BIOPLASZTIKA: ELŐÁLLÍTÁSUK MÓDJA, TÍPUSAI, ELŐNYEI, HÁTRÁNYAI - KÖRNYEZET - 2026

A bioplasztika bármilyen alakítható anyag, petrolkémiai eredetű polimereken vagy biomasszán alapulva, amelyek biológiailag lebonthatók. A kőolajból szintetizált hagyományos műanyagokhoz hasonlóan ezeket különféle tárgyakká alakíthatják.

A bioplasztikákat származásuktól függően elő lehet állítani biomasszából (bioalapú) vagy petrolkémiai eredetűek. Másrészt, a bomlás mértékétől függően, vannak biológiailag lebontható és nem biológiailag lebontható bioplasztikák.

Biológiailag lebontható keményítő poliészterből készült evőeszközök. Forrás: Scott Bauer

A bioplasztika növekedése a hagyományos műanyagok által okozott kellemetlenségekre adott válaszként merül fel. Ide tartozik a nem biológiailag lebontható műanyagok felhalmozódása az óceánokban és a hulladéklerakókban.

Másrészről, a hagyományos műanyagok nagy szén-dioxid-lábnyomot és magas mérgező elemek-tartalmat mutatnak. Ezzel szemben a bioplasztikának számos előnye van, mivel nem termelnek mérgező elemeket, és általában biológiailag lebonthatók és újrahasznosíthatók.

A bioplasztika fő hátrányai között szerepel a magas gyártási költség és az alacsonyabb ellenállás. Ezenkívül a felhasznált nyersanyagok egy része potenciális élelmiszerek, amelyek gazdasági és etikai problémát jelentenek.

A bioplasztikus tárgyak néhány példája a biológiailag lebontható táskák, valamint a jármű- és mobiltelefon-alkatrészek.

A bioplasztika jellemzői

A bioplasztika gazdasági és környezeti jelentősége

Bioplasztikával készült különféle utilitárius tárgyak. Forrás: Hwaja Götz, a Wikimedia Commonson keresztül

Az utóbbi időben nagyobb tudományos és ipari érdeklődés mutatkozik a műanyag megújuló nyersanyagokból történő előállítása iránt, amelyek biológiailag lebonthatók.

Ennek oka az a tény, hogy a világ olajkészletei kimerülnek, és jobban tudatában van a petroplasztika által okozott súlyos környezeti károknak.

A világpiacon egyre növekvő műanyag iránti igény mellett a biológiailag lebontható műanyag iránti kereslet is növekszik.

Biológiai lebonthatóság

A biológiailag lebontható bioplasztikai hulladékok kezelhetők szerves, gyorsan lebomló és nem szennyező hulladékként. Például talajjavító szerként felhasználhatók a komposztáláshoz, mivel biológiai folyamatok révén természetesen újrahasznosíthatók.

Számtalan kereskedelmi felhasználású bioplasztika. Forrás: F. Kesselring, FKuR Willich, a Wikimedia Commonson keresztül

A bioplasztika korlátozásai

A biológiailag lebontható bioplasztikumok előállítása nagy kihívásokkal néz szembe, mivel a bioplasztikumok rosszabb tulajdonságokkal rendelkeznek a petroplasztikumokhoz, és alkalmazásuk, bár növekszik, korlátozott.

A bioplasztika tulajdonságainak javítása

A bioplasztika tulajdonságainak javítása érdekében különféle adalékanyagokkal - például szén nanocsövekkel és kémiailag módosított természetes szálakkal - biopolimer keverékeket fejlesztenek.

Általában a bioplasztikába alkalmazott adalékanyagok javítják a következő tulajdonságokat:

• Merevség és mechanikai ellenállás.
• Gát tulajdonságai a gázok és a víz ellen.
• Hőállóság és hőstabilitás.

Ezeket a tulajdonságokat kémiai előkészítési és feldolgozási módszerekkel be lehet építeni a bioplasztikába.

Hogyan állítják elő a bioplasztikákat?

