БИОПЛАСТИКИ: КАК ИХ ПРОИЗВОДЯТ, ВИДЫ, ПРЕИМУЩЕСТВА, НЕДОСТАТКИ - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА - 2025

В биопластика является любым податливым материалом на основе полимеров нефтехимического происхождения или биомасс , которые являются биоразлагаемыми. Подобно традиционным пластмассам, синтезируемым из нефти, из них можно формовать различные предметы.

В зависимости от происхождения биопластики могут быть получены из биомассы (на биологической основе) или иметь нефтехимическое происхождение. С другой стороны, в зависимости от степени их разложения бывают биоразлагаемые и небиоразлагаемые биопластики.

Столовые приборы из биоразлагаемого крахмального полиэстера. Источник: Скотт Бауэр

Популярность биопластиков возникает в ответ на неудобства, создаваемые обычными пластиками. К ним относится накопление не поддающихся биологическому разложению пластиков в океанах и на свалках.

С другой стороны, обычные пластмассы имеют высокий углеродный след и высокое содержание токсичных элементов. Напротив, биопластики обладают рядом преимуществ, поскольку они не производят токсичных элементов и, как правило, поддаются биологическому разложению и переработке.

Среди основных недостатков биопластов - их высокая стоимость производства и более низкая стойкость. Кроме того, некоторые из используемых сырьевых материалов являются потенциальными продуктами питания, что создает экономические и этические проблемы.

Некоторыми примерами объектов из биопласта являются биоразлагаемые пакеты, а также детали автомобилей и мобильных телефонов.

Характеристики биопластиков

Экономическое и экологическое значение биопластиков

Различные утилитарные предметы из биопласта. Источник: Хваджа Гётц, через Wikimedia Commons.

В последнее время наблюдается больший научный и промышленный интерес к производству пластмасс из возобновляемых сырьевых материалов, которые являются биоразлагаемыми.

Это связано с тем, что мировые запасы нефти истощаются, и растет понимание серьезного экологического ущерба, наносимого нефтедобычей.

С ростом спроса на пластмассы на мировом рынке растет и спрос на биоразлагаемые пластмассы.

биоразлагаемость

Отходы биоразлагаемых биопластиков можно рассматривать как органические, быстроразлагаемые и экологически чистые отходы. Например, их можно использовать в качестве удобрений почвы при компостировании, поскольку они естественным образом перерабатываются биологическими процессами.

Биопластики с бесчисленным количеством коммерческого использования. Источник: Ф. Кессельринг, FKuR Willich, через Wikimedia Commons.

Ограничения биопластика

Производство биоразлагаемых биопластиков сталкивается с большими проблемами, поскольку биопластики обладают худшими свойствами, чем нефтопласты, и их применение, хотя и растет, ограничено.

Улучшение свойств биопластиков

Для улучшения свойств биопластов разрабатываются смеси биополимеров с различными типами добавок, такими как углеродные нанотрубки и химически модифицированные натуральные волокна.

В целом добавки, применяемые к биопластам, улучшают такие свойства, как:

• Жесткость и механическая стойкость.
• Барьерные свойства против газов и воды.
• Термостойкость и термостойкость.

Эти свойства можно придать биопластику с помощью методов химической подготовки и обработки.

Как производятся биопластики?

Биопластик для упаковки из термопластичного крахмала. Источник: Кристиан Гале, nova-Institut GmbH.

-Краткая история

Биопластики предшествуют обычным синтетическим пластмассам, полученным из нефти. Использование полимеров растительного или животного происхождения для производства пластических материалов восходит к 18 веку с использованием натурального каучука (латекса Hevea brasiliensis).

Первый биопластик, хотя ему не было дано такое название, был разработан в 1869 году Джоном Уэсли Хаяттом-младшим, который произвел пластик, полученный из хлопковой целлюлозы, вместо слоновой кости. Точно так же в конце 19 века казеин из молока использовался для производства биопластиков.

В 1940-х годах компания Ford изучала альтернативы использованию растительного сырья для изготовления деталей для своих автомобилей. Это направление исследований было вызвано ограничениями на использование стали во время войны.

