БІОПЛАСТИКА: ЯК ЇХ ВИРОБЛЯЮТЬ, ВИДИ, ПЕРЕВАГИ, НЕДОЛІКИ - СЕРЕДОВИЩЕ - 2025

У биопластика є будь-яким податливим матеріалом на основі полімерів нафтохімічного походження або біомас , які є біологічно руйнуватися. Подібно до традиційних пластмас, синтезованих з нафти, вони можуть формуватися в різні предмети.

Залежно від їх походження, біопластики можуть бути отримані з біомаси (на основі біологічних речовин) або мати нафтохімічне походження. З іншого боку, залежно від рівня їх розкладання, існують біорозкладаються та нерозкладаються біопластики.

Столові прилади з біологічно розкладаного крохмалю поліестеру. Джерело: Скотт Бауер

Підвищення біопластики виникає у відповідь на незручності, спричинені звичайними пластмасами. Сюди можна віднести скупчення небіорозкладаних пластмас у Світовому океані та на полігонах.

З іншого боку, звичайні пластмаси мають високий слід вуглецю і високий вміст токсичних елементів. Навпаки, біопластики мають ряд переваг, оскільки вони не виробляють токсичних елементів і, як правило, біологічно розкладаються та переробляються.

Серед основних недоліків біопластиків - їх висока виробнича вартість та менша стійкість. Крім того, частина використовуваної сировини є потенційними харчовими продуктами, що становить економічну та етичну проблему.

Деякі приклади біопластичних об'єктів - це біорозкладаються мішки, а також деталі транспортних засобів та мобільних телефонів.

Характеристика біопластику

Економічне та екологічне значення біопластиків

Різні утилітарні об'єкти, виготовлені з біопластику. Джерело: Hwaja Götz, через Wikimedia Commons

Останнім часом спостерігається більший науковий та промисловий інтерес до виробництва пластмас із відновлюваної сировини, які є біологічно розкладаються.

Це пов’язано з тим, що світові запаси нафти виснажуються і існує більша обізнаність про серйозні екологічні збитки, спричинені нафтопластикою.

Зі зростанням попиту на пластмаси на світовому ринку зростає і попит на біологічно розкладаються пластмаси.

Біодеструкція

Біорозкладані біопластикові відходи можна поводитись як органічні, швидко руйнуються та не забруднюючі відходи. Наприклад, їх можна використовувати як поправку ґрунту при компостуванні, оскільки вони природним чином переробляються біологічними процесами.

Біопластика з незліченною кількістю комерційних цілей. Джерело: F. Kesselring, FKuR Willich, через Wikimedia Commons

Обмеження біопластики

Виробництво біологічно розкладаються біопластиків стикається з великими проблемами, оскільки біопластики мають поступальні властивості нафтопластикам, а їх застосування, хоча і зростає, обмежене.

Поліпшення властивостей біопластику

Для поліпшення властивостей біопластиків розробляються біополімерні суміші з різними типами добавок, такими як вуглецеві нанотрубки та хімічно модифіковані природні волокна.

Загалом, добавки, застосовувані до біопластиків, покращують такі властивості, як:

• Жорсткість і механічна стійкість.
• Бар'єрні властивості проти газів та води.
• Термостійкість і термостабільність.

Ці властивості можна переробити в біопластик методами хімічної підготовки та обробки.

Як виробляють біопластик?

Біопластик для упаковки з термопластичного крохмалю. Джерело: Крістіан Гале, nova-Institut GmbH

-Коротка історія

Біопластики передують звичайним синтетичним пластикам з нафтопродуктів. Використання полімерів рослинного чи тваринного речовини для отримання пластичного матеріалу датується 18 століттям із застосуванням натурального каучуку (латекс від Hevea brasiliensis).

Перший біопластик, хоча йому не дали такої назви, був розроблений у 1869 році Джоном Уеслі Хайат-молодшим, який виготовив пластик, отриманий з целюлози бавовни, як заміну слонової кістки. Так само в кінці 19 століття казеїн з молока використовувався для виробництва біопластиків.

У 1940-х роках компанія «Форд» досліджувала альтернативи використанню рослинної сировини для виготовлення деталей для своїх автомобілів. Цей напрямок досліджень був спонуканий обмеженнями щодо використання сталі на війні.

