BIOPLASTIKA: KAIP JIE GAMINAMI, TIPAI, PRANAŠUMAI, TRŪKUMAI - APLINKA - 2025

Kad bioplastikai yra bet kalusis medžiagos pagrindu yra polimerai, chemijos kilmės arba biomasės, kurie yra biologiškai skaidomas. Panašiai kaip tradicinius iš naftos sintetinamus plastikus, jie gali būti liejami į įvairius objektus.

Priklausomai nuo jų kilmės, bioplastikai gali būti gaunami iš biomasės (biologinės bazės) arba būti naftos chemijos kilmės. Kita vertus, atsižvelgiant į jų skilimo lygį, yra biologiškai skaidžios ir biologiškai neskaidomos bioplastikos.

Stalo įrankiai pagaminti iš biologiškai skaidomo krakmolo poliesterio. Šaltinis: Scott Bauer

Bioplastiko augimas atsiranda dėl nepatogumų, kuriuos sukelia įprastas plastikas. Tai apima biologiškai neskaidomo plastiko kaupimąsi vandenynuose ir sąvartynuose.

Kita vertus, įprasti plastikai turi didelį anglies pėdsaką ir daug nuodingų elementų. Bioplastika, priešingai, turi keletą pranašumų, nes jie negamina toksiškų elementų, paprastai yra biologiškai skaidūs ir perdirbami.

Tarp pagrindinių bioplastikų trūkumų yra jų aukštos gamybos sąnaudos ir mažesnis atsparumas. Be to, kai kurios naudojamos žaliavos yra potencialūs maisto produktai, kurie kelia ekonominę ir etinę problemą.

Kai kurie bioplastiškų daiktų pavyzdžiai yra biologiškai skaidūs krepšiai, taip pat transporto priemonių ir mobiliųjų telefonų dalys.

Bioplastikos savybės

Bioplastiko ekonominė ir aplinkos svarba

Įvairūs utilitariniai objektai, pagaminti iš bioplastiko. Šaltinis: Hwaja Götz, per „Wikimedia Commons“

Pastaruoju metu atsirado didesnis mokslinis ir pramoninis susidomėjimas plastikų gamyba iš atsinaujinančių žaliavų, kurie yra biologiškai skaidūs.

Taip yra dėl to, kad išeikvojamos pasaulio naftos atsargos, ir geriau suprantama apie didelę petroplastikų žalą aplinkai.

Augant plastiko paklausai pasaulinėje rinkoje, auga ir biologiškai skaidomo plastiko paklausa.

Biologinis skaidomumas

Biologiškai skaidžios bioplastiko atliekos gali būti traktuojamos kaip organinės, greitai skaidomos ir neteršiančios atliekos. Pavyzdžiui, juos galima naudoti kaip dirvožemio pakeitimus kompostuojant, nes jie natūraliai perdirbami biologinių procesų metu.

Bioplastikas su daugybe komercinių reikmių. Šaltinis: F. Kesselring, FKuR Willich, per „Wikimedia Commons“

Bioplastikos apribojimai

Biologiškai skaidžių bioplastikų gamyba susiduria su dideliais iššūkiais, nes bioplastikai pasižymi prastesnėmis savybėmis nei petroplastikai ir jų naudojimas, nors ir auga, yra ribotas.

Bioplastiko savybių gerinimas

Siekiant pagerinti bioplastiko savybes, kuriami biopolimerų mišiniai su įvairių tipų priedais, tokiais kaip anglies nanovamzdeliai ir chemiškai modifikuoti natūralūs pluoštai.

Paprastai bioplastikams naudojami priedai pagerina tokias savybes kaip:

• Tvirtumas ir mechaninis atsparumas.
• Barjerinės savybės prieš dujas ir vandenį.
• Šiluminis atsparumas ir stabilumas.

Šios savybės gali būti pritaikytos bioplastikams cheminio paruošimo ir perdirbimo metodais.

Kaip gaminami bioplastikai?

Bioplastikas pakavimui iš termoplastinio krakmolo. Šaltinis: Christian Gahle, „nova-Institut GmbH“

-Trumpa istorija

Bioplastika yra ankstesnė už įprastą iš naftos gaunamą sintetinį plastiką. Augalinės ar gyvūninės medžiagos polimerai plastikinėms medžiagoms gaminti buvo sukurti XVIII amžiuje naudojant natūralų kaučiuką (lateksą iš Hevea brasiliensis).