Hőre lágyuló keményítőből készült bioplasztika. Forrás: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

-Rövid története

A bioplasztika megelőzi a hagyományos kőolajszármazékokból álló szintetikus műanyagokat. A növényi vagy állati anyagból származó polimerek műanyag előállításához a 18. században nyúlnak vissza természetes gumi (Hevea brasiliensisből származó latex) felhasználásával.

Az első bioplasztikát, bár erre a névre nem adták, 1869-ben fejlesztette ki John Wesley Hyatt Jr., aki pamut cellulózból származó műanyagot készített elefántcsont helyettesítésére. Hasonlóképpen, a 19. század végén a tejből származó kazeint használták bioplasztikák előállításához.

Az 1940-es években a Ford társaság alternatívákat fedez fel a növényi alapanyagok felhasználására az autója alkatrészeinek gyártására. Ezt a kutatási irányvonalat az acél háború általi felhasználásának korlátozása ösztönözte.

Ennek eredményeként 1941-ben a társaság olyan autómodellt fejlesztett ki, amelynek felépítése főleg szója-származékokból készült. A háború befejezése után azonban ezt a kezdeményezést nem folytatták.

1947-re előállították az első műszaki bioplasztikát, a Polyamide 11-et (Rilsan védjegyként). Később, a 90-es években, PLA (politejsav), PHA (polihidroxi-alkanoátok) és lágyított keményítők alakultak ki.

-Nyersanyag

A bioalapú bioplasztika növényi biomasszából készül. A bioalapú alapanyagok három alapvető forrása a következő.

A biomassza természetes polimerei

Használhatók természetes növények által közvetlenül előállított polimerek, például keményítő vagy cukrok. Például a "burgonya műanyag" egy biológiailag lebontható bioplasztika, amelyet burgonyakeményítőből készítenek.

Biomassza monomerekből szintetizált polimerek

Egy másik alternatíva a polimerek szintetizálása növényi vagy állati eredetű extrahált monomerekből. A módszer és az előző közötti különbség az, hogy itt köztes kémiai szintézisre van szükség.

Például a Bio-PE-t vagy a zöld polietilént cukornádból előállított etanolból állítják elő.

A bioplasztikákat állati forrásokból is elő lehet állítani, például glikozaminoglikánokból (GAG), amelyek tojáshéj fehérjék. Ennek a proteinnek az az előnye, hogy lehetővé teszi ellenállóbb bioplasztikák előállítását.

Baktériumokon alapuló biotechnológia

A bioplasztika polimereinek előállításának másik módja a biotechnológia a baktériumtenyészeteken keresztül. Ebben az értelemben sok baktérium szintetizál és tárol polimereket, amelyek extrahálhatók és feldolgozhatók.

Ehhez a baktériumokat megfelelő tenyészközegben tömegesen tenyésztjük, majd az adott polimer tisztítása céljából feldolgozzuk. Például a PHA-t (polihidroxi-alkanoátokat) különböző baktérium nemzetek szintetizálják olyan táptalajban, amelyben felesleges szén van, nitrogén vagy foszfor nélkül.

A baktériumok a polimert granulátum formájában tárolják a citoplazmában, amelyeket a baktériumtömegek feldolgozásával extrahálnak. Egy másik példa a PHBV (PolyhydroxyButylValerate), amelyet növényi maradványokból származó cukrokkal táplált baktériumokból nyernek.

Az így előállított bioplasztika legnagyobb korlátozása a termelés költségei, elsősorban a szükséges táptalajok miatt.

Természetes polimer és biotechnológiai polimer kombinációja

Az Ohio Egyetem meglehetősen erős bioplasztikát fejlesztett ki azáltal, hogy a természetes gumit a bioplasztikus PHBV-vel, a szerves peroxiddal és a trimetilol-propán-triakriláttal (TMPTA) kombinálta.

-Gyártási folyamat

A bioplasztikákat különféle eljárásokkal állítják elő, az alapanyagotól és a kívánt tulajdonságoktól függően. A bioplasztikákat elemi eljárásokkal vagy összetettebb ipari folyamatokkal lehet előállítani.

