Quy trình tái chế nhựa nhờ muối và vi khuẩn

Hiện nay, các nhà khoa học đã phát minh ra các loại nhựa phân hủy sinh học như axit polylactic (PLA) – một loại nhựa có nguồn gốc từ thực vật như bột ngô, củ sắn, mía, tinh bột khoai tây,... Những tưởng loại vật liệu này sẽ giúp chúng ta giải quyết cuộc khủng hoảng rác thải nhựa, song chúng lại thường khiến việc quản lý rác thải trở nên khó khăn hơn.

Hình minh họa thể hiện sự khó khăn trong việc phân loại chính xác các vật liệu nhựa và giống nhựa. Nguồn: Jenny Nuss

Những vật liệu này có vẻ ngoài rất giống với nhựa thông thường làm từ dầu mỏ, nên nhiều sản phẩm cuối cùng không được đưa vào thùng ủ phân để phân hủy như được thiết kế ra. Mà thay vào đó, chúng bị những người tiêu dùng có ý thức phân loại bỏ vào thùng rác tái chế được. Vì thế, những sản phẩm làm bằng nhựa phân hủy sinh học sẽ bị cắt nhỏ và nấu chảy cùng với nhựa tái chế. Điều này làm giảm chất lượng của hỗn hợp và khiến cho việc sản xuất các sản phẩm hữu dụng từ nhựa tái chế khó khăn hơn.

Giải pháp duy nhất hiện nay là cố gắng phân loại các loại nhựa khác nhau tại các cơ sở tái chế. Tuy nhiên, ngay cả khi sử dụng các công cụ phân loại tự động và tối tân nhất, các cơ sở này vẫn không tránh được tình trạng một số loại nhựa sinh học vẫn lẫn vào các loại vật liệu khác.

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) và Viện Năng lượng sinh học chung (JBEI) đang hợp tác với X — vườn ươm dự án táo bạo do Alphabet chủ trì (công ty chủ quản của Google) — để không chỉ bỏ qua bước phân tách có vấn đề mà còn làm cho sản phẩm cuối cùng bớt gây hại cho hành tinh của chúng ta.

Nhóm nghiên cứu đã phát minh ra quy trình một giai đoạn đơn giản để phân hủy hỗn hợp nhựa gốc dầu mỏ và nhựa sinh học nhờ sử dụng các dung dịch muối có nguồn gốc tự nhiên kết hợp với các vi khuẩn chuyên biệt. Trong một bể chứa lớn, muối hoạt động như chất xúc tác để phá vỡ các vật liệu từ polyme – cấu trúc lớn của các phân tử lặp lại liên kết với nhau, thành các phân tử đơn lẻ gọi là monome. Sau đó, các vi khuẩn sẽ lên men những monome này thành một loại polymer tự phân hủy mới có thể dùng để tạo thành sản phẩm hàng hóa mới. Quá trình này được mô tả trong một bài báo đăng trên tạp chí One Earth.

Tác giả chính Chang Dou, cộng sự kỹ thuật khoa học cấp cao tại Đơn vị Phát triển quy trình sản phẩm sinh học và Nhiên liệu sinh học tiên tiến (ABPDU) tại Phòng thí nghiệm Berkeley, chia sẻ: “Thật mỉa mai khi mục đích sử dụng nhựa sinh học là để bền vững hơn, nhưng nó lại gây ra thêm vấn đề”.

Mới đây, anh Dou vinh dự nằm trong danh sách 35 người dưới 35 tuổi xuất sắc nhất của Viện Kỹ sư Hóa học Hoa Kỳ. “Dự án của chúng tôi đang cố gắng xử lý vấn đề phân loại và đạt được mục tiêu đề ra, sao cho người tiêu dùng không còn phải lo lắng về chuyện mình có cho lẫn rác vào thùng tái chế hay không. Bạn có thể cho tất cả nhựa vào cùng một thùng”.

Bên cạnh quá trình tái chế hợp lý, phương pháp tiếp cận của nhóm có thể cho phép việc sản xuất dựa trên sinh học diễn ra với các sản phẩm có giá trị khác, nhờ sử dụng cùng loại vi khuẩn đang “gặm” các monome nhựa. Chúng ta có thể hình dung ra viễn cảnh sử dụng rác thải nhựa để làm ra nhiên liệu sinh học hoặc thậm chí cả thuốc. Hiện nay, có khoảng 8,3 tỷ tấn rác thải nhựa đang nằm ở các bãi chôn lấp.

