BIOPLAST: HVORDAN DE PRODUCERES, TYPER, FORDELE, ULEMPER - MILJØ - 2025

De bioplast er nogen formbart materiale baseret på polymerer af petrokemisk oprindelse eller biomasse, der er biologisk nedbrydelige. I lighed med traditionel plast, der er syntetiseret fra olie, kan disse formes til forskellige genstande.

Afhængig af deres oprindelse kan bioplast fås fra biomasse (biobaseret) eller være af petrokemisk oprindelse. På den anden side er der biologisk nedbrydeligt og ikke-nedbrydeligt bioplast, afhængigt af deres nedbrydningsniveau.

Bestik lavet af bionedbrydeligt stivelsespolyester. Kilde: Scott Bauer

Stigningen af ​​bioplast opstår som svar på ulemperne genereret af konventionel plast. Disse inkluderer ophobning af ikke-biologisk nedbrydelig plast i havene og deponeringsanlæg.

På den anden side har konventionel plast et højt kulstofaftryk og et højt indhold af giftige elementer. I modsætning hertil har bioplast adskillige fordele, da de ikke producerer giftige elementer og generelt er bionedbrydelige og genanvendelige.

Blandt de største ulemper ved bioplast er deres høje produktionsomkostninger og lavere modstand. Desuden er nogle af de anvendte råvarer potentielle fødevarer, hvilket udgør et økonomisk og etisk problem.

Nogle eksempler på bioplastiske genstande er bionedbrydelige poser såvel som dele til køretøjer og mobiltelefoner.

Egenskaber ved bioplast

Bioplastics økonomiske og miljømæssige betydning

Forskellige utilitaristiske genstande lavet med bioplast. Kilde: Hwaja Götz, via Wikimedia Commons

For nylig har der været en større videnskabelig og industriel interesse i at fremstille plast fra vedvarende råmaterialer, og som er biologisk nedbrydelige.

Dette skyldes, at verdens oliereserver udtømmes, og der er større opmærksomhed omkring den alvorlige miljøskade forårsaget af petroplast.

Med en stigende efterspørgsel efter plast på verdensmarkedet stiger efterspørgslen efter bionedbrydelig plast også.

Biologisk

Bionedbrydeligt bioplastaffald kan behandles som organisk, hurtigt nedbrydende og ikke-forurenende affald. For eksempel kan de bruges som jordændringer i kompostering, da de naturligt genanvendes ved biologiske processer.

Bioplast med utallige kommercielle anvendelser. Kilde: F. Kesselring, FKuR Willich, via Wikimedia Commons

Begrænsninger af bioplast

Fremstillingen af ​​biologisk nedbrydelig bioplast står over for store udfordringer, fordi bioplast har ringere egenskaber over for petroplast, og deres anvendelse, selvom den vokser, er begrænset.

Forbedring af bioplastiks egenskaber

For at forbedre bioplastiks egenskaber udvikles biopolymerblandinger med forskellige typer additiver, såsom carbon nanorør og kemisk modificerede naturlige fibre.

Generelt forbedrer tilsætningsstoffer, der anvendes til bioplastik egenskaber, såsom:

• Stivhed og mekanisk modstand.
• Barriereegenskaber mod gasser og vand.
• Termoresistens og termostabilitet.

Disse egenskaber kan konstrueres til bioplasten ved kemisk fremstillings- og forarbejdningsmetoder.

Hvordan produceres bioplast?

Bioplast til emballage fremstillet af termoplastisk stivelse. Kilde: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

-Kort historie

Bioplastics foregår som konventionel syntetisk plast fra petroleum. Anvendelse af polymerer af plante- eller dyrestoffer til fremstilling af plastmateriale stammer tilbage til 1700-tallet med brugen af ​​naturgummi (latex fra Hevea brasiliensis).

Selv om den ikke fik det navn, blev den første bioplast udviklet i 1869 af John Wesley Hyatt Jr., der producerede en plast, der stammede fra bomuldscellulose som erstatning for elfenben. I slutningen af ​​1800-tallet blev kasein fra mælk også brugt til produktion af bioplast.

I 1940'erne undersøgte Ford-firmaet alternativer til brug af vegetabilske råvarer til at fremstille dele til sine biler. Denne forskningsgrænse blev fremkaldt af begrænsninger i brugen af ​​stål i krigen.