Alapvető folyamat

Természetes polimerek, például keményítő vagy kukorica vagy burgonyakeményítő felhasználásával főzéshez és formázáshoz is felhasználható.

Így egy alapvető recept a bioplasztika előállításához az, hogy a kukoricakeményítőt vagy a burgonyakeményítőt keverjük össze vízzel glicerin hozzáadásával. Ezt követően a keveréket főzzük, amíg megvastagodik, formává nem válik, és megszáradni hagyjuk.

Közepes bonyolultságú folyamatok

A biomassza-monomerekből szintetizált polimerekkel előállított bioplasztikumok esetében az eljárások valamivel összetettebbek.

Például a cukornád-etanolból nyert Bio-PE-hez több lépés szükséges. Az első dolog a cukornád kivonása a cukornádból, hogy erjesztéssel és desztillációval előállítsák az etanolt.

Ezután az etanolt dehidráljuk és etilént kapunk, amelyet polimerizálni kell. Végül, hőformázó gépekkel, ezen bioplasztika alapján készülnek tárgyak.

Komplex és drágább folyamatok

A biotechnológiával előállított polimerekből előállított bioplasztikákra történő hivatkozáskor a komplexitás és a költségek növekednek. Ennek oka az, hogy baktériumtenyészetek vesznek részt, amelyek speciális táptalajt és növekedési feltételeket igényelnek.

Ez a folyamat azon a tényen alapul, hogy egyes baktériumok természetes polimereket termelnek, amelyeket képesek tárolni a belső részben. Ezért a megfelelő táplálkozási elemekkel kezdve ezeket a mikroorganizmusokat tenyésztjük és feldolgozzuk a polimerek kivonása érdekében.

A bioplasztikákat néhány algaból, például Botryococcus braunii is elő lehet készíteni. Ez a mikroalgák képesek szénhidrogéneket előállítani és akár a környezetbe is ürítik azokat, amelyekből tüzelőanyagokat vagy bioplasztikákat nyernek.

-Bioplasztikán alapuló termékek gyártása

Az alapelv a tárgy öntése, köszönhetően ennek a vegyületnek a nyomás és hő alkalmazásával. A feldolgozást extrudálással, befecskendezéssel, befecskendezéssel és fúvással, előformák fúvásával és hőformázásával végezzük, végül lehűtjük.

típusai

Csomagolás cellulóz-acetátból. Forrás: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

A bioplasztika osztályozásának megközelítései változatosak, és nem viták nélkül. Mindenesetre a különféle típusok meghatározására használt kritériumok a bomlás eredete és szintje.

-Eredet

Általános megközelítés szerint a bioplasztikákat származásuk alapján biológiai alapon vagy nem biobázison lehet besorolni. Az első esetben a polimereket növényi, állati vagy baktériumi biomasszából nyerik, és ezért megújuló források.

Másrészt, a nem bioalapú bioplasztikumok azok, amelyeket az olajból szintetizált polimerekkel állítanak elő. Mivel azonban nem megújuló forrásokból származnak, egyes szakemberek úgy vélik, hogy ezeket nem szabad bioplasztikának kezelni.

- A bomlás szintje

A bomlás szintjét tekintve a bioplasztika biológiailag lebontható lehet. A biológiailag lebomló anyagok viszonylag rövid idő alatt (napoktól néhány hónapig) bomlanak, amikor megfelelő feltételeknek vannak kitéve.

A nem biológiailag lebontható bioplasztik a maga petrolkémiai eredetű hagyományos műanyagokként viselkedik. Ebben az esetben a pusztulási időszakot évtizedekben vagy akár évszázadokban mérik.

Ez a kritérium szintén ellentmondásos, mivel egyes tudósok úgy vélik, hogy a valódi bioplasztikának biológiailag lebonthatónak kell lennie.

-Origin és biológiai lebontás

A két előző kritérium (a származás és a bomlás szintje) kombinációja esetén a bioplasztikákat három csoportba lehet sorolni:

1. Megújuló (bioalapú) nyersanyagokból származik és biológiailag lebontható.
2. Megújuló (bioalapú) nyersanyagokból nyert termékek, amelyek biológiailag nem lebonthatók.
3. Petrolkémiai eredetű nyersanyagokból nyerhető, amelyek biológiailag lebonthatók.