В результаті цього протягом 1941 року компанія розробила модель автомобіля з кузовом, побудованим з переважно соєвих похідних. Однак після закінчення війни ця ініціатива не була продовжена.

До 1947 року був виготовлений перший технічний біопластик, поліамід 11 (Rilsan як торгова марка). Пізніше, в 90-х, з'явилися PLA (полімолочна кислота), PHA (полігідроксиалканоати) та пластифіковані крохмалі.

-Сирий матеріал

Біопластики на основі біологічних речовин - це ті, які виготовляються з рослинної біомаси. Три основні джерела сировини для біобази є наступними.

Природні полімери біомаси

Можна використовувати природні полімери, виготовлені безпосередньо рослинами, такі як крохмаль або цукри. Наприклад, "Картопляний пластик" - це біологічно розкладається біопластик, виготовлений з картопляного крохмалю.

Полімери, синтезовані з мономерів біомаси

Друга альтернатива - синтез полімерів з мономерів, витягнутих з рослинних або тваринних джерел. Відмінність цього шляху від попереднього полягає в тому, що тут потрібен проміжний хімічний синтез.

Наприклад, Bio-PE або зелений поліетилен отримують з етанолу, отриманого з цукрової тростини.

Біопластика також може бути отримана з тваринних джерел, таких як глікозаміноглікани (ГАГ), які є білками яєчної шкаралупи. Перевага цього білка полягає в тому, що він дозволяє отримувати більш стійку біопластику.

Біотехнологія на основі бактеріальних культур

Інший спосіб отримання полімерів для біопластиків - це біотехнологія через бактеріальні культури. У цьому сенсі багато бактерії синтезують і зберігають полімери, які можна витягти та обробити.

Для цього бактерії масово культивують у відповідних культуральних середовищах і потім обробляють для очищення конкретного полімеру. Наприклад, PHA (полігідроксиалканоати) синтезується різними бактеріальними родами, що ростуть у середовищі із надлишком вуглецю та без азоту чи фосфору.

Бактерії зберігають полімер у вигляді гранул у цитоплазмі, які витягуються обробкою бактеріальних мас. Інший приклад - PHBV (PolyhydroxyButylValerate), який отримують з бактерій, що живляться цукрами, отриманими з рослинних решток.

Найбільшим обмеженням біопластиків, отриманих таким чином, є витрати на виробництво, в основному за рахунок необхідних культурних середовищ.

Поєднання природного полімеру та біотехнологічного полімеру

Університет Огайо розробив досить міцний біопластик, поєднуючи природний каучук з біопластиком PHBV, органічним пероксидом та триактилат триакрилатом триметилолпропану (TMPTA).

-Процес виробництва

Біопластики отримують різними процесами, залежно від сировини та бажаних властивостей. Біопластику можна отримати за допомогою елементарних процесів або більш складних промислових процесів.

Основний процес

Це можна зробити варінням та формуванням у разі використання природних полімерів, таких як крохмаль або кукурудзяний або картопляний крохмаль.

Таким чином, елементарним рецептом отримання біопластику є змішування кукурудзяного крохмалю або картопляного крохмалю з водою, додаючи гліцерин. Згодом цю суміш готують до тих пір, поки вона не загусне, формується і дається висохнути.

Процеси середньої складності

Що стосується біопластиків, отриманих з полімерів, синтезованих з мономерів біомаси, то процеси дещо складніші.

Наприклад, для біо-ПЕ, отриманого з етанолу цукрової тростини, потрібна серія етапів. Перше - це витяг цукру з тростини для отримання етанолу шляхом бродіння та перегонки.

Потім етанол зневоднюється і отримується етилен, який необхідно полімеризувати. Нарешті, за допомогою термоформовочних машин предмети виготовляють на основі цього біопластику.

Складні та дорожчі процеси

Якщо говорити про біопластики, отримані з полімерів, отриманих за допомогою біотехнології, то складність та витрати збільшуються. Це пояснюється тим, що в них беруть участь бактеріальні культури, які вимагають конкретних культурних середовищ та умов росту.

Цей процес заснований на тому, що певні бактерії виробляють природні полімери, які вони здатні зберігати всередині. Тому, починаючи з відповідних поживних елементів, ці мікроорганізми культивуються та обробляються для вилучення полімерів.