В результате в 1941 году компания разработала модель автомобиля с кузовом, изготовленным в основном из производных сои. Однако после окончания войны эта инициатива не получила продолжения.

К 1947 году был произведен первый технический биопластик - Полиамид 11 (торговая марка Rilsan). Позже, в 90-е годы, появились PLA (полимолочная кислота), PHA (полигидроксиалканоаты) и пластифицированные крахмалы.

-Ингредиенты

Биопластики на основе биопласта производятся из растительной биомассы. Три основных источника сырья для биоосновы следующие.

Природные полимеры биомассы

Можно использовать натуральные полимеры, полученные непосредственно из растений, такие как крахмал или сахар. Например, «Картофельный пластик» - это биоразлагаемый биопластик, изготовленный из картофельного крахмала.

Полимеры, синтезированные из мономеров биомассы

Вторая альтернатива - синтез полимеров из мономеров, экстрагированных из растительных или животных источников. Отличие этого пути от предыдущего заключается в том, что здесь требуется промежуточный химический синтез.

Например, Bio-PE или зеленый полиэтилен производят из этанола, полученного из сахарного тростника.

Биопластики также можно производить из животных источников, таких как гликозаминогликаны (ГАГ), которые представляют собой белки яичной скорлупы. Преимущество этого протеина в том, что он позволяет получать более стойкие биопластики.

Биотехнология на основе бактериальных культур

Другой способ производства полимеров для биопластов - это биотехнология с использованием бактериальных культур. В этом смысле многие бактерии синтезируют и хранят полимеры, которые можно экстрагировать и обрабатывать.

Для этого бактерии массово культивируют в подходящих питательных средах, а затем обрабатывают для очистки определенного полимера. Например, PHA (полигидроксиалканоаты) синтезируются различными видами бактерий, растущими в среде с избытком углерода и без азота или фосфора.

Бактерии хранят полимер в цитоплазме в виде гранул, которые извлекаются путем обработки бактериальных масс. Другим примером является PHBV (полигидроксибутилвалерат), который получают из бактерий, питающихся сахаром, полученным из растительных остатков.

Самым большим ограничением биопластиков, полученных таким образом, является стоимость производства, в основном из-за необходимых питательных сред.

Комбинация природного полимера и биотехнологического полимера

Университет Огайо разработал довольно прочный биопласт, объединив натуральный каучук с биопластиком PHBV, органическим пероксидом и триметилолпропантриакрилатом (TMPTA).

-Производственный процесс

Биопластики получают различными способами в зависимости от сырья и желаемых свойств. Биопластики можно получить с помощью элементарных процессов или более сложных промышленных процессов.

Основной процесс

Его можно производить варкой и формованием в случае использования натуральных полимеров, таких как крахмал или кукурузный или картофельный крахмал.

Таким образом, простейший рецепт получения биопластика - это смешать кукурузный или картофельный крахмал с водой с добавлением глицерина. Затем эту смесь варят, пока она не загустеет, формуют и дают высохнуть.

Процессы средней сложности

В случае биопластиков, произведенных из полимеров, синтезированных из мономеров биомассы, процессы несколько сложнее.

Например, Bio-PE, полученный из этанола сахарного тростника, требует ряда этапов. Первое, что нужно сделать - это извлечь сахар из тростника, чтобы получить этанол путем ферментации и дистилляции.

Затем этанол обезвоживается и получается этилен, который необходимо полимеризовать. Наконец, на термоформовочных машинах из этого биопласта изготавливаются предметы.

Сложные и более дорогие процессы

Когда речь идет о биопластиках, полученных из полимеров, полученных с помощью биотехнологии, сложность и стоимость возрастают. Это связано с тем, что участвуют бактериальные культуры, которым требуются определенные питательные среды и условия роста.

Этот процесс основан на том факте, что некоторые бактерии производят натуральные полимеры, которые они могут хранить внутри. Поэтому, исходя из соответствующих питательных элементов, эти микроорганизмы культивируются и обрабатываются для извлечения полимеров.