Pirmasis bioplastikas, nors jam ir nebuvo suteiktas toks vardas, buvo sukurtas 1869 m. John Wesley Hyatt Jr., kuris pagamino iš medvilnės celiuliozės gautą plastiką kaip dramblio kaulo pakaitalą. XIX amžiaus pabaigoje bioplastikai gaminti buvo naudojamas kazeinas iš pieno.

Ketvirtajame dešimtmetyje „Ford“ kompanija tyrė alternatyvas, kaip naudoti augalines žaliavas gaminant savo automobilių dalis. Šią tyrimų kryptį paskatino apribojimai naudoti karą plieną.

Dėl to 1941 m. Įmonė sukūrė automobilio modelį, kurio kėbulas pagamintas iš daugiausia sojos darinių. Tačiau pasibaigus karui ši iniciatyva nebuvo tęsiama.

Iki 1947 m. Buvo pagamintas pirmasis techninis bioplastikas - „Polyamide 11“ („Rilsan“ kaip prekės ženklas). Vėliau, devintajame dešimtmetyje, atsirado PLA (poli-pieno rūgštis), PHA (polihidroksialkanoaatai) ir plastifikuoti krakmolai.

-Aukšta medžiaga

Biologiniai bioplastikai yra tie, kurie gaminami iš augalų biomasės. Trys pagrindiniai biologinės bazės žaliavų šaltiniai yra šie.

Natūralūs biomasės polimerai

Gali būti naudojami natūralūs polimerai, kuriuos tiesiogiai gamina augalai, pavyzdžiui, krakmolas ar cukrus. Pavyzdžiui, „bulvių plastikas“ yra biologiškai skaidomas bioplastikas, pagamintas iš bulvių krakmolo.

Polimerai, sintetinami iš biomasės monomerų

Antra alternatyva yra sintetinti polimerus iš monomerų, išgautų iš augalinių ar gyvūninių šaltinių. Skirtumas tarp šio maršruto ir ankstesnio yra tas, kad čia reikalinga tarpinė cheminė sintezė.

Pavyzdžiui, iš etanolio, gaunamo iš cukranendrių, gaminamas Bio-PE arba žaliasis polietilenas.

Bioplastikai taip pat gali būti gaminami iš gyvūninių šaltinių, tokių kaip glikozaminoglikanai (GAG), kurie yra kiaušinio lukšto baltymai. Šio baltymo pranašumas yra tas, kad jis leidžia gauti atsparesnius bioplastikus.

Biotechnologijos, pagrįstos bakterijų kultūromis

Kitas būdas gaminti polimerus bioplastikams yra biotechnologija per bakterijų kultūras. Šia prasme daugelis bakterijų sintezuoja ir kaupia polimerus, kuriuos galima išgauti ir perdirbti.

Tam bakterijos masiškai kultivuojamos tinkamose terpėse ir apdorojamos tam, kad būtų išgrynintas specifinis polimeras. Pavyzdžiui, PHA (polihidroksialkanoatatai) sintetinami skirtingų bakterijų genčių, augančių terpėje su anglies pertekliumi ir be azoto ar fosforo.

Bakterijos kaupia polimerą granulių pavidalu citoplazmoje, kurios išgaunamos perdirbant bakterijų mases. Kitas pavyzdys yra PHBV (PolyhydroxyButylValerate), gaunamas iš bakterijų, maitinamų cukrumi, gautu iš augalų liekanų.

Didžiausias tokiu būdu gautų bioplastikų apribojimas yra gamybos išlaidos, daugiausia dėl reikalingų auginimo terpių.

Natūralaus polimero ir biotechnologinio polimero derinys

Ohajo universitetas sukūrė gana stiprų bioplastiką, derindamas natūralų kaučiuką su PHBV bioplastiku, organiniu peroksidu ir trimetilolpropano triakrilatu (TMPTA).

-Gamybos procesas

Bioplastikas gaunamas įvairiais būdais, atsižvelgiant į žaliavą ir norimas savybes. Bioplastikas gali būti gaunamas elementarių procesų ar sudėtingesnių pramoninių procesų metu.