Som et resultat af dette udviklede virksomheden i løbet af året 1941 en bilmodel med en krop konstrueret af hovedsageligt sojaderivater. Efter krigen sluttede dette initiativ imidlertid ikke.

I 1947 blev den første tekniske bioplast produceret, Polyamid 11 (Rilsan som et varemærke). Senere i 90'erne dukkede PLA (polymælkesyre), PHA (polyhydroxyalkanoater) og plastificeret stivelse op.

-Råmateriale

Biobaseret bioplast er dem, der er lavet af plantebiomasse. De tre grundlæggende råmaterialekilder til biobaseret er følgende.

Naturlige polymerer af biomasse

Naturlige polymerer fremstillet direkte af planter, såsom stivelse eller sukker, kan anvendes. For eksempel er "Kartoffelplast" en biologisk nedbrydelig bioplast fremstillet af kartoffelstivelse.

Polymerer syntetiseret ud fra biomasse-monomerer

Et andet alternativ er at syntetisere polymerer fra monomerer ekstraheret fra plante- eller dyrekilder. Forskellen mellem denne rute og den foregående er, at en mellemliggende kemisk syntese er påkrævet her.

F.eks. Fremstilles Bio-PE eller grøn polyethylen fra ethanol opnået fra sukkerrør.

Bioplast kan også fremstilles fra dyrekilder, såsom glycosaminoglycans (GAG), som er æggeskalproteiner. Fordelen ved dette protein er, at det giver mulighed for at opnå mere resistent bioplast.

Bioteknologi baseret på bakteriekulturer

En anden måde at fremstille polymerer til bioplast er gennem bioteknologi gennem bakteriekulturer. I denne forstand syntetiserer og opbevarer mange bakterier polymerer, der kan ekstraheres og forarbejdes.

Til dette dyrkes bakterierne massivt i egnede dyrkningsmedier og behandles derefter til oprensning af den specifikke polymer. F.eks. Syntetiseres PHA (polyhydroxyalkanoater) af forskellige bakteriegener, der vokser i et medium med overskydende carbon og uden nitrogen eller fosfor.

Bakterier opbevarer polymeren i form af granuler i cytoplasmaet, som ekstraheres ved behandling af bakteriemasserne. Et andet eksempel er PHBV (PolyhydroxyButylValerate), som fås fra bakterier fodret med sukker, der er opnået fra planterester.

Den største begrænsning af opnået bioplast på denne måde er produktionsomkostningerne, hovedsageligt på grund af det krævede kulturmedium.

Kombination af naturlig polymer og bioteknologisk polymer

Ohio University udviklede en ret stærk bioplast ved at kombinere naturgummi med PHBV bioplast, organisk peroxid og trimethylolpropantriacrylat (TMPTA).

-Produktions proces

Bioplast opnås ved forskellige processer, afhængigt af råmaterialet og de ønskede egenskaber. Bioplast kan opnås gennem elementære processer eller mere komplekse industrielle processer.

Grundlæggende proces

Det kan udføres tilberedning og støbning i tilfælde af anvendelse af naturlige polymerer, såsom stivelse eller majs eller kartoffelstivelse.

En grundlæggende opskrift til fremstilling af en bioplast er således at blande majsstivelse eller kartoffelstivelse med vand og tilsætte glycerin. Derefter koges denne blanding, indtil den tykner, støbes og får lov til at tørre.

Medium kompleksitetsprocesser

I tilfælde af bioplast produceret med polymerer syntetiseret fra biomasse-monomerer er processerne noget mere komplekse.

F.eks. Kræver Bio-PE opnået fra sukkerrørethanol en række trin. Den første ting er at udvinde sukkeret fra sukkerrøret for at få ethanol gennem gæring og destillation.

Derefter dehydratiseres ethanolen, og der opnås ethylen, som skal polymeriseres. Endelig ved hjælp af termoformingsmaskiner fremstilles genstande baseret på denne bioplast.

Komplekse og dyrere processer

Når der refereres til bioplast fremstillet af polymerer opnået ved bioteknologi, øges kompleksiteten og omkostningerne. Dette er fordi bakteriekulturer er involveret, der kræver specifikke kulturmedier og vækstbetingelser.

Denne proces er baseret på det faktum, at visse bakterier producerer naturlige polymerer, som de er i stand til at opbevare inde. Begyndende med de passende ernæringselementer dyrkes og bearbejdes disse mikroorganismer derfor til ekstraktion af polymererne.

