BIOPLASTY: AKO SA VYRÁBAJÚ, DRUHY, VÝHODY, NEVÝHODY - PROSTREDIE - 2026

Tieto bioplasty sú akékoľvek tvárny materiál na báze polymérov petrochemického pôvodu alebo biomasy, ktoré sú biologicky odbúrateľné. Podobne ako tradičné plasty syntetizované z ropy, môžu byť formované do rôznych predmetov.

V závislosti od ich pôvodu môžu byť bioplasty získané z biomasy (biobased) alebo môžu byť petrochemického pôvodu. Na druhej strane existujú biologicky odbúrateľné a nebiodegradovateľné bioplasty, v závislosti od úrovne ich rozkladu.

Príbory vyrobené z biologicky odbúrateľného škrobového polyesteru. Zdroj: Scott Bauer

Nárast bioplastov vzniká v reakcii na nepríjemnosti spôsobené konvenčnými plastmi. Patria sem hromadenie biologicky neodbúrateľných plastov v oceánoch a na skládkach.

Na druhej strane konvenčné plasty majú vysokú uhlíkovú stopu a vysoký obsah toxických prvkov. Naopak, bioplasty majú niekoľko výhod, pretože nevytvárajú toxické prvky a sú všeobecne biologicky odbúrateľné a recyklovateľné.

Medzi hlavné nevýhody bioplastov patria ich vysoké výrobné náklady a nižšia odolnosť. Okrem toho niektoré použité suroviny sú potenciálne potraviny, čo predstavuje hospodársky a etický problém.

Príkladmi bioplastov sú biologicky odbúrateľné vaky, ako aj časti vozidiel a mobilných telefónov.

Vlastnosti bioplastov

Ekonomický a environmentálny význam bioplastov

Rôzne utilitárne objekty vyrobené z bioplastov. Zdroj: Hwaja Götz, prostredníctvom Wikimedia Commons

V poslednej dobe sa zvyšuje vedecký a priemyselný záujem o výrobu plastov z obnoviteľných surovín, ktoré sú biologicky odbúrateľné.

Dôvodom je skutočnosť, že svetové zásoby ropy sa vyčerpávajú a existuje väčšie povedomie o závažných environmentálnych škodách spôsobených petroplastami.

S rastúcim dopytom po plastoch na svetovom trhu stúpa aj dopyt po biologicky odbúrateľných plastoch.

biologická rozložiteľnosť

S biologicky rozložiteľným bioplastovým odpadom sa dá zaobchádzať ako s organickým, rýchlo sa rozkladajúcim a neznečisťujúcim odpadom. Napríklad sa môžu použiť ako doplnok pôdy pri kompostovaní, pretože sa prirodzene recyklujú biologickými procesmi.

Bioplasty s nespočetným komerčným využitím. Zdroj: F. Kesselring, FKuR Willich, prostredníctvom Wikimedia Commons

Obmedzenia bioplastov

Výroba biodegradovateľných bioplastov čelí veľkým výzvam, pretože bioplasty majú nižšie vlastnosti ako petroplasty a ich použitie, hoci rastie, je obmedzené.

Zlepšenie vlastností bioplastov

Na zlepšenie vlastností bioplastov sa vyvíjajú zmesi biopolymérov s rôznymi druhmi prísad, ako sú uhlíkové nanorúrky a chemicky modifikované prírodné vlákna.

Prísady aplikované na bioplasty všeobecne zlepšujú vlastnosti ako:

• Pevnosť a mechanická odolnosť.
• Bariérové ​​vlastnosti proti plynom a vode.
• Tepelná odolnosť a termostabilita.

Tieto vlastnosti môžu byť upravené do bioplastov chemickými metódami prípravy a spracovania.

Ako sa vyrábajú bioplasty?

Bioplast na balenie z termoplastického škrobu. Zdroj: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

-Stručná história

Bioplasty predchádzajú syntetickým plastom odvodeným od ropy. Použitie polymérov rastlinných alebo živočíšnych látok na výrobu plastov sa datuje do 18. storočia s použitím prírodného kaučuku (latex z Hevea brasiliensis).

Prvý bioplast, hoci nebol tomuto názvu pridelený, bol vyvinutý v roku 1869 John Wesley Hyatt Jr., ktorý ako náhradu za slonovinu vyrábal plast odvodený z bavlny. Koncom 19. storočia sa na výrobu bioplastov použil kazeín z mlieka.

V 40. rokoch 20. storočia spoločnosť Ford preskúmala alternatívy použitia rastlinných surovín na výrobu dielov pre svoje autá. Táto línia výskumu bola vyvolaná obmedzeniami vo využívaní ocele vojnou.

V dôsledku toho spoločnosť vyvinula v roku 1941 model automobilu s karosériou vyrobenou prevažne zo sójových derivátov. Po skončení vojny však táto iniciatíva nepokračovala.