Біопластика також може бути виготовлена ​​з деяких водоростей, таких як Botryococcus braunii. Ця мікроводорость здатна виробляти і навіть виводити в навколишнє середовище вуглеводні, з яких отримують паливо або біопластик.

-Виробництво продуктів на основі біопластиків

Основним принципом є формування об'єкта, завдяки пластичним властивостям цієї сполуки за допомогою тиску та тепла. Обробка проводиться екструзією, впорскуванням, впорскуванням і продуванням, продувкою заготовкою та термоформованням і, нарешті, піддається охолодженню.

Типи

Упаковка з ацетату целюлози. Джерело: Крістіан Гале, nova-Institut GmbH

Підходи до класифікації біопластиків різноманітні і не без суперечок. У будь-якому випадку критеріями, які використовуються для визначення різних типів, є походження та рівень розкладання.

-Орігін

Відповідно до узагальненого підходу, біопластики можна класифікувати за своїм походженням як біоосновні або небіологічні. У першому випадку полімери отримують з рослинної, тваринної або бактеріальної біомаси і тому є поновлюваними ресурсами.

З іншого боку, біопласти, що не мають біологічної основи, - це ті, які отримують з полімерів, синтезованих з нафти. Однак, оскільки вони надходять з невідновлюваних ресурсів, деякі фахівці вважають, що до них не слід ставитися як до біопластиків.

-Рівень розкладання

Що стосується рівня розкладання, біопластики можуть бути біологічно розкладаються чи ні. Біодеградуючі розкладаються за відносно короткі проміжки часу (дні до кількох місяців), коли вони піддаються відповідним умовам.

Зі свого боку, небіологічно розкладаються біопластики поводяться як звичайні пластмаси нафтохімічного походження. У цьому випадку період загнивання вимірюється десятиліттями і навіть століттями.

Існує суперечка щодо цього критерію, оскільки деякі вчені вважають, що справжній біопластик повинен бути біологічно розкладається.

-Оригін та біодеградація

Коли два попередні критерії поєднуються (походження та рівень розкладання), біопластики можна класифікувати на три групи:

1. Походить з відновлюваної сировини (біобази) та біологічно розкладається.
2. Отримані з відновлюваної сировини (біобази), але не піддаються біологічному розкладанню.
3. Одержують із сировини нафтохімічного походження, але біологічно розкладаються.

Важливо зазначити, що для того, щоб вважати полімер біопластиком, він повинен ввести одну з цих трьох комбінацій.

Біологічно розкладається

Серед біопластиків і біологічно розкладаються біопластики є полімолочна кислота (PLA) та полігідроксиалканоат (PHA). PLA є однією з найбільш широко використовуваних біопластиків і отримується переважно з кукурудзи.

Цей біопластик має властивості, схожі на поліетилентерефталат (ПЕТ, звичайний пластик поліефірного типу), хоча він менш стійкий до високих температур.

Зі свого боку, PHA має змінні властивості залежно від конкретного полімеру, який його складає. Його отримують з рослинних клітин або за допомогою біотехнології з бактеріальних культур.

Ці біопластики дуже чутливі до умов переробки і їх вартість вдесятеро перевищує звичайну пластмасу.

Інший приклад цієї категорії - PHBV (PolyhydroxyButylValerate), який отримують з рослинних решток.

Біологічно-нерозкладається

У цій групі ми маємо біополіетилен (BIO-PE), властивості якого аналогічні властивостям звичайного поліетилену. Зі свого боку, Bio-PET має характеристики, схожі на поліетилентерефталат.

Обидві біопластики зазвичай виготовляють із цукрової тростини, отримуючи біоетанол як проміжний продукт.

До цієї категорії також належить біополіамід (ПА), який є вторинним біопластиком, який має відмінні теплоізоляційні властивості.

-Не біологічно заснований на біологічному розкладі

Біодеструкція пов'язана з хімічною структурою полімеру, а не з типом використовуваної сировини. Тому біорозкладаються пластмаси можна отримати з нафти при правильній переробці.

Прикладом цього типу біопластиків є полікапролактони (PCL), які використовуються у виробництві поліуретанів. Це біопластик, отриманий з нафтових похідних, таких як полібутилен сукцинат (PBS).