Bioplast kan også fremstilles af nogle alger, såsom Botryococcus braunii. Denne mikroalge er i stand til at producere og endda udskille kulbrinter i miljøet, hvorfra brændstof eller bioplast opnås.

-Fremstilling af produkter baseret på bioplast

Det grundlæggende princip er støbning af genstanden takket være denne forbindelses plastikegenskaber ved brug af tryk og varme. Behandlingen udføres ved ekstrudering, injektion, injektion og blæse, præform blæse og termoforme og til sidst udsættes den for afkøling.

typer

Emballage lavet af celluloseacetat. Kilde: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

Fremgangsmåden til klassificering af bioplast er forskellige og er ikke uden kontrovers. Under alle omstændigheder er kriterierne, der bruges til at definere de forskellige typer, oprindelsen og niveauet for nedbrydning.

-Oprindelse

Ifølge en generel fremgangsmåde kan bioplast klassificeres efter deres oprindelse som biobaseret eller ikke-biobaseret. I det første tilfælde opnås polymererne fra plante-, dyre- eller bakteriebiomasse og er derfor vedvarende ressourcer.

På den anden side er ikke-biobaseret bioplast dem, der er produceret med polymerer syntetiseret fra olie. Da de kommer fra en ressource, der ikke kan fornyes, mener nogle specialister, at de ikke bør behandles som bioplast.

-Niveau for nedbrydning

Hvad angår nedbrydningsniveauet, kan bioplast være biologisk nedbrydeligt eller ej. De biologisk nedbrydelige nedbrydes i relativt korte perioder (dage til nogle få måneder), når de udsættes for passende betingelser.

Ikke-biologisk nedbrydelig bioplast opfører sig på sin side som konventionel plast af petrokemisk oprindelse. I dette tilfælde måles forfaldsperioden i årtier og endda århundreder.

Der er også kontrovers omkring dette kriterium, da nogle forskere mener, at en ægte bioplast skal være bionedbrydelig.

-Origin og biologisk nedbrydning

Når de to foregående kriterier kombineres (oprindelse og nedbrydningsniveau), kan bioplast klassificeres i tre grupper:

1. Kommer fra vedvarende råvarer (biobaseret) og biologisk nedbrydeligt.
2. De opnået fra vedvarende råvarer (biobaseret), men er ikke bionedbrydelige.
3. Fremskaffet fra råvarer af petrokemisk oprindelse, men som er biologisk nedbrydelige.

Det er vigtigt at bemærke, at for at betragte en polymer som bioplast, skal den indtaste en af ​​disse tre kombinationer.

Biobaseret bionedbrydeligt

Blandt de biobaserede og biologisk nedbrydelige bioplastik har vi polymælkesyre (PLA) og polyhydroxyalkanoat (PHA). PLA er en af ​​de mest anvendte bioplastik og fås hovedsageligt fra majs.

Denne bioplast har egenskaber svarende til polyethylenterephthalat (PET, konventionel plast af polyestertype), selvom den er mindre modstandsdygtig over for høje temperaturer.

PHA har på sin side variable egenskaber afhængigt af den specifikke polymer, der udgør den. Det fås fra planteceller eller gennem bioteknologi fra bakteriekulturer.

Disse bioplastikker er meget følsomme over for forarbejdningsbetingelser, og deres omkostninger er op til ti gange højere end konventionel plast.

Et andet eksempel på denne kategori er PHBV (PolyhydroxyButylValerate), der fås fra planterester.

Biobaseret-ikke-biologisk nedbrydeligt

I denne gruppe har vi bio-polyethylen (BIO-PE) med egenskaber, der ligner egenskaberne ved konventionel polyethylen. Bio-PET har på sin side egenskaber svarende til polyethylenterephthalat.

Begge bioplast fremstilles almindeligvis fra sukkerrør og får bioethanol som et mellemprodukt.

Bio-polyamid (PA), som er en genanvendelig bioplast med fremragende varmeisoleringsegenskaber, hører også til denne kategori.

-Af biobaseret-bionedbrydeligt

Bionedbrydelighed har at gøre med den kemiske struktur af polymeren og ikke med den anvendte råmaterialetype. Derfor kan biologisk nedbrydelig plast fås fra petroleum med korrekt forarbejdning.