Pagrindinis procesas

Tai gali būti atliekama virinant ir formuojant, jei naudojami natūralūs polimerai, tokie kaip krakmolas, kukurūzai ar bulvių krakmolas.

Taigi elementarus bioplastiko gaminimo receptas yra sumaišyti kukurūzų arba bulvių krakmolą su vandeniu, pridedant glicerino. Vėliau šis mišinys virinamas, kol sutirštėja, susiformuoja formos ir leidžiama išdžiūti.

Vidutinio sudėtingumo procesai

Bioplastikams, pagamintiems iš polimerų, sintetinamų iš biomasės monomerų, procesai yra šiek tiek sudėtingesni.

Pavyzdžiui, iš cukranendrių etanolio gautam Bio-PE reikia kelių etapų. Pirmas dalykas - iš cukranendrių išgauti cukrų, kad fermentuojant ir distiliuojant būtų gautas etanolis.

Tada etanolis dehidratuojamas ir gaunamas etilenas, kuris turi būti polimerizuotas. Galiausiai, naudojant šiluminio formavimo mašinas, objektai gaminami remiantis šiuo bioplastiku.

Sudėtingi ir brangesni procesai

Kalbant apie bioplastiką, pagamintą iš biotechnologijomis gautų polimerų, padidėja sudėtingumas ir išlaidos. Taip yra todėl, kad dalyvauja bakterijų kultūros, kurioms reikia specifinių terpių ir augimo sąlygų.

Šis procesas pagrįstas tuo, kad tam tikros bakterijos gamina natūralius polimerus, kuriuos sugeba laikyti viduje. Taigi, pradedant nuo tinkamų mitybos elementų, šie mikroorganizmai kultivuojami ir perdirbami polimerams išgauti.

Bioplastiką taip pat galima gaminti iš kai kurių dumblių, tokių kaip Botryococcus braunii. Šie mikrodumbliai gali gaminti ir net išskirti į aplinką angliavandenilius, iš kurių gaunamas kuras ar bioplastikas.

- Gaminių, kurių pagrindą sudaro bioplastika, gamyba

Pagrindinis principas yra objekto formavimas dėl šio junginio plastinių savybių naudojant slėgį ir šilumą. Apdorojimas atliekamas išspaudimu, įpurškimu, įpurškimu ir pūtimu, ruošinių išpūtimu ir šiluminiu formavimu, o galiausiai jis atvėsinamas.

Tipai

Pakuotė pagaminta iš celiuliozės acetato. Šaltinis: Christian Gahle, „nova-Institut GmbH“

Bioplastikos klasifikavimo požiūriai yra įvairūs ir nėra ginčų. Bet kokiu atveju, skirtingoms rūšims apibrėžti naudojami kriterijai yra skilimo kilmė ir lygis.

-Originas

Remiantis apibendrintu požiūriu, bioplastikai pagal kilmę gali būti klasifikuojami kaip biologiniai arba nebiotiniai. Pirmuoju atveju polimerai gaunami iš augalų, gyvūnų ar bakterijų biomasės, todėl jie yra atsinaujinantys ištekliai.

Kita vertus, nebiologiniai bioplastikai yra tie, kurie gaminami iš polimerų, sintetinamų iš naftos. Kadangi kai kurie specialistai mano, kad jie gaunami iš neatsinaujinančių išteklių, jie neturėtų būti traktuojami kaip bioplastikas.

- Skilimo lygis

Atsižvelgiant į skilimo lygį, bioplastika gali būti biologiškai skaidoma arba ne. Biologiškai skaidžios suskaidomos per gana trumpą laiką (dienas iki kelių mėnesių), kai jos yra veikiamos tinkamomis sąlygomis.

Savo ruožtu biologiškai neskaidomi bioplastikai elgiasi kaip įprasti naftos chemijos kilmės plastikai. Šiuo atveju puvimo laikotarpis matuojamas dešimtmečiais ir net amžiais.

Dėl šio kriterijaus taip pat nesutariama, nes kai kurie mokslininkai mano, kad tikras bioplastikas turi būti biologiškai skaidomas.