Перевага

Цукеркова обгортка з PLA (полімолочної кислоти). Джерело: F. Kesselring, FKuR Willich

Вони біологічно розкладаються

Хоча не всі біопластики є біологічно розкладаються, правда полягає в тому, що для багатьох людей це їх основна характеристика. Фактично, пошук цього майна є одним із основних механізмів буму біопластики.

Звичайні пластмаси на основі нафти і не розкладаються потребують сотень і навіть тисяч років. Така ситуація представляє серйозну проблему, оскільки сміттєзвалища та океани заповнюються пластмасою.

З цієї причини біорозкладаність є дуже актуальною перевагою, оскільки ці матеріали можуть розкладатися за тижні, місяці чи кілька років.

Вони не забруднюють довкілля

Оскільки вони є біологічно розкладаються матеріалами, біопластика перестає займати простір як сміття. Крім того, вони мають додаткову перевагу тим, що в більшості випадків вони не містять токсичних елементів, які вони можуть викинути в навколишнє середовище.

Вони мають нижчий рівень вуглецю

Як у процесі виробництва біопластиків, так і при їх розкладанні виділяється менше СО2, ніж у випадку звичайних пластиків. У багатьох випадках вони не виділяють метан або роблять це в малих кількостях і тому мало впливають на парниковий ефект.

Наприклад, біопластики, виготовлені з етанолу із цукрової тростини, зменшують викиди СО2 на 75% порівняно з одержуваними з нафти.

Безпечніше носити їжу та напої

Як правило, при розробці та складі біопластиків не використовуються токсичні речовини. Тому вони становлять менший ризик забруднення їжею чи напоями, що містяться в них.

На відміну від звичайних пластмас, які можуть виробляти діоксини та інші забруднюючі компоненти, біопластики на основі біологічної речовини нешкідливі.

Недоліки

Недоліки в основному пов'язані з типом використовуваного біопластику. Серед інших у нас є такі.

Менший опір

Одне обмеження, яке більшість біопластиків має порівняно зі звичайними пластмасами, - це їх менша стійкість. Однак ця властивість - це те, що пов’язано з його здатністю до біологічного розкладання.

Вища вартість

У деяких випадках сировина, яка використовується для виробництва біопластиків, дорожча, ніж сировина з нафти.

З іншого боку, виробництво деяких біопластиків передбачає більш високі витрати на переробку. Зокрема, ці виробничі витрати вищі у виробництві в результаті біотехнологічних процесів, включаючи масове культивування бактерій.

Конфлікт використання

Біопластика, що виробляється з харчової сировини, конкурує з потребами людини. Тому, оскільки вигідніше присвячувати врожаї виробництву біопластику, вони вилучаються з ланцюга виробництва продуктів харчування.

Однак цей недолік не стосується біопластиків, отриманих з неїстівних відходів. Серед цих відходів у нас є залишки рослин, неїстівні водорості, лігнін, яєчні шкаралупи або екзоскелети омарів.

Їх непросто переробити

PLA біопластик дуже схожий на звичайний ПЕТ (поліетилентерефталат) пластик, але він не підлягає переробці. Тому, якщо обидва типи пластику змішуються в контейнері для переробки, цей вміст не може бути перероблений.

У зв'язку з цим є побоювання, що все більш широке використання PLA може перешкоджати існуючим зусиллям по переробці пластмас.

Приклади та їх використання для продуктів, виготовлених з біопластику

Ємність для вина, виготовлена ​​з біопластику з сільськогосподарських відходів та міцелії. Джерело: Mycobond

-Продукти одноразові або одноразові

Елементи, які утворюють найбільше відходів, - це контейнери, обгортки, тарілки та столові прилади, пов’язані з фаст-фудом та сумками для покупок. Тому в цій галузі біорозкладаються біопластики відіграють важливу роль.

З цієї причини були розроблені різні продукти на основі біопластиків, щоб впливати на зменшення утворення відходів. Серед інших у нас є біорозкладаний мішок, виготовлений з ековіо BASF або пластикова пляшка з PLA, отримана з кукурудзи Safiplast в Іспанії.