Биопластик также можно сделать из некоторых водорослей, таких как Botryococcus braunii. Эти микроводоросли способны производить и даже выделять углеводороды в окружающую среду, из которых получают топливо или биопластики.

-Производство продукции на основе биопластиков

Основным принципом является формовка объекта благодаря пластическим свойствам этого соединения с помощью давления и тепла. Обработка осуществляется путем экструзии, впрыска, впрыска и выдувания, выдувания преформы и термоформования, и, наконец, она подвергается охлаждению.

Типы

Упаковка из ацетата целлюлозы. Источник: Кристиан Гале, nova-Institut GmbH.

Подходы к классификации биопластиков разнообразны и неоднозначны. В любом случае критерии, используемые для определения различных типов, - это происхождение и уровень декомпозиции.

-Origin

Согласно обобщенному подходу биопластики можно разделить по их происхождению на биопластики и небиологические. В первом случае полимеры получают из растительной, животной или бактериальной биомассы и поэтому являются возобновляемыми ресурсами.

С другой стороны, биопластики небиологического происхождения - это те, которые производятся из полимеров, синтезированных из нефти. Однако, поскольку они происходят из невозобновляемых источников, некоторые специалисты считают, что их не следует рассматривать как биопластики.

-Уровень разложения

Что касается уровня разложения, биопластики могут быть биоразлагаемыми или нет. Биоразлагаемые вещества разлагаются за относительно короткие периоды времени (от нескольких дней до нескольких месяцев) в подходящих условиях.

В свою очередь, биопластики, не поддающиеся биологическому разложению, ведут себя как обычные пластмассы нефтехимического происхождения. В этом случае период распада измеряется десятилетиями и даже столетиями.

Есть также разногласия по поводу этого критерия, поскольку некоторые ученые считают, что настоящий биопластик должен быть биоразлагаемым.

-Происхождение и биоразложение

Если объединить два предыдущих критерия (происхождение и уровень разложения), биопластики можно разделить на три группы:

1. Изготовлено из возобновляемого сырья (на биологической основе) и биоразлагаемого.
2. Те, которые получены из возобновляемого сырья (на биологической основе), но не являются биоразлагаемыми.
3. Получается из сырья нефтехимического происхождения, но является биоразлагаемым.

Важно отметить, что для того, чтобы рассматривать полимер как биопластик, он должен входить в одну из этих трех комбинаций.

Биоматериалов биоразлагаемые

Среди биологических и биоразлагаемых биопластиков у нас есть полимолочная кислота (PLA) и полигидроксиалканоат (PHA). PLA - один из наиболее широко используемых биопластиков, который получают в основном из кукурузы.

Этот биопластик имеет свойства, аналогичные свойствам полиэтилентерефталата (ПЭТ, обычный пластик полиэфирного типа), хотя он менее устойчив к высоким температурам.

Со своей стороны, PHA имеет переменные свойства в зависимости от конкретного полимера, из которого он состоит. Его получают из клеток растений или с помощью биотехнологии из бактериальных культур.

Эти биопластики очень чувствительны к условиям обработки, и их стоимость до десяти раз выше, чем у обычных пластиков.

Другой пример этой категории - PHBV (полигидроксибутилвалерат), который получают из остатков растений.

Биоматериалы-небиоразлагаемые

В этой группе находится биополиэтилен (BIO-PE), свойства которого аналогичны свойствам обычного полиэтилена. Со своей стороны, Био-ПЭТ имеет характеристики, аналогичные полиэтилентерефталату.

Оба биопластика обычно производятся из сахарного тростника с получением биоэтанола в качестве промежуточного продукта.

Биополиамид (ПА), который представляет собой перерабатываемый биопластик с превосходными теплоизоляционными свойствами, также относится к этой категории.

-Без биоматериалов биоразлагаемые

Биоразлагаемость связана с химической структурой полимера, а не с типом используемого сырья. Следовательно, биоразлагаемый пластик можно получить из нефти при надлежащей переработке.

Примером этого типа биопластов являются поликапролактоны (PCL), которые используются при производстве полиуретанов. Это биопластик, полученный из производных нефти, таких как полибутиленсукцинат (PBS).