-Originas ir biologinis skaidymas

Derinant du ankstesnius kriterijus (kilmę ir skilimo laipsnį), bioplastiką galima suskirstyti į tris grupes:

1. Iš atsinaujinančių žaliavų (biologiškai pagrįstų) ir biologiškai skaidžios.
2. Gaminamos iš atsinaujinančių žaliavų (biologiškai pagrįstų), tačiau nėra biologiškai skaidomos.
3. Gaunamas iš naftos chemijos kilmės žaliavų, tačiau biologiškai skaidžios.

Svarbu pažymėti, kad norint polimerą laikyti bioplastiku, jis turi patekti į vieną iš šių trijų derinių.

Biologiškai skaidomas

Tarp biologiškai biologiškai skaidžių ir biologiškai skaidžių plastikinių medžiagų turime poli (pieno rūgštį) (PLA) ir polihidroksialkanoatą (PHA). PLA yra viena iš plačiausiai naudojamų bioplastikų ir daugiausia gaunama iš kukurūzų.

Šis bioplastikas turi savybių, panašių į polietileno tereftalatą (PET, įprastą poliesterio tipo plastiką), nors jis yra mažiau atsparus aukštoms temperatūroms.

Savo ruožtu, PHA turi kintamas savybes, priklausomai nuo konkretaus jį sudarančio polimero. Jis gaunamas iš augalų ląstelių arba naudojant biotechnologijas iš bakterijų kultūrų.

Šie bioplastikai yra labai jautrūs perdirbimo sąlygoms, o jų kaina yra dešimt kartų didesnė nei įprastų plastikų.

Kitas šios kategorijos pavyzdys yra PHBV (PolyhydroxyButylValerate), gaunamas iš augalų liekanų.

Biologiškai neskaidomas

Šioje grupėje turime biopolietileną (BIO-PE), kurio savybės panašios į įprastinio polietileno savybes. Savo ruožtu „Bio-PET“ pasižymi tokiomis savybėmis kaip ir polietileno tereftalatas.

Abu bioplastikai paprastai gaminami iš cukranendrių, gaunant bioetanolį kaip tarpinį produktą.

Šiai kategorijai taip pat priklauso biopoliamidas (PA), kuris yra perdirbamas bioplastikas, pasižymintis puikiomis šilumos izoliacijos savybėmis.

- Ne biologiškai skaidomas

Biologinis skaidomumas susijęs su polimero chemine struktūra, o ne su naudojamų žaliavų rūšimi. Todėl biologiškai skaidžius plastikus galima gauti iš naftos tinkamai perdirbant.

Tokio tipo bioplastikų pavyzdys yra polikaprolaktonai (PCL), kurie naudojami gaminant poliuretanus. Tai yra bioplastikas, gaunamas iš naftos darinių, tokių kaip polibutileno sukcinatas (PBS).

Privalumas

Saldainių įvyniojimas pagamintas iš PLA (poli (pieno) rūgšties). Šaltinis: F. Kesselring, FKuR Willich

Jie yra biologiškai skaidūs

Nors ne visi bioplastikai yra biologiškai skaidūs, tiesa, daugeliui žmonių tai yra pagrindinė jų savybė. Tiesą sakant, šios savybės paieška yra vienas iš pagrindinių bioplastikos bumo variklių.

Įprastinis naftos pagrindu pagamintas ir biologiškai neskaidomas plastikas suyra per šimtus ir net tūkstančius metų. Ši padėtis yra rimta problema, nes sąvartynai ir vandenynai užpildomi plastiku.

Dėl šios priežasties biologinis skaidumas yra labai svarbus pranašumas, nes šios medžiagos gali suskaidyti per savaites, mėnesius ar keletą metų.

Jie neteršia aplinkos

Kadangi jie yra biologiškai skaidomos medžiagos, bioplastika nebeužima vietos kaip šiukšlės. Be to, jie turi papildomą pranašumą, kad daugeliu atvejų juose nėra toksiškų elementų, kuriuos jie gali išleisti į aplinką.

Jie turi mažesnį anglies pėdsaką

Tiek bioplastiko gamybos procese, tiek ir skylant, CO2 išsiskiria mažiau nei įprasto plastiko atveju. Daugeliu atvejų jie neišskiria metano arba jų išskiria mažais kiekiais, todėl nedaro įtakos šiltnamio efektui.

Pavyzdžiui, iš plastikinių cukranendrių pagamintas bioplastikas sumažina išmetamo CO2 kiekį iki 75%, palyginti su iš naftos gaunamomis medžiagomis.

