Bioplastics hvordan de produceres, typer, fordele, ulemper

4928
Abraham McLaughlin

Det bioplast De er ethvert formbart materiale baseret på polymerer af petrokemisk eller biomasse oprindelse, der er biologisk nedbrydelige. Svarende til traditionel plast, der er syntetiseret fra olie, kan disse støbes til at producere forskellige genstande.

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

Bestik lavet af biologisk nedbrydeligt stivelsespolyester. Kilde: Scott Bauer [Public domain]

Stigningen af ​​bioplast opstår som et svar på de gener, der opstår ved konventionel plast. Disse inkluderer ophobning af ikke-biologisk nedbrydeligt plast i havene og lossepladser..

På den anden side har konventionel plast et højt CO2-fodaftryk og et højt indhold af giftige elementer. På den anden side har bioplast flere fordele, da de ikke producerer toksiske grundstoffer og generelt er biologisk nedbrydelige og genanvendelige..

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

Nogle eksempler på bioplastgenstande er bionedbrydelige poser såvel som køretøjsdele og mobiltelefoner..

Artikelindeks

  • 1 Karakteristika for bioplast
    • 1.1 Økonomisk og miljømæssig betydning af bioplast
    • 1.2 Biologisk nedbrydelighed
    • 1.3 Begrænsninger af bioplast
    • 1.4 Forbedring af bioplastics egenskaber
  • 2 Hvordan produceres bioplast?
    • 2.1 -Korthistorie
    • 2.2 -Råmateriale
    • 2.3 -Produktionsproces
    • 2.4 -Fremstilling af produkter baseret på bioplast
  • 3 typer
    • 3.1 -Origin
    • 3.2-nedbrydningsniveau
    • 3.3 -Origin og biologisk nedbrydning
    • 3.4 -Ikke-biobaseret-biologisk nedbrydeligt
  • 4 Fordele
    • 4.1 De er biologisk nedbrydelige
    • 4.2 De forurener ikke miljøet
    • 4.3 De har et lavere CO2-fodaftryk
    • 4.4 Sikrere at transportere mad og drikkevarer
  • 5 Ulemper
    • 5.1 Mindre modstand
    • 5.2 Højere omkostninger
    • 5.3 Brugskonflikt
    • 5.4 De er ikke lette at genbruge
  • 6 Eksempler og deres anvendelse af produkter fremstillet med bioplast
    • 6.1 -Engangsgenstande eller engangsgenstande
    • 6.2 -Objekter til holdbare applikationer
    • 6.3 -Byggeri og anlæg
    • 6.4 -Farmaceutiske applikationer
    • 6.5 -Medicinske applikationer
    • 6.6 - Luft-, sø- og landtransport og industri
    • 6.7 -Landbrug
  • 7 Referencer

Karakteristika for bioplast

Økonomisk og miljømæssig betydning af bioplast

Forskellige utilitaristiske objekter lavet med bioplast. Kilde: Hwaja Götz [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

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

Dette skyldes, at verdens oliereserver er ved at blive opbrugt, og der er større opmærksomhed om de alvorlige miljøskader forårsaget af petroplast..

Med en voksende efterspørgsel efter plast på verdensmarkedet øges efterspørgslen efter biologisk nedbrydelig plast.

Biologisk nedbrydelighed

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

Bioplast med utallige kommercielle anvendelser. Kilde: F. Kesselring, FKuR Willich [CC BY-SA 3.0 de (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/deed.en)], via Wikimedia Commons

Begrænsninger af bioplast

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

Forbedring af egenskaberne ved bioplast

For at forbedre bioplastikens egenskaber udvikles blandinger af biopolymerer med forskellige typer additiver, såsom kulstofnanorør og naturlige fibre modificeret ved kemiske processer..

Generelt forbedrer additiver anvendt til bioplast egenskaber såsom:

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

Disse egenskaber kan konstrueres i bioplasten gennem kemisk forberedelse og behandlingsmetoder..

Hvordan produceres bioplast?

Bioplast til emballage af termoplastisk stivelse. Kilde: Christian Gahle, nova-Institut GmbH [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

-Kort historie

Bioplast er forud for konventionel olieafledt syntetisk plast. Anvendelsen af ​​polymerer af plante- eller dyremateriale til fremstilling af plastmateriale dateres tilbage til det 18. århundrede med brugen af ​​naturgummi (latex fra Hevea brasiliensis).