преимущество

Обертка для конфет из PLA (полимолочной кислоты). Источник: Ф. Кессельринг, Ф.КуР Виллих

Они биоразлагаемые

Хотя не все биопластики являются биоразлагаемыми, правда в том, что для многих людей это их основная характеристика. Фактически, поиск этого свойства является одним из основных двигателей бума биопластиков.

Обычные пластмассы на нефтяной основе, не поддающиеся биологическому разложению, разрушаются за сотни и даже тысячи лет. Эта ситуация представляет собой серьезную проблему, поскольку свалки и океаны заполняются пластиком.

По этой причине способность к биологическому разложению является очень важным преимуществом, поскольку эти материалы могут разлагаться за недели, месяцы или несколько лет.

Они не загрязняют окружающую среду

Поскольку биопластики являются биоразлагаемыми материалами, они перестают занимать место в качестве мусора. Кроме того, у них есть дополнительное преимущество, заключающееся в том, что в большинстве случаев они не содержат токсичных элементов, которые они могут выбрасывать в окружающую среду.

У них более низкий углеродный след

Как в процессе производства биопластов, так и при их разложении выделяется меньше CO2, чем в случае обычных пластиков. Во многих случаях они не выделяют метан или выделяют его в небольших количествах и поэтому оказывают незначительное влияние на парниковый эффект.

Например, биопластики, изготовленные из этанола из сахарного тростника, сокращают выбросы CO2 до 75% по сравнению с выбросами, полученными из нефти.

Безопаснее носить с собой еду и напитки

Как правило, при разработке и составе биопластиков не используются токсичные вещества. Следовательно, они представляют меньший риск заражения содержащихся в них продуктов питания или напитков.

В отличие от обычных пластиков, которые могут выделять диоксины и другие загрязняющие компоненты, биопластики безвредны.

Недостатки

Недостатки в основном связаны с типом используемого биопластика. Среди прочего у нас есть следующие.

Меньшее сопротивление

Одним из ограничений большинства биопластиков по сравнению с обычными пластиками является их более низкая стойкость. Однако именно это свойство связано с его способностью к биоразложению.

Более высокая стоимость

В некоторых случаях сырье, используемое для производства биопластиков, дороже, чем сырье из нефти.

С другой стороны, производство некоторых биопластиков требует более высоких затрат на переработку. В частности, эти производственные затраты выше у продуктов, произведенных с помощью биотехнологических процессов, включая массовое выращивание бактерий.

Конфликт использования

Биопластики, производимые из пищевого сырья, конкурируют с потребностями человека. Поэтому, поскольку более выгодно использовать урожай для производства биопластиков, они исключаются из цикла производства продуктов питания.

Однако этот недостаток не распространяется на те биопластики, которые получают из непищевых отходов. Среди этих отходов есть остатки урожая, несъедобные водоросли, лигнин, яичная скорлупа или экзоскелеты омаров.

Их непросто переработать

Биопластик PLA очень похож на обычный пластик ПЭТ (полиэтилентерефталат), но не подлежит переработке. Следовательно, если оба типа пластика смешиваются в контейнере для переработки, это содержимое не может быть переработано.

В связи с этим есть опасения, что растущее использование PLA может помешать существующим усилиям по переработке пластмасс.

Примеры и способы их использования продуктов, изготовленных из биопластика

Контейнер для вина изготовлен из биопластика из сельскохозяйственных отходов и мицелия. Источник: Mycobond

-Одноразовые или одноразовые предметы

Больше всего отходов образуют контейнеры, обертки, тарелки и столовые приборы, связанные с продуктами быстрого приготовления и пакеты для покупок. Следовательно, в этой области биоразлагаемые биопластики играют важную роль.

По этой причине были разработаны различные продукты на основе биопластиков, чтобы повлиять на сокращение образования отходов. Среди прочего у нас есть биоразлагаемый мешок, изготовленный из BASF Ecovio, или пластиковая бутылка из PLA, полученная из кукурузы Safiplast в Испании.