Saugiau nešiotis maistą ir gėrimus

Paprastai kuriant ir gaminant bioplastiką nenaudojamos toksiškos medžiagos. Todėl jie kelia mažesnę riziką užkrėsti maistą ar gėrimus, esančius juose.

Skirtingai nuo įprasto plastiko, galinčio gaminti dioksinus ir kitus teršiančius komponentus, biologinės bioplastikos yra nekenksmingos.

Trūkumai

Trūkumai daugiausia susiję su naudojamo bioplastiko tipu. Be kitų, mes turime šiuos dalykus.

Mažiau pasipriešinimo

Vienas apribojimas, kurį dauguma bioplastikų palyginti su įprastais plastikais, yra mažesnis jų atsparumas. Tačiau ši savybė yra susijusi su jos gebėjimu biologiškai skaidytis.

Didesnė kaina

Kai kuriais atvejais žaliavos, naudojamos bioplastiko gamybai, yra brangesnės nei žaliavos, gaunamos iš naftos.

Kita vertus, kai kurių bioplastikų gamyba reikalauja didesnių perdirbimo išlaidų. Visų pirma, šios gamybos išlaidos yra didesnės toms, kurios gaminamos vykdant biotechnologinius procesus, įskaitant masinį bakterijų auginimą.

Naudojimo konfliktas

Iš maisto žaliavų gaminami bioplastikai konkuruoja su žmogaus poreikiais. Taigi, kadangi pelningiau pasėlius skirti bioplastikų gamybai, jie pašalinami iš maisto gamybos grandinės.

Tačiau šis trūkumas netaikomas toms bioplastikoms, gaunamoms iš nevalgomų atliekų. Tarp šių atliekų turime pasėlių liekanas, nevalgomus dumblius, ligniną, kiaušinių lukštus ar omarų egzoskeletus.

Juos perdirbti nėra lengva

PLA bioplastikas yra labai panašus į įprastą PET (polietileno tereftalato) plastiką, tačiau jis nėra perdirbamas. Taigi, jei abiejų tipų plastikai maišomi perdirbimo inde, šio turinio negalima perdirbti.

Šiuo atžvilgiu baiminamasi, kad vis plačiau naudojamas PLA gali kliudyti esamoms pastangoms perdirbti plastiką.

Bioplastikos gaminių pavyzdžiai ir jų panaudojimas

Vyno tara, pagaminta iš bioplastiko iš žemės ūkio atliekų ir micelio. Šaltinis: „Mycobond“

- Vienkartiniai ar vienkartiniai daiktai

Daugiausia atliekų sukeliantys daiktai yra konteineriai, įvyniojimai, lėkštės ir stalo įrankiai, susieti su greito maisto ir pirkinių krepšiais. Todėl šioje srityje biologiškai skaidomos bioplastikos vaidina svarbų vaidmenį.

Dėl šios priežasties buvo sukurti įvairūs produktai, kurių pagrindą sudaro bioplastika, siekiant paveikti atliekų susidarymo mažėjimą. Be kitų, mes turime biologiškai skaidomą maišą, pagamintą iš BASF gamintojo „Ecovio“, arba plastikinį buteliuką, pagamintą iš PLA, pagamintą iš kukurūzų „Safiplast“ Ispanijoje.

Vandens kapsulės

Ooho kompanija vietoje tradicinių butelių sukūrė biologiškai skaidžias kapsules iš jūros dumblių su vandeniu. Šis pasiūlymas buvo labai novatoriškas ir sėkmingas, jis jau buvo išbandytas Londono maratone.

ūkininkavimas

Kai kuriose kultūrose, tokiose kaip braškės, įprasta praktika uždengti dirvą plastikiniu lakštu, kad būtų galima kontroliuoti piktžoles ir išvengti užšalimo. Šia prasme, norint pakeisti įprastus plastikus, buvo sukurtas toks bioplastinis paminkštinimas, kaip „Agrobiofilm“.

- Objektai, skirti ilgaamžiškumui

Bioplastikų naudojimas yra ne tik naudojimo ir šalinimo objektas, bet gali būti naudojamas patvaresniuose objektuose. Pavyzdžiui, „Zoë b Organic“ įmonė gamina paplūdimio žaislus.