Den første bioplast, selvom den ikke fik navnet, blev udviklet i 1869 af John Wesley Hyatt Jr., der producerede en plast, der stammer fra bomuldscellulose som erstatning for elfenben. I slutningen af ​​det 19. århundrede blev kasein fra mælk ligeledes brugt til produktion af bioplast..

I 1940'erne undersøgte Ford-virksomheden alternativer til brug af vegetabilske råvarer til at fremstille dele til sine biler. Denne forskningslinje blev drevet af restriktioner for brugen af ​​stål under krigen.

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

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

-Råmateriale

Biobaseret bioplast er dem, der er fremstillet af plantebiomasse. De tre grundlæggende kilder til råmateriale til biobaseret er følgende.

Naturlige polymerer af biomasse

Du kan bruge naturlige polymerer direkte fremstillet af planter, såsom stivelse eller sukker. For eksempel er "Kartoffelplastik" en biologisk nedbrydelig bioplast fremstillet af kartoffelstivelse..

Polymerer syntetiseret fra biomassemonomerer

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

For eksempel produceres Bio-PE eller grøn polyethylen af ​​ethanol opnået fra sukkerrør..

Bioplast kan også produceres fra animalske kilder såsom glycosaminoglycaner (GAG'er), som er æggeskalproteiner. Fordelen ved dette protein er, at det gør det muligt at opnå mere resistent bioplast.

Bioteknologi baseret på bakteriekulturer

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

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

Bakterierne opbevarer polymeren i form af granuler i cytoplasmaet, som ekstraheres ved at behandle bakteriemasserne. Et andet eksempel er PHBV (PolyhydroxyButylValerate), der opnås fra bakterier, der fodres med sukker, der er opnået fra planterester..

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

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

Bioplaster 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 gøres ved kogning og støbning i tilfælde af anvendelse af naturlige polymerer, såsom stivelse eller majs eller kartoffelstivelse.

En elementær 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..

Processer med middel kompleksitet

I tilfælde af bioplaster fremstillet med polymerer syntetiseret fra biomassemonomerer er processerne noget mere komplekse.

For eksempel kræver Bio-PE opnået fra sukkerrørethanol en række trin. Den første ting er at udvinde sukkeret fra sukkerrøret for at opnå ethanol gennem gæring og destillation..

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

Komplekse og dyrere processer

Når der henvises til bioplast fremstillet af polymerer opnået ved bioteknologi, stiger kompleksitet og omkostninger. Dette skyldes, at der er involveret bakteriekulturer, der kræver specifikke dyrkningsmedier og vækstbetingelser..

Denne proces er baseret på det faktum, at visse bakterier producerer naturlige polymerer, som de er i stand til at opbevare inde. Derfor starter disse mikroorganismer med udgangspunkt i de passende ernæringselementer og behandles for at ekstrahere polymererne..

Bioplast kan også fremstilles af nogle alger som f.eks Botryococcus braunii. Denne mikroalger er i stand til at producere og endda udskille kulbrinter i miljøet, hvorfra brændstoffer eller bioplaster opnås..

-Fremstilling af produkter baseret på bioplast

Grundprincippet er støbning af objektet takket være de sammensatte plastiske egenskaber ved brug af tryk og varme. Behandlingen udføres ved ekstrudering, injektion, injektion og blæsning, præformblæsning og termoformning, og til sidst udsættes den for afkøling.

Typer

Emballage lavet af celluloseacetat. Kilde: Christian Gahle, nova-Institut GmbH [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

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

-Kilde

Ifølge en generaliseret tilgang 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 produceres med polymerer syntetiseret fra råolie. Men da de kommer fra en ikke-vedvarende ressource, mener nogle specialister, at de ikke skal behandles som bioplast.

-Nedbrydningsniveau

Med hensyn til dekomponeringsniveauet kan bioplast være biologisk nedbrydeligt eller ej. De biologisk nedbrydelige nedbrydes i relativt korte tidsrum (dage til et par måneder), når de udsættes for egnede forhold.

Ikke-biologisk nedbrydeligt bioplast opfører sig som konventionel plast af petrokemisk oprindelse. I dette tilfælde måles nedbrydningsperioden i årtier og endda århundreder..