Капсулы с водой

Компания Ooho создала биоразлагаемые капсулы из водорослей с водой вместо традиционных бутылок. Это предложение было очень инновационным и успешным и уже было проверено на лондонском марафоне.

сельское хозяйство

При выращивании некоторых культур, таких как клубника, обычно прикрывают почву пластиковым листом, чтобы бороться с сорняками и избежать замерзания. В этом смысле биопластиковые прокладки, такие как Agrobiofilm, были разработаны для замены обычных пластиков.

-Объекты для длительного применения

Использование биопластика не ограничивается предметами использования и утилизации, но может использоваться в более прочных предметах. Например, компания Zoë b Organic производит пляжные игрушки.

Компоненты сложного оборудования

Toyota использует биопластики в некоторых автомобильных деталях, таких как компоненты для кондиционеров и панелей управления. Для этого он использует биопластики, такие как Bio-PET и PLA.

Со своей стороны Fujitsu использует биопластик для изготовления компьютерных мышей и частей клавиатуры. В случае компании Samsung корпуса некоторых мобильных телефонов сделаны в основном из биопластика.

-Строительство и гражданское строительство

Крахмальные биопластики используются в качестве строительных материалов и биопластиков, армированных нановолокном, в электрических установках.

Кроме того, они используются в производстве мебельной древесины из биопласта, которая не подвергается нападению насекомых-ксилофагов и не гниет от влажности.

-Фармацевтическое применение

Они были сделаны из биопластических капсул, содержащих медикаменты и носители лекарств. Таким образом, биодоступность лекарств регулируется с течением времени (доза, которую пациент получает в данное время).

-Медицинские приложения

Биопластики из целлюлозы, применяемые в имплантатах, тканевой инженерии, хитиновые и хитозановые биопластики, производятся для защиты ран, инженерии костной ткани и регенерации кожи человека.

Биопластики из целлюлозы также производятся для биосенсоров, смеси с гидроксиапатитом для изготовления зубных имплантатов, биопластические волокна в катетерах, среди прочего.

-Воздушный, морской и наземный транспорт и промышленность

Жесткие пены на основе растительных масел (биопласты) используются как в промышленных, так и в транспортных устройствах; автозапчасти и авиакосмические детали.

Электронные компоненты сотовых телефонов, компьютеров, аудио и видео устройств также производятся из биопластика.

-Farming

Биопластические гидрогели, которые поглощают и удерживают воду и могут медленно ее высвобождать, полезны в качестве защитных покрытий для обрабатываемой почвы, поддерживая ее влажность и способствуя росту сельскохозяйственных плантаций в засушливых регионах и в малодождливый сезон.

Ссылки

1. Альварес да Силва Л. (2016). Биопластики: получение и применение полигидроксиалканоатов. Фармацевтический факультет Севильского университета. Высшее фармацевтическое. 36 п.
2. Безирхан-Арикан Э. и Х. Дуйгу-Озой (2015). Обзор: Исследование биопластов. Журнал гражданского строительства и архитектуры 9: 188-192. Де Алмейда А., Дж. А. Руис, Н. И. Лопес и М. Дж. Петтинари (2004). Биопластик: экологическая альтернатива. Живая химия, 3 (3): 122-133.
3. Эль-Кади С (2010). Производство биопластов из недорогих источников. ISBN 9783639263725; VDM Verlag Dr. Müller Publishing, Берлин, Германия. 145 с.
4. Лабеага-Витери А (2018). Биоразлагаемые полимеры. Важность и потенциальные применения. Национальный университет дистанционного образования. Факультет наук, кафедра неорганической химии и химической инженерии. Степень магистра химических наук и технологий. 50 шт.
5. Руис-Хитцки Э., Ф. М. Фернандес, М. М. Редди, С. Вивеканандхан, М. Мисра, С. К. Бхатия и А. К. Моханти (2013). Биопластики и бионанокомпозиты: текущее состояние и будущие возможности. Prog. Polym. Sci.38: 1653-1689.
6. Сатиш К. (2017). Биопластики - классификация, производство и возможности их применения в пищевых продуктах. Журнал горного сельского хозяйства 8: 118-129.