“Có một cuộc thảo luận cởi mở về việc liệu chúng ta có thể sử dụng chất thải nhựa làm nguồn cacbon cho quá trình sản xuất sinh học hay không. Đó là một ý tưởng rất tiên tiến. Nhưng chúng tôi đã chứng minh được rằng có thể cho vi khuẩn ăn chất thải nhựa. Với nhiều công cụ kỹ thuật di truyền hơn, vi khuẩn có thể sinh sôi nảy nở trên nhiều loại nhựa cùng một lúc. Chúng tôi thấy trước tiềm năng để tiếp tục nghiên cứu này, trong đó chúng tôi có thể thay thế đường, nguồn carbon truyền thống cho vi khuẩn, bằng nhựa hỗn hợp khó tái chế đã qua xử lý, để có thể biến đổi chúng thành các sản phẩm có giá trị thông qua quá trình lên men”, Zilong Wang, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của Đại học California, Berkeley làm việc tại JBEI cho biết.

Bước tiếp theo của các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Berkeley là thử nghiệm những chất xúc tác muối hữu cơ khác để thử tìm ra chất xúc tác vừa có hiệu quả cao trong việc phân hủy polyme, vừa có thể tái sử dụng theo nhiều đợt để giảm chi phí. Họ cũng đang mô hình hóa cách thức hoạt động của quy trình này trên quy mô lớn của các cơ sở tái chế trong thực tế.

Trong bài báo, các nhà khoa học đã chứng minh tiềm năng của phương pháp này trong các thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm với hỗn hợp polyetylen terephthalate (PET) — loại nhựa gốc dầu mỏ thường thấy nhất, hay dùng để sản xuất những vật dụng như chai nước và kéo thành sợi polyester — và PLA, loại nhựa sinh học phổ biến nhất.

Họ sử dụng chất xúc tác là muối gốc axit amin do các đồng nghiệp tại JBEI phát triển trước đây, và một chủng Pseudomonas putida được các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge chỉnh sửa.

Sự kết hợp này đã thành công phá vỡ 95% hỗn hợp PET/PLA và biến đổi các phân tử thành một loại polyme polyhydroxyalkanoate (PHA). PHA là một loại chất thay thế nhựa có khả năng phân hủy sinh học mới được thiết kế để phân hủy hiệu quả trong nhiều môi trường tự nhiên, không giống như nhựa làm từ dầu mỏ.

Thành viên nhóm nghiên cứu Hemant Choudhary lưu ý là tuy quy trình tái chế hóa học của họ hiện mới chỉ chứng minh với nhựa PET lẫn PLA có thể phân hủy sinh học, nhưng nó vẫn có lợi với các dòng nhựa đa dạng gặp phải trong các cơ sở tái chế thực sự.

Anh Choudhary nhận định: “Quy trình này có thể hoàn toàn được đưa vào áp dụng cho các nguồn nhựa hiện có”. Như anh giải thích, hầu hết các sản phẩm thương mại không chỉ thuần túy làm từ một loại nhựa, mà là một số các loại khác nhau kết hợp lại. Ví dụ: áo khoác lông cừu được làm từ polyester gốc PET cùng với polyolefin hoặc polyamit.

“Chúng tôi có thể đưa chiếc áo khoác vào quy trình một giai đoạn và dễ dàng xử lý thành phần polyester trong hỗn hợp đó và biến nó thành nhựa sinh học. Các monome này hòa tan trong nước, còn những thứ còn lại, polyolefin hoặc polyamit, thì không”. Anh Choudhary cho biết, chất thải còn lại có thể được dễ dàng loại bỏ bằng cách lọc đơn giản và sau đó đưa sang quy trình tái chế cơ học truyền thống, nơi vật liệu được cắt nhỏ và nấu chảy.

Ning Sun, nhà khoa học tại ABPDU, tác giả chính và nhà nghiên cứu chính của dự án này, cho biết: “Tái chế hóa học là một chủ đề nóng hổi, nhưng rất khó để thực hiện nó ở quy mô thương mại vì tất cả các bước phân tách đều rất tốn kém”.

“Nhưng bằng cách sử dụng chất xúc tác tương thích sinh học trong nước, vi khuẩn có thể trực tiếp biến đổi nhựa bị khử polyme mà không cần thêm các bước tách. Những kết quả này rất thú vị, mặc dù chúng tôi thừa nhận rằng vẫn cần cải tiến thêm để có thể quy trình đã phát triển thực hiện được lợi ích kinh tế”.

Các chuyên gia phân tích kinh tế công nghệ cũng chứng minh rằng một khi có thể dùng dung dịch muối có thể tái sử dụng này, quy trình xử lý có thể giảm chi phí và lượng khí thải cacbon của các PHA lần lượt xuống 62% và 29 % so với quy trình sản xuất PHA thương mại ngày nay.

Phương Anh – Hiếu Ngân

Nguồn: newscenter.lbl.gov

(Bài đăng ở Báo KH&PT số 47)

Tác giả