Et eksempel på denne type bioplast er polycaprolactoner (PCL), der anvendes til fremstilling af polyurethaner. Dette er en bioplast opnået fra petroleumderivater som polybutylensuccinat (PBS).

Fordel

Candy indpakning lavet af PLA (polymælkesyre). Kilde: F. Kesselring, FKuR Willich

De er bionedbrydelige

Selvom ikke alle bioplastik er bionedbrydelige, er sandheden, at for mange mennesker er dette deres grundlæggende kendetegn. Faktisk er søgningen efter denne egenskab en af ​​de grundlæggende motorer i bioplastbommen.

Konventionel oliebaseret og ikke-biologisk nedbrydelig plast tager hundreder og endda tusinder af år at bryde sammen. Denne situation repræsenterer et alvorligt problem, da deponeringsanlæg og oceaner fyldes med plast.

Af denne grund er bionedbrydelighed en meget relevant fordel, da disse materialer kan nedbrydes i uger, måneder eller nogle få år.

De forurener ikke miljøet

Fordi det er biologisk nedbrydeligt materiale, stopper bioplast med at optage plads som affald. Derudover har de den ekstra fordel, at de i de fleste tilfælde ikke indeholder giftige elementer, som de kan frigive i miljøet.

De har et lavere CO2-fodaftryk

Både i bioplastproduktionsprocessen frigøres der som i deres nedbrydning mindre CO2 end i tilfældet med konventionel plast. I mange tilfælde frigiver de ikke metan, eller de gør det i lave mængder og har derfor ringe indflydelse på drivhuseffekten.

For eksempel reducerer bioplast fremstillet af ethanol fra sukkerrør CO2-emissionerne med op til 75% sammenlignet med dem, der stammer fra olie.

Sikkerere at medbringe mad og drikke

Generelt anvendes der ikke toksiske stoffer til udarbejdelse og sammensætning af bioplast. Derfor repræsenterer de mindre risiko for kontaminering for den mad eller drikkevarer, der er indeholdt i dem.

I modsætning til konventionel plast, der kan producere dioxiner og andre forurenende komponenter, er biobaseret bioplast ufarlig.

Ulemper

Ulemperne er hovedsageligt relateret til den anvendte type bioplast. Blandt andre har vi følgende.

Mindre modstand

En begrænsning, som de fleste bioplastik har sammenlignet med konventionel plast, er deres lavere modstand. Imidlertid er denne egenskab, hvad der er forbundet med dens evne til bionedbrydning.

Højere omkostninger

I nogle tilfælde er råvarerne, der bruges til produktion af bioplast, dyrere end råvarer fra olie.

På den anden side indebærer produktion af nogle bioplastik højere forarbejdningsomkostninger. Disse produktionsomkostninger er især højere i dem, der produceres ved bioteknologiske processer, herunder massedyrkning af bakterier.

Brugskonflikt

Bioplastics fremstillet af madråstoffer konkurrerer med menneskers behov. Da det er mere rentabelt at afsætte afgrøder til produktionen af ​​bioplast, fjernes disse fra fødevareproduktionskredsløbet.

Imidlertid gælder denne ulempe ikke for bioplast opnået fra uspiseligt affald. Blandt disse affald har vi afgrøderester, uspiselige alger, lignin, æggeskaller eller hummereksoskeletter.

De er ikke nemme at genbruge

PLA-bioplast ligner meget konventionel PET (polyethylenterephthalat) plast, men det er ikke genanvendeligt. Derfor blandes begge typer plast i en genbrugsbeholder, kan dette indhold ikke genbruges.

I denne forbindelse er der frygt for, at den stigende anvendelse af PLA kan hæmme den eksisterende indsats for at genanvende plast.

Eksempler og deres anvendelse af produkter produceret med bioplast

Vinbeholder fremstillet med bioplast fra landbrugsaffald og mycelia. Kilde: Mycobond

-Baserede eller engangsgenstande

De genstande, der genererer mest affald, er containere, indpakninger, tallerkener og bestik, der er knyttet til fastfood og indkøbsposer. Derfor spiller biologisk nedbrydelig bioplast på dette område en relevant rolle.

Af denne grund er forskellige produkter baseret på bioplast udviklet for at påvirke reduktionen af ​​affaldsgenerering. Vi har blandt andet den biologisk nedbrydelige taske fremstillet med BASFs Ecovio eller plastflasken lavet af PLA opnået fra majs af Safiplast i Spanien.