Fontos megjegyezni, hogy ahhoz, hogy egy polimert bioplasztikusnak lehessen tekinteni, a három kombináció egyikébe kell lépnie.

Bioalapú-biológiailag lebontható

A bioalapú és biológiailag lebomló bioplasztikák között van a tejsav (PLA) és a polihidroxi-alkanoát (PHA). A PLA az egyik legszélesebb körben alkalmazott bioplasztika, amelyet főként kukoricából nyernek.

Ennek a bioplasztikának a polietilén-tereftaláttal (PET, hagyományos poliészter típusú műanyag) hasonló tulajdonságai vannak, bár kevésbé ellenáll a magas hőmérsékleten.

A PHA maga részéről változó tulajdonságokkal rendelkezik, attól függően, hogy melyik polimert alkotta. Növényi sejtekből vagy baktériumtenyészetek biotechnológiájával nyerik.

Ezek a bioplasztikumok nagyon érzékenyek a feldolgozási körülményekre, és költségeik akár tízszeresére is magasabbak, mint a hagyományos műanyagoké.

E kategória másik példája a PHBV (PolyhydroxyButylValerate), amelyet növényi maradványokból nyernek.

Biobased-biológiailag nem-lebontható

Ebben a csoportban biopolietilén (BIO-PE) van, tulajdonságai hasonlóak a hagyományos polietilén tulajdonságaihoz. A Bio-PET a maga részéről hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, mint a polietilén-tereftalát.

Mindkét bioplasztikát általában cukornádból állítják elő, és közbenső termékként bioetanolt kapnak.

A biopoliamid (PA), amely újrahasznosítható bioplasztika, kiváló hőszigetelési tulajdonságokkal, szintén ebbe a kategóriába tartozik.

-Nem bioalapú lebontható

A biológiai lebonthatóságnak a polimer kémiai szerkezetével és nem az alkalmazott alapanyag típusával kell kapcsolódnia. Ezért biológiailag lebontható műanyagok megfelelő feldolgozással nyerhetők kőolajból.

Az ilyen típusú bioplasztikákra példa a polikaprolaktonok (PCL), amelyeket a poliuretánok gyártásában használnak. Ez egy bioplasztika, amelyet kőolajszármazékokból, például polibutilén-szukcinátból (PBS) nyernek.

Előny

Cukorka csomagolóanyag PLA-ból (politejsav). Forrás: F. Kesselring, FKuR Willich

Biológiailag lebonthatók

Bár nem minden bioplasztika biológiailag lebontható, az igazság az, hogy sok ember számára ez az alapvető jellemzőjük. Valójában ennek a tulajdonságnak a keresése a bioplasztika fellendülésének egyik alapvető motorja.

A hagyományos kőolaj-alapú és nem biológiailag lebontható műanyagok százainak és akár több ezer évnek a lebontása is eltarthat. Ez a helyzet komoly problémát jelent, mivel a hulladéklerakók és az óceánok műanyaggal tele vannak.

Ezért a biológiai lebonthatóság nagyon fontos előnye, mivel ezek az anyagok hetekben, hónapokban vagy néhány évben bomlanak le.

Nem szennyezik a környezetet

Mivel biológiailag lebontható anyagok, a bioplasztikumok nem foglalják el a helyet szemétként. Ezen felül további előnye, hogy a legtöbb esetben nem tartalmaznak mérgező elemeket, amelyeket a környezetbe engedhetnek.

Kisebb szénlábnyomuk van

Mind a bioplasztika előállítási folyamatában, mind pedig a bomlásuk során kevesebb CO2 szabadul fel, mint a hagyományos műanyagok esetében. Sok esetben nem bocsátanak ki metánt, vagy csekély mennyiségben adják el, ezért kevés hatással vannak az üvegházhatásra.

Például a cukornádból készült etanolból készült bioplasztika 75% -kal csökkenti a CO2-kibocsátást az olajból származóhoz képest.

