БИОПЛАСТИКА: КАК СЕ ПРОИЗВЕЖДАТ, ВИДОВЕ, ПРЕДИМСТВА, НЕДОСТАТЪЦИ - ОКОЛЕН СВЯТ - 2025

На Биопластмаси са всеки ковък материал на основата на полимери на нефтохимическата произход или биомаса, които са биоразградими. Подобно на традиционните пластмаси, синтезирани от петрол, те могат да бъдат формовани в различни предмети.

В зависимост от техния произход, биопластиката може да бъде получена от биомаса (биологична основа) или да бъде от нефтохимичен произход. От друга страна, в зависимост от нивото им на разлагане, има биоразградими и неразграждащи се биопластици.

Прибори от биоразградим нишесте полиестер. Източник: Скот Бауер

Повишаването на биопластиката възниква в отговор на неудобствата, породени от конвенционалните пластмаси. Те включват натрупване на неразградими пластмаси в океаните и депата.

От друга страна, конвенционалните пластмаси имат висок въглероден отпечатък и високо съдържание на токсични елементи. За разлика от тях, биопластиката има няколко предимства, тъй като не произвежда токсични елементи и като цяло е биоразградима и рециклируема.

Сред основните недостатъци на биопластиката са високата им производствена цена и по-ниската устойчивост. Освен това някои от използваните суровини са потенциални храни, което представлява икономически и етичен проблем.

Някои примери за биопластични предмети са биоразградими торби, както и части за превозни средства и мобилни телефони.

Характеристики на биопластиката

Икономическото и екологичното значение на биопластиката

Различни утилитарни предмети, направени с биопластика. Източник: Hwaja Götz, чрез Wikimedia Commons

Напоследък има по-голям научен и индустриален интерес към производството на пластмаси от възобновяеми суровини и които са биоразградими.

Това се дължи на факта, че световните запаси от петрол се изчерпват и има по-голяма информираност за сериозните щети върху околната среда, причинени от нефтопластиката.

С нарастващото търсене на пластмаси на световния пазар, търсенето на биоразградими пластмаси също нараства.

биоразградимост

Биоразградимите отпадъци от биопластика могат да бъдат третирани като органични, бързо разграждащи се и не замърсяващи отпадъци. Например, те могат да се използват като поправки на почвата при компостиране, тъй като естествено се рециклират чрез биологични процеси.

Биопластика с безброй търговски приложения. Източник: F. Kesselring, FKuR Willich, чрез Wikimedia Commons

Ограничения на биопластиката

Производството на биоразградими биопластици е изправено пред големи предизвикателства, тъй като биопластиките имат по-ниски свойства спрямо нефтопластиците и тяхното приложение, макар и да расте, е ограничено.

Подобряване на свойствата на биопластиката

За подобряване свойствата на биопластиката се разработват биополимерни смеси с различни видове добавки, като въглеродни нанотръби и химически модифицирани естествени влакна.

Като цяло добавките, прилагани върху биопластиците, подобряват свойства като:

• Твърдост и механична устойчивост.
• Свойства на бариерата срещу газове и вода.
• Термоустойчивост и термостабилност.

Тези свойства могат да бъдат проектирани в биопластиката чрез химически методи за приготвяне и обработка.

Как се произвеждат биопластици?

Биопласт за опаковане, изработено от термопластично нишесте. Източник: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

-Кратка история

Биопластиките предхождат конвенционалните синтетични пластмаси, получени от петрол. Използването на полимери от растителна или животинска материя за производството на пластмасов материал е от 18 век с използването на естествен каучук (латекс от Hevea brasiliensis).

Първият биопластик, въпреки че не му е дадено това име, е разработен през 1869 г. от Джон Уесли Хаят младши, който произвежда пластмаса, получена от памучна целулоза като заместител на слонова кост. По същия начин в края на 19 век казеинът от мляко е използван за производството на биопластици.

През 40-те години на миналия век компанията Форд изследва алтернативи за използването на растителни суровини, за да направи части за своите автомобили. Тази линия на изследване беше предизвикана от ограниченията за използването на стомана от войната.