Der er også kontroverser vedrørende dette kriterium, da nogle forskere mener, at en ægte bioplast skal være biologisk nedbrydeligt..

-Oprindelse og biologisk nedbrydning

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

  1. Fra vedvarende råmaterialer (biobaseret) og biologisk nedbrydeligt.
  2. Disse fremstillet af vedvarende råmaterialer (biobaseret), men er ikke biologisk nedbrydelige.
  3. Hentet fra råmaterialer af petrokemisk oprindelse, men som er biologisk nedbrydelige.

Det er vigtigt at bemærke, at for at betragte en polymer som bioplastisk, skal den komme ind i en af ​​disse tre kombinationer.

Biobaseret-biologisk nedbrydeligt

Blandt de biobaserede og biologisk nedbrydelige bioplaster har vi polymælkesyre (PLA) og polyhydroxyalkanoat (PHA). PLA er et af de mest anvendte bioplaster og fås hovedsageligt af majs.

Denne bioplast har lignende egenskaber som polyethylenterephthalat (PET, konventionel polyester-plast), skønt den er mindre modstandsdygtig over for høje temperaturer.

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

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

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

Biobaseret-ikke-biologisk nedbrydeligt

I denne gruppe har vi biopolyethylen (BIO-PE) med egenskaber svarende til de af konventionel polyethylen. På sin side har Bio-PET egenskaber svarende til polyethylenterephthalat.

Begge bioplaster fremstilles almindeligvis af sukkerrør og opnår bioethanol som et mellemprodukt..

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

-Ikke-biobaseret-biologisk nedbrydeligt

Bionedbrydelighed har at gøre med den kemiske struktur af polymeren og ikke med den anvendte type råmateriale. Derfor kan biologisk nedbrydeligt plast fås fra råolie med korrekt behandling..

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

Fordel

Slikindpakning lavet af PLA (polymælkesyre). Kilde: F. Kesselring, FKuR Willich [CC BY-SA 3.0 de (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/deed.en)]

De er biologisk nedbrydelige

Selvom ikke alle bioplaster er biologisk nedbrydelige, er sandheden, at for mange mennesker er dette deres grundlæggende egenskab. Faktisk er søgningen efter denne ejendom en af ​​de grundlæggende motorer i bommen af ​​bioplast.

Konventionel oliebaseret og ikke-biologisk nedbrydelig plast tager hundreder og endda tusinder af år at nedbryde. Denne situation er et alvorligt problem, da lossepladser og oceaner fyldes med plast..

Af denne grund er biologisk nedbrydelighed en meget relevant fordel, da disse materialer kan nedbrydes i uger, måneder eller et par år..

De forurener ikke miljøet

Fordi de er biologisk nedbrydelige materialer, holder bioplaster op med at optage plads som affald. Derudover har de den yderligere fordel, at de i de fleste tilfælde ikke indeholder giftige elementer, der kan frigives i miljøet..

De har et lavere CO2-fodaftryk

Både i produktionsprocessen for bioplast frigøres mindre CO2 som ved deres nedbrydning 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 fra ethanol fra sukkerrør CO2-udledningen med op til 75% sammenlignet med petroleumderivater.

Sikrere at bære mad og drikke

Generelt anvendes giftige stoffer ikke til produktion og sammensætning af bioplast. Derfor udgør de mindre risiko for kontaminering af fødevarer eller drikkevarer indeholdt i dem..

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

Ulemper

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

Mindre modstand

En begrænsning, som de fleste bioplaster har sammenlignet med konventionel plast, er deres lavere modstand. Imidlertid er denne egenskab forbundet med dens evne til at nedbrydes biologisk..

Højere omkostninger

I nogle tilfælde er råmaterialerne, der anvendes til produktion af bioplast, dyrere end råolie.

På den anden side indebærer produktionen af ​​nogle bioplaster højere forarbejdningsomkostninger. Især er disse produktionsomkostninger højere end dem, der produceres gennem bioteknologiske processer, herunder massedyrkning af bakterier..

Brugskonflikt

Bioplast fremstillet af fødevareråvarer konkurrerer med menneskelige behov. Da det er mere rentabelt at afsætte afgrøder til produktion af bioplast, trækkes disse derfor tilbage fra fødevareproduktionskredsen.