Kompleksiniai įrangos komponentai

„Toyota“ naudoja bioplastiką kai kuriose automobilių dalyse, tokiose kaip oro kondicionierių komponentai ir valdymo skydai. Tam jis naudoja bioplastiką, tokią kaip Bio-PET ir PLA.

Savo ruožtu „Fujitsu“ naudoja bioplastiką kompiuterinėms pelėms ir klaviatūros dalims gaminti. „Samsung“ kompanijos atveju kai kurių mobiliųjų telefonų korpusai daugiausia pagaminti iš bioplastiko.

-Statyba ir civilinė statyba

Krakmolo bioplastika buvo naudojama kaip statybinė medžiaga ir nanopluoštu sustiprinta bioplastika elektros instaliacijose.

Be to, jie buvo naudojami gaminant bioplastikinius baldų medžius, kurie nėra puolami ksilofagų vabzdžių ir nėra puviniai esant drėgmei.

- Farmacijos programos

Jie buvo pagaminti naudojant bioplastines kapsules, kuriose yra narkotikų ir narkotikų nešiklių, kurie atpalaiduojami lėtai. Taigi vaistų biologinis prieinamumas yra reguliuojamas laikui bėgant (dozė, kurią pacientas gauna per tam tikrą laiką).

-Medicinos programos

Celiuliozės bioplastikai, naudojami implantų, audinių inžinerijos, chitino ir chitozano bioplastikuose, buvo naudojami žaizdų apsaugai, kaulinio audinio inžinerijai ir žmogaus odos regeneracijai.

Taip pat buvo gaminami celiuliozės bioplastikai, skirti biojutikliams, mišiniai su hidroksiapatitu dantų implantams gaminti, bioplastinės skaidulos kateteriuose.

-Oro, jūrų ir sausumos transportas ir pramonė

Tiek pramoniniuose, tiek transporto įrenginiuose buvo naudojamos kietos putos, kurių pagrindą sudaro augalinis aliejus (bioplastikas); automobilių dalys ir kosmoso dalys.

Iš bioplastiko taip pat buvo gaminami mobiliųjų telefonų, kompiuterių, garso ir vaizdo prietaisų elektroniniai komponentai.

-Žemės ūkis

Bioplastikiniai hidrogelai, kurie sugeria ir sulaiko vandenį ir gali jį lėtai išlaisvinti, yra naudingi kaip apsauginiai dirbtinio dirvožemio antklodžiai, palaikantys jo drėgmę ir skatinantys žemės ūkio plantacijų augimą sausuose regionuose ir mažu lietaus sezonu.

Nuorodos

1. „Álvarez da Silva L“ (2016). Bioplastika: polihidroksialkanoaatų gavimas ir panaudojimas. Sevilijos universiteto Farmacijos fakultetas. Farmacijos laipsnis. 36 psl.
2. Bezirhan-Arikan E ir H Duygu-Ozsoy (2015). Apžvalga: Bioplastikos tyrimai. Civilinės inžinerijos ir architektūros žurnalas 9: 188-192. De Almeida A, JA Ruiz, NI López ir MJ Pettinari (2004). Bioplastika: ekologiška alternatyva. Gyvoji chemija, 3 (3): 122–133.
3. „El-Kadi S“ (2010). Bioplastiko gamyba iš nebrangių šaltinių. ISBN 9783639263725; VDM Verlag Dr. Müller leidyba, Berlynas, Vokietija. 145 psl.
4. „Labeaga-Viteri A“ (2018). Biologiškai skaidūs polimerai. Svarba ir galimos programos. Nacionalinis nuotolinio mokymo universitetas. Mokslų fakultetas, Neorganinės chemijos ir chemijos inžinerijos katedra. Chemijos mokslo ir technologijos magistro laipsnis. 50 psl.
5. Ruiz-Hitzky E, FM Fernandes, MM Reddy, S Vivekanandhan, M Misra, SK Bhatia ir AK Mohanty (2013). Biologiniai plastikai ir bionanokompozitai: dabartinė padėtis ir ateities galimybės. Prog. Polim. Sci., 38: 1653-1689.
6. „Satish K“ (2017). Bioplastika - klasifikacija, gamyba ir galimas jų pritaikymas maistui. Žurnalas „Hill Agriculture“ 8: 118-129.