В резултат на това през 1941 г. компанията разработва модел на автомобил с каросерия, изградена от главно соеви производни. Но след като войната приключи, тази инициатива не беше продължена.

До 1947 г. е произведен първият технически биопластик, Полиамид 11 (Rilsan като търговска марка). По-късно, през 90-те години, се появяват PLA (полилактична киселина), PHA (полихидроксиалканоати) и пластифицирани нишестета.

-Суров материал

Биопластиките, основани на био, са тези, които се произвеждат от растителна биомаса. Трите основни източника на суровина за биологична основа са следните.

Естествени полимери на биомаса

Могат да се използват естествени полимери, направени директно от растения, като нишесте или захари. Например, "Картофена пластмаса" е биоразградима биопластика, направена от картофено нишесте.

Полимери, синтезирани от мономери на биомаса

Втора алтернатива е да се синтезират полимери от мономери, извлечени от растителни или животински източници. Разликата между този път и предишния е, че тук е необходим междинен химичен синтез.

Например, Bio-PE или зелен полиетилен се произвежда от етанол, получен от захарна тръстика.

Биопластиката може да се произвежда и от животински източници, като гликозаминогликани (GAGs), които са протеини от яйчена черупка. Предимството на този протеин е, че той позволява получаването на по-устойчива биопластика.

Биотехнология, базирана на бактериални култури

Друг начин за производство на полимери за биопластика е чрез биотехнологии чрез бактериални култури. В този смисъл много бактерии синтезират и съхраняват полимери, които могат да бъдат извлечени и обработени.

За това бактериите масово се култивират в подходяща културална среда и след това се преработват за пречистване на специфичния полимер. Например, PHA (полихидроксиалканоатите) се синтезира от различни бактериални родове, растящи в среда с излишен въглерод и без азот или фосфор.

Бактериите съхраняват полимера под формата на гранули в цитоплазмата, които се екстрахират чрез обработка на бактериалните маси. Друг пример е PHBV (PolyhydroxyButylValerate), който се получава от бактерии, хранени със захари, получени от растителни останки.

Най-голямото ограничение на получените по този начин биопластици са разходите за производство, главно поради необходимите културни среди.

Комбинация от естествен полимер и биотехнологичен полимер

Университетът в Охайо разработи доста силен биопластик чрез комбиниране на естествен каучук с PHBV биопластичен, органичен пероксид и триметилолпропан триакрилат (TMPTA).

-Производствен процес

Биопластиката се получава чрез различни процеси, в зависимост от суровината и желаните свойства. Биопластиката може да бъде получена чрез елементарни процеси или по-сложни индустриални процеси.

Основен процес

Може да се направи готвене и формоване в случай на използване на естествени полимери, като нишесте или царевично или картофено нишесте.

По този начин, елементарна рецепта за получаване на биопластик е смесването на царевично нишесте или картофено нишесте с вода, добавяйки глицерин. Впоследствие тази смес се готви, докато се сгъсти, формира и се оставя да изсъхне.

Процеси със средна сложност

В случая на биопластика, получена с полимери, синтезирани от мономери на биомаса, процесите са малко по-сложни.

Например, Bio-PE, получен от етанол на захарна тръстика, изисква серия от етапи. Първото нещо е да се извлече захарта от тръстиката, за да се получи етанол чрез ферментация и дестилация.

Тогава етанолът се дехидратира и се получава етилен, който трябва да се полимеризира. И накрая, с помощта на термоформовъчни машини се произвеждат обекти на базата на този биопластик.

Сложни и по-скъпи процеси

Когато се говори за биопластици, получени от полимери, получени чрез биотехнологии, сложността и разходите се увеличават. Това е така, защото се включват бактериални култури, които изискват специфични културни среди и условия за растеж.

Този процес се основава на факта, че определени бактерии произвеждат естествени полимери, които са в състояние да съхраняват вътре. Следователно, започвайки с подходящите хранителни елементи, тези микроорганизми се култивират и обработват за извличане на полимерите.