Denne ulempe gælder dog ikke for de bioplaster, der er fremstillet af uspiseligt affald. Blandt dette affald har vi afgrøderester, uspiselige alger, lignin, ægskaller eller hummereksoskeletter..

De er ikke lette at genbruge

PLA bioplast svarer meget til konventionel PET (polyethylenterephthalat) plast, men den kan ikke genbruges. Derfor, hvis begge plasttyper blandes i en genbrugsbeholder, kan dette indhold ikke genbruges..

I denne henseende frygter man, at den stigende anvendelse af PLA kan hæmme den nuværende indsats for at genbruge plast..

Eksempler og deres anvendelse af produkter fremstillet med bioplast

Vinbeholder fremstillet med bioplast fra landbrugsaffald og mycelier. Kilde: Mycobond [CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)]

-Engangsgenstande eller engangsgenstande

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

Af denne grund er forskellige produkter baseret på bioplast udviklet for at påvirke reduktionen af ​​affaldsproduktion. Blandt andet har vi den biologisk nedbrydelige pose lavet med BASF's Ecovio eller plastflasken lavet af PLA fremstillet af majs fra Safiplast i Spanien..

Vandkapsler

Ooho-firmaet skabte biologisk nedbrydelige kapsler af tang med vand i stedet for de traditionelle flasker. Dette forslag har været meget innovativt og vellykket og er allerede blevet testet i London maraton.

landbrug

I nogle afgrøder såsom jordbær er en almindelig praksis at dække jorden med et plastark for at kontrollere ukrudt og forhindre frysning. I denne forstand er bioplastisk polstring som Agrobiofilm blevet udviklet til at erstatte konventionel plast.

-Objekter til holdbare applikationer

Anvendelsen af ​​bioplast er ikke begrænset til genstande til brug og bortskaffelse, men kan bruges i mere holdbare genstande. For eksempel producerer Zoë b Organics firma strandlegetøj.

Komponenter til komplekst udstyr

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

For sin del bruger Fujitsu bioplast til at fremstille computermus og tastaturdele. I tilfældet med Samsung-firmaet har nogle mobiltelefoner huse, der stort set er fremstillet af bioplast.

-Byggeri og anlæg

Stivelsesbioplast er blevet anvendt som byggematerialer og bioplast forstærket med nanofibre i elektriske installationer.

Derudover er de blevet brugt i udarbejdelsen af bioplastisk skov til møbler, der ikke er angrebet af fremmedfjendtlige insekter og ikke rådner med fugt.

-Farmaceutiske applikationer

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

-Medicinske applikationer

Cellulosebioplastik, der kan anvendes i implantater, vævsteknik, chitin og chitosan-bioplast, er fremstillet til sårbeskyttelse, knoglevævsudvikling og hudregenerering.

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

-Luft-, sø- og landtransport og industri

Stive skum baseret på vegetabilske olier (bioplast) er blevet anvendt, både i industri- og transportudstyr; bildele og rumfartsdele.

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

-landbrug

Bioplastiske hydrogeler, som absorberer og tilbageholder vand og kan frigive det langsomt, er nyttige som beskyttelsesdæksler til den dyrkede jord, opretholder dens fugtighed og favoriserer væksten af ​​landbrugsplantager i tørre regioner og i lave regntider..

Referencer

  1. Álvarez da Silva L (2016). Bioplast: opnåelse og anvendelse af polyhydroxyalkanoater. Farmaceutisk fakultet, Universitetet i Sevilla. Farmaceut grad. 36 s.
  2. Bezirhan-Arikan E og H Duygu-Ozsoy (2015). En gennemgang: Undersøgelse af bioplast. Journal of Civil Engineering and Architecture 9: 188-192. De Almeida A, JA Ruiz, NI López og MJ Pettinari (2004). Bioplast: 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). Biologisk nedbrydelige polymerer. Vigtighed og potentielle applikationer. National University of Distance Education. 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: Nuværende status og fremtidige muligheder. Prog. Polym. Sci. 38: 1653-1689.
  6. Satish K (2017). Bioplast - klassificering, produktion og deres potentielle anvendelser af fødevarer. Journal of Hill Agriculture 8: 118-129.

Endnu ingen kommentarer