Biztonságosabb az ételek és italok szállítása

Általában a bioplasztika kidolgozásakor és összetételében nem használnak mérgező anyagokat. Ezért kevesebb szennyeződés kockázatát jelentik az azokban található élelmiszerek vagy italok esetében.

A hagyományos műanyagoktól eltérően, amelyek dioxineket és más szennyező alkotóelemeket képesek előállítani, a bioalapú bioplasztikumok ártalmatlanok.

hátrányok

A hátrányok elsősorban az alkalmazott bioplasztika típusához kapcsolódnak. Többek között a következők vannak.

Kevesebb ellenállás

Az egyik korlátozás, amelyet a legtöbb bioplasztika összehasonlított a hagyományos műanyagokkal, az alacsonyabb ellenállásuk. Ez a tulajdonság azonban társul annak biológiai lebontási képességéhez.

Magasabb költség

Bizonyos esetekben a bioplasztika előállításához felhasznált nyersanyagok drágábbak, mint a kőolajból előállított nyersanyagok.

Másrészről, néhány bioplasztika előállítása magasabb feldolgozási költségeket von maga után. Különösen, ezek a termelési költségek magasabbak azokban, amelyek biotechnológiai folyamatok révén készülnek, ideértve a baktériumok tömeges termesztését is.

Felhasználási konfliktus

Az élelmiszer-alapanyagokból előállított bioplasztikák versenyeznek az emberi igényekkel. Ezért, mivel jövedelmezőbb a növényeket bioplasztika előállítására fordítani, ezeket eltávolítják az élelmiszer-előállítási körből.

Ez a hátrány azonban nem vonatkozik az ehető hulladékokból előállított bioplasztikákra. Ezen hulladékok között terménymaradványok, étkezési algák, lignin, tojáshéjak vagy homár exoskeleti csomók vannak.

Nem könnyű újrahasznosítani

A PLA bioplasztik nagyon hasonló a hagyományos PET (polietilén-tereftalát) műanyaghoz, de nem újrahasznosítható. Ezért, ha mindkét típusú műanyagot keverik egy újrahasznosító tartályba, ezt a tartalmat nem lehet újrahasznosítani.

E tekintetben attól tartanak, hogy a PLA egyre növekvő használata akadályozhatja a műanyagok újrahasznosítására irányuló jelenlegi erőfeszítéseket.

Példák és bioplasztikával előállított termékek felhasználása

Mezőgazdasági hulladékból és micéliából készült bioplasztikával készült borkonténer. Forrás: Mycobond

-Egyszer használatos vagy eldobható tárgyak

A legtöbb hulladékot a gyorsétteremhez és a bevásárló táskákhoz kapcsolódó konténerek, csomagolók, tányérok és evőeszközök képezik. Ezért ezen a területen a biológiailag lebontható bioplasztikák fontos szerepet játszanak.

Ezért különféle bioplasztikákon alapuló termékeket fejlesztettek ki annak érdekében, hogy befolyásolják a hulladékkeletkezés csökkentését. Többek között a BASF Ecovio-val készült biológiailag lebontható táska vagy a spanyol Safiplast kukoricából nyert PLA-ból készült műanyag palack található.

Vízkapszulák

Az Ooho cég a hagyományos palackok helyett biológiailag lebontható kapszulákat készített a vízből származó algaból. Ez a javaslat nagyon innovatív és sikeres volt, és már tesztelték a londoni maratonon.

mezőgazdasági

Egyes növényeknél, például eperként, a talaj lefedése műanyag lemezzel a gyomok elleni küzdelem és a fagyás elkerülése érdekében. Ebben az értelemben olyan bioplasztikai párnákat fejlesztettek ki, mint például az Agrobiofilm, amelyek a hagyományos műanyagok helyébe lépnek.

- Objektumok tartós alkalmazásokhoz

A bioplasztika használata nem korlátozódik a felhasználási és ártalmatlanítási tárgyakra, hanem tartósabb tárgyakban is felhasználható. Például a Zoë b Organic társasága tengerparti játékokat gyárt.