Биопластиката може да се направи и от някои водорасли, като Botryococcus braunii. Тази микроводорасли е в състояние да произвежда и дори отделя въглеводороди в околната среда, от които се получават горива или биопластици.

-Производство на продукти на базата на биопластика

Основният принцип е формоването на обекта, благодарение на пластичните свойства на това съединение с помощта на налягане и топлина. Обработката се извършва чрез екструзия, инжектиране, инжектиране и издухване, предварително задухване и термоформоване и накрая се подлага на охлаждане.

Видове

Опаковка от целулозен ацетат. Източник: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

Подходите към класификацията на биопластика са многообразни и не са без спор. Във всеки случай критериите, използвани за определяне на различните видове, са произходът и нивото на разлагане.

-Origin

Според обобщения подход биопластиците могат да бъдат класифицирани по произход като биологични или небиологични. В първия случай полимерите се получават от растителна, животинска или бактериална биомаса и поради това са възобновяеми ресурси.

От друга страна небиологичните биопластици са тези, произведени с полимери, синтезирани от масло. Въпреки това, тъй като идват от невъзобновяем ресурс, някои специалисти смятат, че те не трябва да се третират като биопластика.

-Рив на разлагане

По отношение на нивото на разлагане, биопластиците могат да бъдат биоразградими или не. Биоразградимите се разграждат за сравнително кратки периоди от време (дни до няколко месеца), когато са подложени на подходящи условия.

От своя страна небиоразградимите биопластици се държат като конвенционални пластмаси от нефтохимичен произход. В този случай периодът на гниене се измерва в десетилетия и дори векове.

Спор има и по отношение на този критерий, тъй като някои учени смятат, че истинският биопластик трябва да бъде биоразградим.

-Оригин и биоразграждане

Когато двата предишни критерия са комбинирани (произход и ниво на разлагане), биопластиката може да бъде класифицирана в три групи:

1. Идва от възобновяеми суровини (биологично основани) и биоразградими.
2. Получените от възобновяеми суровини (биологични), но не са биоразградими.
3. Получава се от суровини от нефтохимичен произход, но които са биоразградими.

Важно е да се отбележи, че за да се счита полимерът за биопластик, той трябва да въведе една от тези три комбинации.

Био-биоразградими

Сред биобазираните и биоразградими биопластици имаме полилактична киселина (PLA) и полихидроксиалканоат (PHA). PLA е една от най-широко използваните биопластици и се получава главно от царевица.

Този биопластик има сходни свойства с полиетилентерефталат (PET, конвенционална пластмаса от полиестер), въпреки че е по-малко устойчив на високи температури.

От своя страна, PHA има променливи свойства в зависимост от конкретния полимер, който го съставя. Получава се от растителни клетки или чрез биотехнологии от бактериални култури.

Тези биопластици са много чувствителни към условията на обработка и цената им е до десет пъти по-висока от конвенционалните пластмаси.

Друг пример за тази категория е PHBV (PolyhydroxyButylValerate), който се получава от растителни останки.

Био-небиоразградими

В тази група имаме био-полиетилен (BIO-PE), със свойства, подобни на тези на конвенционалния полиетилен. От своя страна Bio-PET има характеристики, подобни на полиетилентерефталат.

И двете биопластици обикновено се произвеждат от захарна тръстика, като се получава биоетанол като междинен продукт.

Към тази категория принадлежи и биополиамидът (PA), който е рециклируем биопластик с отлични топлоизолационни свойства.

Нон-био-биоразградими

Биоразградимостта е свързана с химическата структура на полимера, а не с вида на използваната суровина. Следователно, биоразградимите пластмаси могат да бъдат получени от петрол при правилна обработка.

Пример за този вид биопластика са поликапролактони (PCL), които се използват при производството на полиуретани. Това е биопластик, получен от петролни производни като полибутилен сукцинат (PBS).