Vandkapsler

Ooho-firmaet skabte bionedbrydelige kapsler fra tang med vand i stedet for traditionelle flasker. Dette forslag har været meget innovativt og vellykket og er allerede testet i London maraton.

landbrug

I nogle afgrøder som jordbær er en almindelig praksis at dække jorden med en plastikplade for at kontrollere ukrudt og undgå frysning. I denne forstand er der udviklet bioplastisk polstring såsom Agrobiofilm til erstatning for konventionel plast.

-Objekter til holdbare applikationer

Brugen af ​​bioplast er ikke begrænset til genstande til brug og bortskaffelse, men kan bruges i mere holdbare genstande. F.eks. Producerer Zoë b Organic's selskab strandlegetøj.

Kompleks udstyrskomponenter

Toyota bruger bioplastik i nogle bildele, såsom komponenter til klimaanlæg og kontrolpaneler. Til dette bruger det bioplast såsom Bio-PET og PLA.

Fujitsu bruger på sin side bioplast til at fremstille computermus og tastaturdele. For Samsung-virksomheden har nogle mobiltelefoner huse, der stort set er fremstillet af bioplast.

-Konstruktion og civilingeniør

Stivelsesbioplast er blevet brugt som byggematerialer og nanofiberforstærket bioplast i elektriske installationer.

Derudover er de blevet brugt til fremstilling af bioplastiske møbeltræer, som ikke er angrebet af xylofagiske insekter og ikke rådner med fugtighed.

- Farmaceutiske anvendelser

De er lavet med bioplastiske kapsler, der indeholder lægemidler og lægemiddelkøretøjer, der frigives langsomt. Således reguleres biotilgængeligheden af ​​medikamenter over tid (den dosis, som patienten får på et givet tidspunkt).

-Medicinske applikationer

Cellulose-bioplastik, der er anvendelig i implantater, vævsteknik, chitin og chitosan-bioplast er blevet fremstillet til sårbeskyttelse, knoglevævsteknik og regenerering af menneskets hud.

Cellulose bioplastics er også blevet fremstillet til biosensorer, blandinger med hydroxyapatit til fremstilling af tandimplantater, bioplastiske fibre i katetre, blandt andre.

-Flyvning, sø- og landtransport og industri

Stive skum baseret på vegetabilske olier (bioplast) er blevet brugt, både i industrielle og transportanordninger; bildele og rumfartsdele.

Elektroniske komponenter til mobiltelefoner, computere, lyd- og videoenheder er også produceret af bioplast.

-Landbrug

Bioplastiske hydrogeler, der absorberer og fastholder vand og kan frigive det langsomt, er nyttige som beskyttelsesdæksler til den dyrkede jord, idet de opretholder dens fugtighed og favoriserer væksten af ​​landbrugsplantager i tørre regioner og i lave regnfulde årstider.

Referencer

1. Álvarez da Silva L (2016). Bioplast: opnåelse og anvendelse af polyhydroxyalkanoater. Det farmaceutiske fakultet, Sevilla Universitet. Grad i apotek. 36 s.
2. Bezirhan-Arikan E og H Duygu-Ozsoy (2015). En anmeldelse: Undersøgelse af bioplastik. Journal of Civil Engineering and Architecture 9: 188-192. De Almeida A, JA Ruiz, NI López og MJ Pettinari (2004). Bioplastics: et økologisk alternativ. Levende kemi, 3 (3): 122-133.
3. El-Kadi S (2010). Bioplastisk produktion fra billige kilder. ISBN 9783639263725; VDM Verlag Dr. Müller Publishing, Berlin, Tyskland. 145 s.
4. Labeaga-Viteri A (2018). Bionedbrydelige polymerer. Betydning og potentielle applikationer. Det Nationale Fjernundervisningsuniversitet. Det Naturvidenskabelige Fakultet, Institut for Uorganisk Kemi og Kemiteknik. Kandidatgrad i kemisk videnskab og teknologi. 50 s.
5. Ruiz-Hitzky E, FM Fernandes, MM Reddy, S Vivekanandhan, M Misra, SK Bhatia og AK Mohanty (2013). Biobaseret plast og bionanokompositter: Aktuel status og fremtidige muligheder. Prog. Polym. Sci. 38: 1653-1689.
6. Satish K (2017). Bioplastics - klassificering, produktion og deres potentielle fødevareapplikationer. Journal of Hill Agriculture 8: 118-129.