Komplex berendezések alkatrészei

A Toyota bioplasztikát használ egyes autóalkatrészekben, például klímaberendezésekhez és a vezérlőpanelekhez. Ehhez bioplasztikákat, például Bio-PET-t és PLA-t használ.

A Fujitsu a maga részéről bioplasztikát használ számítógépes egerek és billentyűzet alkatrészek gyártásához. A Samsung vállalat esetében egyes mobiltelefonok házai nagyrészt bioplasztikából készültek.

-Építőipar és mélyépítés

Keményítő bioplasztikákat használtak építőanyagként és nanoszállal megerősített bioplasztikákat az elektromos berendezésekben.

Ezenkívül bioplasztikus bútorfa előállításánál is felhasználták őket, amelyeket xilofág rovarok nem támadnak meg, és amelyek nem piszozzák a páratartalmat.

-Gyógyszerészeti alkalmazások

Bioplasztikus kapszulákkal készültek, amelyek gyógyszereket és gyógyszerészeti hordozókat tartalmaznak, amelyek lassan szabadulnak fel. Így a gyógyszerek biohasznosulását idővel szabályozják (az a dózis, amelyet a beteg egy adott időben kap).

-Orvosi alkalmazások

Az implantátumokban alkalmazható cellulóz bioplasztikákat, szövettechnikát, kitint és kitozánt tartalmazó bioplasztikákat gyártottak sebek védelmére, csontszövet szerkesztésére és az emberi bőr regenerálására.

A cellulóz bioplasztikákat bioszenzorokhoz, hidroxiapatittal készített keverékek fogászati ​​implantátumok gyártásához, valamint bioplasztikus szálakat katéterekben is gyártottak.

- Légi, tengeri és szárazföldi szállítás és ipar

Növényi olajokon alapuló merev habokat (bioplasztikákat) használtak mind ipari, mind szállítóeszközökben; autóalkatrészek és repülőgépalkatrészek.

A mobiltelefonok, számítógépek, audio- és videoeszközök elektronikus alkatrészeit szintén előállították a bioplasztikából.

-Mezőgazdasági

A vizet felszívó és visszatartó, lassan felszabadító bioplasztikus hidrogélek védő takarókként használhatók a megművelt talaj számára, fenntartva a páratartalmat, és elősegítve a mezőgazdasági ültetvények növekedését száraz régiókban és esős évszakokban.

Irodalom

1. Álvarez da Silva L (2016). Bioplasztika: polihidroxialkanoátok előállítása és felhasználása. A Sevillai Egyetem Gyógyszerésztudományi Kar. Gyógyszerészi fokozat. 36 p.
2. Bezirhan-Arikan E és H Duygu-Ozsoy (2015). Beszámoló: A bioplasztika vizsgálata. Journal of Civil Engineering and Architecture 9: 188-192. De Almeida A, JA Ruiz, NI López és MJ Pettinari (2004). Bioplasztika: ökológiai alternatíva. Living Chemistry, 3 (3): 122-133.
3. El-Kadi S (2010). Bioplasztikai előállítás olcsó forrásokból. ISBN 9783639263725; VDM Verlag Dr. Müller Kiadó, Berlin, Németország. 145 p.
4. Labeaga-Viteri A (2018). Biológiailag lebontható polimerek. Fontosság és lehetséges alkalmazások. Országos Távoktatási Egyetem. Tudományos Kar, Szervetlen Kémia és Vegyészmérnöki Tanszék. Mester fokozat a kémiai tudományban és a technológiában. 50 p.
5. Ruiz-Hitzky E, FM Fernandes, MM Reddy, S Vivekanandhan, M Misra, SK Bhatia és AK Mohanty (2013). Bioalapú műanyagok és bionanokompozitok: jelenlegi helyzet és jövőbeli lehetőségek. Prog. Polym. Sci. 38, 1653-1689.
6. Satish K (2017). Bioplasztika - osztályozás, előállítás és lehetséges élelmiszer-felhasználásuk. Journal of Hill Agriculture 8: 118-129.