuất, không có sự khác biệt lớn giữa các công đoạn của quá trình sản xuất so với sản xuất bao bì thông thường, bao gồm các công đoạn chính: nóng chảy-cán (tráng phủ)-tạo hình-bảo quản. Quá trình sản xuất bao gồm hai giai đoạn có thể tách biệt nhau. Giai đoạn thứ nhất là sản xuất vật liệu nền, giai đoạn thứ hai là phủ hoặc bổ sung phụ gia. Chẳng hạn, nếu là bao bì giấy tráng phủ, thì giai đoạn thứ nhất là sản xuất giấy bao bì, ở giai đoạn thứ là tráng phủ nhựa phân hủy sinh học lên bề mặt giấy. Nếu là bao bì 100% từ nhựa phân hủy sinh học, thì giai đoạn thứ nhất là tổng hợp nhựa sinh học từ nguồn nguyên liệu tự nhiên, trong giai đoạn thứ hai có thể bổ sung vật liệu tổng hợp làm phụ gia hay trộn hợp.

Từ vật liệu bao bì phân hủy sinh học có thể sản xuất ra nhiều loại sản phẩm tiêu dùng đa dạng, gần như đầy đủ các chủng loại, như chúng được sản xuất từ nhựa thông thường vậy, bao gồm các loại phổ biến như đồ gia dụng, thùng, hộp, túi xách, túi rác, găng tay, cốc, bát dùng một lần; dao, dĩa, thìa, đũa, ống hút, khay và hộp đựng thực phẩm, văn phòng phẩm, bao bì dược phẩm, …

Tại Việt Nam, đã có một doanh nghiệp sản xuất các sản phẩm tiêu dùng từ nhựa phân hủy sinh học, như các sản phẩm của Công ty TNHH Vianeco, Green World Việt Nam,  An Phát Holdings, … nhưng đều là các sản phẩm gia công từ vật liệu bao bì phân hủy sinh học. Sản xuất nhựa phân hủy sinh học vẫn là lĩnh vực chưa được chú ý. Có một số nghiên cứu trong nước, nhưng mới dùng ở quy mô phòng thí nghiệm chưa tạo được sản phẩm R&D khả thi hay ở quy mô bán công nghiệp. Trước mắt cần tập trung vào nghiên cứu làm chủ công nghệ sản xuất PLA và ứng dụng, trong đó giấy tráng phủ PLA và một số polyme phân hủy sinh học khác sẽ là một sự khởi đầu phù hợp. Như vậy có thể thấy:

• Tiêu dùng nhựa phân hủy sinh học trên thế giới đã đạt mức trên 2,5 triệu tấn/năm, trong đó 75% được sử dụng cho sản xuất bao bì phân hủy sinh học.

• Các văn bản pháp luật nhằm khuyến khích giảm thiểu và hạn chế sử dụng bao bì nhựa không phân hủy sinh học, đồng thời nhu cầu sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất có ứng dụng công nghệ cao, hay những chính sách hỗ trợ phát triển nghiên cứu và sản xuất, sẽ là động lực để phát triển công nghệ sản xuất nhựa phân hủy sinh học, hướng tới bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

• Hai loại nhựa phân hủy sinh học có tiềm năng ứng dụng lớn nhất là polylactic axit (PLA) và polybutylene succinate (PBS), có thể sản xuất từ nguyên nguyên liệu tái tạo hoặc nguyên liệu hóa thạch, có thể tập trung nguồn lực phát triển lĩnh vực này trong nước.

• Làm chủ công nghệ sản xuất, sử dụng bao bì phân hủy sinh học không những bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng, bảo vệ môi trường, mà còn góp phần sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên thiên nhiên và phát triển bền vững.

TS. Dương Xuân Diêu

Vụ Khoa học và Công nghệ – Bộ Công Thương