Khác với thủy tinh và nhôm, khi đưa nhựa vào tái chế, chuỗi polymer sẽ ngắn lại và làm giảm chất lượng vật liệu. Cùng một mảnh nhựa chỉ có thể được tái chế khoảng 2-3 lần trước khi không còn được sử dụng để tạo ra sản phẩm mới. Thực tế này tạo ra rác thải nhựa với số lượng ngày càng lớn, đe dọa môi trường sống của con người cả trên đất liền và đại dương.

Nhưng thách thức này có thể được thay đổi. Trang Science Daily, dẫn một nghiên cứu được công bố hôm nay trên tạp chí Nature Sustainability cho biết, các nhà nghiên cứu đã biến đổi thành công vi khuẩn, cho phép tạo ra những chất thay thế sinh học cho các thành phần ban đầu trong một loại nhựa, có thể tái chế vô hạn được gọi là poly(diketoenamine) hoặc PDK.

Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Berkeley đã sử dụng vi khuẩn để cung cấp khả năng tái tạo sinh học cho nhựa tái chế. Ảnh Jenny Nuss/Phòng thí nghiệm Berkeley

Phát mình này là kết quả của công trình nghiên cứu với sự hợp tác giữa các chuyên gia tại 3 cơ sở thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) của Bộ Năng lượng Mỹ, đó là Xưởng đúc phân tử (Molecular Foundry), Viện năng lượng sinh học chung (Joint BioEnergy Institute (JBEI)), và Nguồn sáng tiên tiến (Advanced Light Source).

Brett Helms, nhà khoa học tại Molecular Foundry, chủ nhiệm dự án cho biết: “Đây là lần đầu tiên những sản phẩm sinh học được tích hợp để tạo ra một PDK, được xây dựng trên cơ sở sinh học. Đây cũng là lần đầu tiên có thể thấy được lợi thế sinh học so với kỹ thuật hóa dầu cả về đặc tính của vật liệu và chi phí sản xuất ở quy mô công nghiệp.”

PDK, có ưu thế hơn nhựa truyền thống là có thể được tái cấu trúc nhiều lần thành những khối xây dựng nguyên sơ và tạo thành các sản phẩm mới mà không suy giảm chất lượng vật. Những thành phần vật liệu trước đây thường được tạo ra từ các khối xây dựng có nguồn gốc từ hóa dầu, nhưng trong nghiên cứu này có thể được thiết kế lại và sản xuất bằng vi khuẩn.

Sau một nghiên cứu kéo dài 4 năm, nhóm nhà khoa học Mỹ điều chỉnh thành công vi khuẩn E. coli, có khả năng chuyển hóa đường từ thực vật thành một số nguyên liệu ban đầu – một phân tử được gọi là triacetic acid lactone, hay bioTAL, chế tạo được PDK với khoảng 80% hàm lượng sinh học.

BioTAL thô (trái) có thể được kết hợp với những hóa chất khác và xử lý thành nhựa PDK có thể tái chế, tái tạo sinh học (phải). Ảnh: Jeremy Demarteau/Berkeley Lab

Jeremy Demarteau, nhà nghiên cứu trong dự án cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh được, hành trình dẫn đến chế tạo loại nhựa mang 100% hàm lượng sinh học, có thể tái chế là hoàn toàn khả thi. Chúng ta sẽ thực hiện điều này trong tương lai.”

PDK có thể được sử dụng cho nhiều loại sản phẩm, bao gồm chất kết dính, những sản phẩm linh hoạt như dây cáp máy tính hoặc dây đeo đồng hồ, vật liệu xây dựng và nhựa "nhiệt rắn cứng", loại nhựa cứng được chế tạo bằng quy trình đóng rắn.

Các nhà nghiên cứu rất vui mừng khi thấy, tích hợp các thành phần sinh học (bioTAL) vào vật liệu đã mở rộng phạm vi nhiệt độ hoạt động của nhựa lên tới 60 độ C so với phiên bản hóa dầu. Ưu điểm này cung cấp cơ hội sử dụng PDK trong những mặt hàng cần nhiệt độ làm việc cao hơn như thiết bị thể thao và các bộ phận ô tô như các bộ phận chịu nhiệt, chống va chạm hoặc bảng điều khiển.

Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP) ước tính rằng chúng ta tạo ra khoảng 400 triệu tấn chất thải nhựa trên toàn cầu mỗi năm và con số đó được dự đoán sẽ tăng lên hơn 1 tỷ tấn vào năm 2050. Trong số 7 tỷ tấn chất thải nhựa đã được tạo ra, chỉ có khoảng 10 phần trăm đã được tái chế, trong khi hầu hết bị loại bỏ vào bãi rác hoặc bị đốt cháy.

Giải bài toán rác thải nhựa

Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc ước tính, mỗi năm, thể giới tạo ra khoảng 400 triệu tấn chất thải nhựa và con số này dự đoán sẽ tăng lên hơn 1 tỷ tấn vào năm 2050. Trong số 7 tỷ tấn chất thải nhựa trên toàn cầu, chỉ có khoảng 10 % được tái chế, phần còn lại bị coi là rác thải không thể sử dụng, bị đưa vào bãi chôn lấp hoặc bị đốt cháy, một phần rất lớn rác thải nhựa theo dòng chảy xâm nhập vào đại dương.

GS Jay Keasling thuộc UC Berkeley, nhà nghiên cứu cao cấp tại Ban Khoa học Sinh học thuộc Phòng thí nghiệm Berkeley, Giám đốc điều hành JBEI cho biết: “Chúng ta không thể tiếp tục sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt trên trái đất để đáp ứng nhu cầu vô độ về nhựa. Chúng tôi muốn giải quyết vấn đề rác thải nhựa bằng phương pháp tạo ra những vật liệu vừa có thể tái chế sinh học vừa có thể đáp ững vòng kinh tế tuần hoàn đồng thời thúc đẩy các công ty sản xuất sản phẩm nhựa sử dụng vật liệu mới. Theo định hướng này, con người có thể có sản phẩm cần thiết, sau đó sản phẩm lại có thể chuyển hóa thành một nhóm sản phẩm mới khác."

Nghiên cứu được công bố ngày 27/7 được phát triển trên cơ sở phân tích công nghệ và môi trường năm 2021, cho thấy nhựa PDK có thể cạnh tranh thương mại với nhựa thông thường nếu được sản xuất ở quy mô lớn.

Corinne Scown, nhà khoa học thuộc Ban Công nghệ Năng lượng của Phòng thí nghiệm Berkeley, phó chủ tịch của JBEI cho biết: “Kết quả nghiên cứu mới rất khích lệ. Với những cải tiến nhỏ trong quy trình sản xuất, chúng tôi có thể sớm tạo ra nhựa PDK với các thành phần sinh học vừa rẻ hơn vừa xả thải khí CO2 ít hơn nhiều so với nhựa được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch."

Những cải tiến đó sẽ là, tăng tốc độ vi khuẩn chuyển đổi đường thành bioTAL, sử dụng vi khuẩn để biến đổi nhiều loại đường có nguồn gốc thực vật và những hợp chất sinh học khác thành bioTAL, sử dụng năng lượng tái tạo cho các cơ sở sản xuất.