предимство

Опаковка за бонбони, изработена от PLA (полилактична киселина). Източник: F. Kesselring, FKuR Willich

Те са биоразградими

Въпреки че не всички биопластици са биоразградими, истината е, че за много хора това е тяхната основна характеристика. Всъщност търсенето на това свойство е един от основните двигатели на бума на биопластика.

Конвенционалните пластмаси на базата на петрол и неразградими отнемат стотици и дори хиляди години, за да се разрушат. Тази ситуация представлява сериозен проблем, тъй като депата и океаните се пълнят с пластмаса.

Поради тази причина биоразградимостта е много уместно предимство, тъй като тези материали могат да се разложат за седмици, месеци или няколко години.

Те не замърсяват околната среда

Тъй като са биоразградими материали, биопластиката спира да заема място като боклук. В допълнение, те имат допълнителното предимство, че в повечето случаи не съдържат токсични елементи, които могат да отделят в околната среда.

Те имат по-нисък въглероден отпечатък

Както в процеса на производство на биопластици, така и при тяхното разлагане се отделя по-малко CO2, отколкото при конвенционалните пластмаси. В много случаи те не отделят метан или го правят в малки количества и следователно имат малко влияние върху парниковия ефект.

Например, биопластиците, произведени от етанол от захарна тръстика, намаляват емисиите на CO2 с до 75% в сравнение с тези, получени от петрола.

По-безопасно да носите храна и напитки

Като цяло при разработването и състава на биопластиката не се използват токсични вещества. Следователно те представляват по-малък риск от замърсяване на храните или напитките, които се съдържат в тях.

За разлика от конвенционалните пластмаси, които могат да произвеждат диоксини и други замърсяващи компоненти, биопластиките, основаващи се на биологична основа, са безвредни.

Недостатъци

Недостатъците са свързани основно с вида на използваната биопластика. Сред другите имаме следното.

По-малко съпротивление

Едно ограничение, което повечето биопластици имат в сравнение с конвенционалните пластмаси, е тяхната по-ниска устойчивост. Това свойство обаче е свързано със способността му да се разгражда.

По-висока цена

В някои случаи суровините, използвани за производството на биопластика, са по-скъпи от тези от нефта.

От друга страна, производството на някои биопластици предполага по-високи разходи за обработка. По-специално, тези производствени разходи са по-високи при тези, получени чрез биотехнологични процеси, включително масовото култивиране на бактерии.

Конфликт на използване

Биопластиката, произведена от хранителни суровини, се конкурира с човешките нужди. Следователно, тъй като е по-изгодно да се посвещават културите в производството на биопластика, те се отстраняват от веригата за производство на храни.

Този недостатък обаче не се отнася за тези биопластици, получени от неядливи отпадъци. Сред тези отпадъци имаме остатъци от култури, неядливи водорасли, лигнин, яйчни черупки или екзоскелети на омари.

Те не са лесни за рециклиране

PLA биопластиката е много подобна на конвенционалната пластмаса от PET (полиетилен терефталат), но не подлежи на рециклиране. Следователно, ако и двата вида пластмаса се смесват в контейнер за рециклиране, това съдържание не може да бъде рециклирано.

В тази връзка има опасения, че нарастващата употреба на PLA може да попречи на съществуващите усилия за рециклиране на пластмаси.

Примери и тяхното използване на продукти, произведени с биопластика

Контейнер за вино, направен от биопластик от селскостопански отпадъци и мицелия. Източник: Mycobond

-Продукти за еднократна употреба или за еднократна употреба

Елементите, които генерират най-много отпадъци, са контейнери, опаковки, чинии и прибори за хранене, свързани с бърза храна и пазарски чанти. Следователно в тази област биоразградимите биопластици играят релевантна роля.

Поради тази причина са разработени различни продукти на базата на биопластика с цел да повлияят на намаляването на образуването на отпадъци. Наред с други имаме биоразградимата торбичка, направена с ековио на BASF или пластмасовата бутилка от PLA, получена от царевица от Safiplast в Испания.