Водні капсули

Компанія Ooho створила біологічно розкладаються капсули з водоростей з водою замість традиційних пляшок. Ця пропозиція була дуже інноваційною та успішною та вже перевірена на Лондонському марафоні.

землеробство

У деяких культурах, таких як полуниця, поширена практика - накривати грунт пластиковим листом, щоб контролювати бур’яни та уникати промерзання. У цьому сенсі біопластичні прокладки, такі як Agrobiofilm, були розроблені для заміни звичайних пластмас.

-Об'єкти для довговічних застосувань

Використання біопластику не обмежується предметами використання та утилізації, але може бути використане у більш довговічних об'єктах. Наприклад, компанія Zoë b Organic виробляє пляжні іграшки.

Складні компоненти обладнання

Toyota використовує біопластик у деяких автозапчастинах, таких як компоненти для кондиціонерів та пультів управління. Для цього використовується біопластик, такий як Bio-PET та PLA.

Зі свого боку, Fujitsu використовує біопластику для виготовлення комп'ютерних мишей та деталей клавіатури. Що стосується компанії Samsung, то в деяких мобільних телефонах є корпуси, виготовлені здебільшого з біопластику.

-Будівництво та цивільне будівництво

Біопластики крохмалю використовувались як будівельні матеріали та біопластики, посилені нановолокна в електроустановках.

Крім того, вони використовувались у виробництві меблевих лісів з біопластику, які не атакуються ксилофаговими комахами та не гниють із вологістю.

-Фармацевтичні програми

Вони виготовлені з біопластичних капсул, що містять наркотики та наркотики, які вивільняються повільно. Таким чином, біодоступність лікарських засобів регулюється з часом (доза, яку пацієнт отримує за певний час).

-Медичні програми

Целюлозна біопластика, застосовувана в імплантатах, тканинній інженерії, хітиновій та хітозановій біопластиках, була виготовлена ​​для захисту ран, інженерії кісткової тканини та регенерації шкіри людини.

Целюлозну біопластику виготовляють також для біосенсорів, сумішей з гідроксиапатитом для виготовлення зубних імплантатів, біопластичних волокон у катетерах.

-Повітряний, морський і наземний транспорт та промисловість

Жорсткі піни на основі рослинних олій (біопластики) використовувались як у промислових, так і в транспортних пристроях; автозапчастини та аерокосмічні частини.

Електронні компоненти стільникових телефонів, комп’ютерів, аудіо та відео пристроїв також виготовлені з біопластику.

-Фармінг

Біопластичні гідрогелі, які поглинають і затримують воду і можуть повільно виділяти її, корисні в якості захисних ковдр для оброблюваного ґрунту, підтримуючи його вологість і сприяючи зростанню сільськогосподарських насаджень у сухих регіонах та в низький сезон дощів.

Список літератури

1. Альварес да Сільва Л (2016). Біопластика: отримання та застосування полігідроксиалканоатів. Фармацевтичний факультет Севільського університету. Ступінь фармації. 36 с.
2. Безірхан-Арікан Е і Н Дуйгу-Озсой (2015). Огляд: Дослідження біопластиків. Журнал будівництва та архітектури 9: 188-192. Де Альмейда A, JA Ruiz, NI Лопес і MJ Pettinari (2004). Біопластика: екологічна альтернатива. Жива хімія, 3 (3): 122-133.
3. El-Kadi S (2010). Виробництво біопластиків з недорогих джерел. ISBN 9783639263725; VDM Verlag Publishing Dr. Müller Publishing, Берлін, Німеччина. 145 с.
4. Labeaga-Viteri A (2018). Біорозкладані полімери. Важливість та потенційні програми. Національний університет дистанційної освіти. Факультет наук, кафедра неорганічної хімії та хімічної інженерії. Магістр хімічних наук та технологій. 50 с.
5. Ruiz-Hitzky E, FM Fernandes, MM Reddy, S Vivekanandhan, M Misra, SK Bhatia і AK Mohanty (2013). Біологічна пластмаса та біонанокомпозити: сучасний стан та майбутні можливості. Прог. Полім. Наук 38: 1653-1689.
6. Сатиш К (2017). Біопластика - класифікація, виробництво та їх потенційне застосування в їжі. Журнал пагорбного сільського господарства 8: 118-129.