Đức tạo ra khoảng 38 kg rác thải nhựa trên đầu người mỗi năm. Trong một dự án hợp tác với Đại học Stuttgart và Mô phỏng vòng đời LCS, các nhà nghiên cứu từ Viện Fraunhofer về Kỹ thuật và Công nghệ sinh học Fraunhofer IGB và Viện Fraunhofer về Kỹ thuật Quy trình và Đóng gói IVV hiện đang làm việc để thiết lập một khái niệm toàn diện cho việc sử dụng bền vững vật liệu sinh học đóng gói có thể phân hủy trong ngành mỹ phẩm. Dự án đang tập trung vào polyhydroxyalkanoates (PHAs), có đặc tính tương tự như nhựa thông thường nhưng được sản xuất từ vi sinh vật và không sử dụng nguyên liệu thô có nguồn gốc hóa thạch.

Cho đến nay, vi khuẩn trong phòng thí nghiệm của Tiến sĩ Susanne Zibek tại Fraunhofer IGB ở Stuttgart đã được nuôi trên nhiều loại vật liệu phế thải, từ chất thải gỗ, dầu và bã đường cho đến glycerol từ quá trình sản xuất dầu diesel sinh học. Mỗi nguồn thức ăn dựa trên carbon này khiến vi khuẩn tạo ra các hạt dự trữ nội bào cụ thể, được gọi là polyhydroxyalkanoates (PHA). PHA này là trọng tâm của dự án SusPackaging, một dự án nghiên cứu đang được thực hiện với sự hợp tác của Fraunhofer IVV ở Freising, Đại học Stuttgart và Mô phỏng vòng đời LCS, nằm ở thị trấn Backnang. Các nhà nghiên cứu từ Fraunhofer IGB đang tìm cách tạo ra các polyme phân hủy sinh học, để thay thế cho bao bì nhựa trong ngành mỹ phẩm. Điều làm nên sự khác biệt của dự án là nỗ lực thiết lập một chuỗi giá trị hoàn toàn ‘xanh’. Theo như Tiến sĩ Ana Lucía Vásquez-Caicedo từ Fraunhofer IGB giải thích, việc tập trung vào tính bền vững là khái niệm khá mới mẻ: "Rất nhiều nghiên cứu tập trung vào các khía cạnh riêng lẻ, nhưng hiếm khi thấy được sự xem xét của toàn bộ chuỗi quá trình để đánh giá chất lượng của vật liệu. "

Quá trình bắt đầu bằng việc nuôi cấy vi khuẩn. Tiến sĩ Susanne Zibek, giám đốc nhóm của Nhóm Công nghệ Chế biến Thực phẩm và đồng nghiệp, Tiến sĩ Thomas Hahn đang tìm hiểu cách sử dụng các vi sinh vật cụ thể để tạo ra các PHA khác nhau với các cấu trúc khác nhau và cách lựa chọn thức ăn ảnh hưởng đến đặc điểm của chúng. Zibek giải thích: “Về cơ bản, chúng tôi đang cố gắng tạo ra các biến thể cấu trúc mới, sau đó chúng tôi có thể xem liệu polyme được sản xuất có phù hợp làm vật liệu đóng gói hay không”. Nhóm làm việc có sự hỗ trợ từ các nhà nghiên cứu tại Đại học Stuttgart đang xem xét kỹ hơn các đặc điểm khác nhau của vi sinh vật, bao gồm mức độ chúng có thể thích nghi với các chất độc hại có thể chứa trong các nguồn thức ăn tự nhiên.

Thay thế các dung môi độc hại bằng công nghệ thay đổi áp suất

Trước khi PHA có thể được xử lý và thử nghiệm, trước tiên chúng phải được chiết xuất từ ​​vi sinh vật. Đây là lĩnh vực chuyên môn của Vásquez-Caicedo, quản lý nhóm của Nhóm Công nghệ Chế biến Thực phẩm tại Fraunhofer IGB. Theo quy định, cái gọi là quá trình tinh chế này sử dụng các dung môi như cloroform. Tuy nhiên, như bà giải thích, mục đích là loại bỏ các dung môi có hại cho môi trường. Thay vào đó, bà đã phát triển một phương pháp phá vỡ tế bào hoàn toàn bằng cơ học hoặc vật lý. Với tên gọi công nghệ thay đổi áp suất (PCT), giúp bổ sung khí quá trình vào môi trường lên men có chứa vi sinh vật. Sau đó, nước dùng được điều áp, với kết quả là khí xâm nhập vào tế bào chất của các tế bào. Việc giảm áp suất nhanh chóng trong nước dùng sẽ phá hủy các tế bào và giải phóng PHA.

​Thiết bị phòng thí nghiệm dùng để phá vỡ tế bào và chiết xuất các vật liệu chức năng tại Fraunhofer IGB. Nguồn: Fraunhofer-Gesellschaft

Sau khi tinh chế, PHA được gửi dưới dạng bột trắng đến Viện Fraunhofer IVV tại Freising. Ở đây, loại bột này trước tiên được chuyển thành dạng hạt và sau đó thành màng polyme. Thử nghiệm ban đầu trên các tấm nhỏ của polyme này đã kiểm tra dựa trên các đặc tính của vật liệu như độ ổn định nhiệt, độ dẻo và các đặc tính rào cản khác nhau — điều cần thiết cho loại bao bì trong tương lai để cung cấp cho các thành phần mỹ phẩm với đặc tính chống hút ẩm.

Tiến sĩ Cornelia Stramm từ Viện Fraunhofer IVV tỏ ra vui mừng trước kết quả đạt được cho đến hiện tại: "Về đặc tính cơ học, một số loại PHA vẫn đang tỏ ra còn khó xử lý. Chúng tôi cần thực hiện một vài điều chỉnh nhưng xét về đặc tính rào cản của chúng, PHA cho thấy tiềm năng lớn so với các chất tạo màng sinh học khác. " Vào cuối mỗi chu kỳ thử nghiệm, bà gửi trả kết quả về Stuttgart cùng với các hướng dẫn hành động tiếp theo và sau đó lặp lại chu trình.

Dựa trên phản hồi này từ Viện Fraunhofer IVV, nhóm làm việc của Zibek tại Fraunhofer IGB đã sửa đổi chiến lược cung cấp thức ăn cho vi khuẩn. Vi khuẩn giờ được cung cấp thêm cosubstrate làm tăng hàm lượng valerate của PHA, khiến thành phẩm cuối cùng trở nên mềm dẻo hơn.

Nâng cao chất lượng quy trình với mỗi vòng phản hồi

Mặc dù khối lượng vẫn còn rất thấp và việc sản xuất còn mất nhiều thời gian, nhưng quá trình này đang dần được cải thiện theo từng vòng phản hồi.

Khi các bước khác nhau đã được hoàn thành, việc phân tích vòng đời do đối tác dự án bên ngoài LCS Life Cycle Simulation thực hiện sẽ đánh giá hiệu quả năng lượng và tính bền vững của toàn bộ quy trình để so sánh với các quy trình hiện có. Cả ba nhà nghiên cứu từ Fraunhofer đều nhận thấy tiềm năng lớn đối với PHA. Trong tương lai, đặc biệt là đối với các mặt hàng nhỏ đóng gói dùng một lần, họ có thể cung cấp giải pháp thay thế thích hợp đối với chất dẻo làm từ dầu mỏ thông thường.

Nguồn: https://phys.org/news/2020-10-bacteria-fed-customized-diet-biodegradable.html