Водни капсули

Компанията Ooho създаде биоразградими капсули от водорасли с вода, вместо от традиционните бутилки. Това предложение беше много иновативно и успешно и вече беше тествано в Лондонския маратон.

Земеделие

В някои култури като ягоди често срещана практика е да се покрие почвата с пластмасов лист, за да се контролират плевелите и да се избегне замръзване. В този смисъл биопластичните подложки като Agrobiofilm са разработени, за да заменят конвенционалните пластмаси.

-Обекти за трайни приложения

Използването на биопластика не се ограничава само до обекти за употреба и изхвърляне, но може да се използва в по-трайни обекти. Например фирмата на Zoë b Organic произвежда играчки за плаж.

Комплексни компоненти на оборудването

Toyota използва биопластика в някои авточасти, като компоненти за климатици и контролни табла. За целта се използват биопластици като Bio-PET и PLA.

От своя страна Fujitsu използва биопластика за изработка на компютърни мишки и части от клавиатурата. В случая с компанията Samsung някои мобилни телефони имат корпуси, направени до голяма степен от биопластик.

-Строителство и гражданско строителство

Нишестената биопластика е използвана като строителни материали и биопластика, подсилена с нанофибър.

В допълнение, те са били използвани в производството на биопластична дървесина за мебели, които не са нападнати от ксилофажни насекоми и не гният с влажност.

-Фармацевтични приложения

Те са направени с биопластични капсули, съдържащи наркотици и лекарства, които се отделят бавно. По този начин бионаличността на лекарствата се регулира във времето (дозата, която пациентът получава за дадено време).

-Медицински приложения

Целулозната биопластика, приложима в импланти, тъканно инженерство, хитин и хитозанова биопластика са произведени за защита на рани, инженерство на костната тъкан и регенерация на кожата на човека.

Целулозната биопластика също е произведена за биосензори, смеси с хидроксиапатит за производство на зъбни импланти, биопластични влакна в катетри, наред с други.

-Въздушен, морски и сухопътен транспорт и промишленост

Твърдите пени на базата на растителни масла (биопластика) са използвани както в промишлени, така и в транспортни устройства; авточасти и аерокосмически части.

Електронни компоненти на мобилни телефони, компютри, аудио и видео устройства също са произведени от биопластика.

-Земеделие

Биопластичните хидрогели, които абсорбират и задържат вода и могат да я отделят бавно, са полезни като защитни одеяла за обработваната почва, поддържайки нейната влажност и благоприятствайки растежа на земеделските насаждения в сухите райони и в ниски дъждовни сезони.

Препратки

1. Алварес да Силва L (2016). Биопластика: получаване и приложение на полихидроксиалканоати. Фармацевтичен факултет, Университет на Севиля. Степен по фармация. 36 стр.
2. Bezirhan-Arikan E и H Duygu-Ozsoy (2015). Преглед: изследване на биопластика. Списание за строителство и архитектура 9: 188-192. De Almeida A, JA Ruiz, NI López и MJ Pettinari (2004). Биопластика: екологична алтернатива. Жива химия, 3 (3): 122-133.
3. El-Kadi S (2010). Биопластично производство от евтини източници. ISBN 9783639263725; VDM Verlag Publishing Dr. Müller, Берлин, Германия. 145 стр.
4. Labeaga-Viteri A (2018). Биоразградими полимери. Значение и потенциални приложения. Национален университет за дистанционно образование. Факултет на науките, Катедра по неорганична химия и химическо инженерство. Магистърска степен по химически науки и технологии. 50 стр.
5. Ruiz-Hitzky E, FM Fernandes, MM Reddy, S Vivekanandhan, M Misra, SK Bhatia и AK Mohanty (2013). Биологична пластмаса и бионанокомпозити: настоящо състояние и бъдещи възможности. Прог. Полим. Научен 38: 1653-1689.
6. Satish K (2017). Биопластика - класификация, производство и техните потенциални приложения в храните. Journal of Hill Agriculture 8: 118-129.