Tại các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới, các nhà khoa học đang âm thầm làm việc về một bước đột phá có thể trở thành một trong những đột phá quan trọng nhất trong khoa học vật liệu bền vững—một quy trình mới biến các sản phẩm phụ của quá trình lên men thành chất hóa dẻo hiệu suất cao, thân thiện với môi trường.

Cuộc sống hiện đại không thể tưởng tượng được nếu thiếu nhựa—từ thiết bị y tế đến đồ chơi trẻ em, những vật liệu đa năng này có được sự linh hoạt nhờ các chất phụ gia hóa học gọi là chất hóa dẻo. Trong nhiều thập kỷ, phthalate có nguồn gốc từ dầu mỏ đã thống trị thị trường toàn cầu trị giá 15 tỷ USD này, đặc biệt trong các ứng dụng polyvinyl clorua (PVC).

Tuy nhiên, ngày càng có nhiều bằng chứng khoa học cho thấy những tác động đáng lo ngại đến sức khỏe:

• Tiềm năng gây rối loạn nội tiết trong các nghiên cứu trên động vật
• Các liên kết có thể có với các vấn đề phát triển và sinh sản
• Sự tồn tại dai dẳng trong môi trường với thời gian bán hủy vượt quá hàng thập kỷ

Các cơ quan quản lý trên toàn thế giới đang phản ứng. Liên minh Châu Âu đã hạn chế một số phthalate nhất định trong đồ chơi và các sản phẩm chăm sóc trẻ em theo quy định REACH, trong khi Đạo luật 65 của California liệt kê một số là chất gây ung thư.

Trong số các sản phẩm thay thế tiềm năng, citrate ester—đặc biệt là tributyl citrate (TBC) và dẫn xuất acetyl hóa của nó (ATBC)—đã nổi lên như những ứng cử viên hàng đầu. Có nguồn gốc từ axit citric, một hợp chất tự nhiên có trong trái cây có múi, các chất hóa dẻo có nguồn gốc sinh học này mang lại:

• Khả năng phân hủy sinh học tuyệt vời (90% phân hủy trong vòng 28 ngày trong các thử nghiệm OECD)
• Hồ sơ độc tính thấp (LD50 > 5.000 mg/kg trong các nghiên cứu trên động vật gặm nhấm)
• Hiệu suất tương đương với phthalate thông thường trong các ứng dụng PVC

Tuy nhiên, sự thâm nhập thị trường vẫn còn hạn chế do chi phí sản xuất gần gấp đôi so với chất hóa dẻo thông thường—một thách thức bắt nguồn từ các quy trình sản xuất truyền thống.

Một phương pháp đột phá hiện nay bỏ qua bước tinh chế tốn kém axit citric bằng cách sử dụng trực tiếp canxi citrate, một sản phẩm phụ của quá trình lên men. Quy trình được cấp bằng sáng chế kết hợp:

1. Axit hóa và este hóa đồng thời trong một lò phản ứng duy nhất
2. Axit sulfuric làm chất xúc tác đa chức năng và chất kết tủa canxi
3. Loại bỏ nước tại chỗ thông qua sự hình thành canxi sulfat

Phương pháp tích hợp này đạt được năng suất TBC 92% ở quy mô phòng thí nghiệm—tăng 30% so với các quy trình thông thường—đồng thời loại bỏ nhiều bước tinh chế.

Mô hình động học chi tiết tiết lộ lý do tại sao quy trình hoạt động:

• Sản phẩm phụ canxi sulfat liên tục hấp thụ nước phản ứng, thúc đẩy cân bằng về phía hình thành sản phẩm
• Tốc độ phản ứng tăng gấp ba lần ở 90°C so với các phương pháp truyền thống
• Mức tiêu thụ năng lượng giảm ước tính 40% trong các phân tích vòng đời

Những tác động vượt ra ngoài hóa học. Các đánh giá vòng đời cho thấy:

• Giảm 68% lượng khí thải carbon so với sản xuất TBC thông thường
• Tiềm năng định giá 450.000 tấn sản phẩm phụ của quá trình lên men hàng năm
• Chi phí sản xuất cạnh tranh với chất hóa dẻo có nguồn gốc từ dầu mỏ ở quy mô lớn

Các nhà phân tích ngành dự báo thị trường chất hóa dẻo sinh học toàn cầu có thể tăng từ 1,4 tỷ USD vào năm 2023 lên 2,3 tỷ USD vào năm 2028 nếu những đổi mới như vậy đạt được khả năng thương mại hóa.

Mặc dù đầy hứa hẹn, việc mở rộng quy mô vẫn còn những rào cản:

• Tối ưu hóa thiết kế lò phản ứng liên tục cho các phản ứng rắn-lỏng
• Quản lý khối lượng sản phẩm phụ canxi sulfat
• Đảm bảo chất lượng nguyên liệu đầu vào nhất quán từ các quy trình lên men

Các thử nghiệm nhà máy thí điểm đang được tiến hành ở Châu Âu, với kết quả ban đầu dự kiến vào cuối năm 2024. Nếu thành công, công nghệ này có thể định nghĩa lại sản xuất nhựa bền vững—cung cấp cho các nhà sản xuất một con đường khả thi về mặt kinh tế để thoát khỏi sự phụ thuộc vào dầu mỏ mà không làm giảm hiệu suất.

Khi áp lực pháp lý gia tăng và nhu cầu của người tiêu dùng về các giải pháp thay thế xanh ngày càng tăng, những đổi mới như vậy cuối cùng có thể làm cho nhựa không chứa phthalate trở thành tiêu chuẩn chứ không phải là ngoại lệ.