V roku 1947 bol vyrobený prvý technický bioplast, Polyamid 11 (Rilsan ako ochranná známka). Neskôr, v 90. rokoch, sa objavili PLA (polylaktová kyselina), PHA (polyhydroxyalkanoáty) a plastifikované škroby.

-Surový materiál

Bioplasty na báze biomasy sú tie, ktoré sa vyrábajú z rastlinnej biomasy. Tri základné zdroje surovín pre biobas sú nasledujúce.

Prírodné polyméry biomasy

Môžu sa použiť prírodné polyméry vyrobené priamo rastlinami, ako je škrob alebo cukry. Napríklad „Zemiakový plast“ je biodegradovateľná bioplast vyrobená zo zemiakového škrobu.

Polyméry syntetizované z monomérov biomasy

Druhou alternatívou je syntetizovať polyméry z monomérov extrahovaných z rastlinných alebo živočíšnych zdrojov. Rozdiel medzi touto cestou a predchádzajúcim je v tom, že je tu potrebná medziproduktová chemická syntéza.

Napríklad Bio-PE alebo zelený polyetylén sa vyrába z etanolu získaného z cukrovej trstiny.

Bioplasty sa môžu vyrábať aj zo živočíšnych zdrojov, ako sú glykozaminoglykány (GAG), čo sú bielkoviny vaječnej škrupiny. Výhodou tohto proteínu je to, že umožňuje získať odolnejšie bioplasty.

Biotechnológia založená na bakteriálnych kultúrach

Ďalším spôsobom výroby polymérov pre bioplasty je biotechnológia prostredníctvom bakteriálnych kultúr. V tomto zmysle mnohé baktérie syntetizujú a skladujú polyméry, ktoré sa dajú extrahovať a spracovať.

Za týmto účelom sa baktérie masívne kultivujú vo vhodnom kultivačnom médiu a potom sa spracujú na vyčistenie špecifického polyméru. Napríklad PHA (polyhydroxyalkanoáty) sa syntetizuje rôznymi bakteriálnymi rodmi rastúcimi v médiu s prebytkom uhlíka a bez dusíka alebo fosforu.

Baktérie skladujú polymér vo forme granúl v cytoplazme, ktoré sa extrahujú spracovaním bakteriálnych hmôt. Ďalším príkladom je PHBV (PolyhydroxyButylValerate), ktorý sa získava z baktérií kŕmených cukrom získaným z rastlinných zvyškov.

Najväčším obmedzením bioplastov získaných týmto spôsobom sú výrobné náklady, hlavne kvôli potrebným kultivačným médiám.

Kombinácia prírodného polyméru a biotechnologického polyméru

Univerzita v Ohiu vyvinula pomerne silný bioplast kombináciou prírodného kaučuku s bioplastickým PHBV, organickým peroxidom a trimetylolpropántriacrylátom (TMPTA).

-Proces produkcie

Bioplasty sa získavajú rôznymi spôsobmi v závislosti od suroviny a požadovaných vlastností. Bioplasty sa dajú získať elementárnymi procesmi alebo komplexnejšími priemyselnými procesmi.

Základný proces

Môže sa to urobiť varením a formovaním v prípade použitia prírodných polymérov, ako je škrob alebo kukuričný alebo zemiakový škrob.

Základným receptom na výrobu bioplastu je teda zmiešať kukuričný škrob alebo zemiakový škrob s vodou a pridať glycerín. Následne sa táto zmes varí, kým nezhustne, tvaruje sa a nechá sa uschnúť.

Procesy strednej zložitosti

V prípade bioplastov vyrobených z polymérov syntetizovaných z monomérov biomasy sú procesy o niečo zložitejšie.

Napríklad Bio-PE získaný z etanolu z cukrovej trstiny vyžaduje rad krokov. Prvá vec je extrahovať cukor z cukrovej trstiny, aby sa získal fermentáciou a destiláciou etanol.

Potom sa etanol dehydratuje a získa sa etylén, ktorý musí byť polymerizovaný. Nakoniec sa pomocou strojov na tvarovanie za tepla vyrábajú predmety na základe tohto bioplastu.

Zložitejšie a nákladnejšie procesy

Pri odkaze na bioplasty vyrobené z polymérov získaných biotechnológiou sa zvyšuje zložitosť a náklady. Je to preto, že sú zapojené bakteriálne kultúry, ktoré si vyžadujú špecifické kultivačné médiá a podmienky rastu.

Tento proces je založený na skutočnosti, že určité baktérie produkujú prírodné polyméry, ktoré sú schopné skladovať vo vnútri. Preto sa tieto mikroorganizmy, počínajúc príslušnými výživovými prvkami, pestujú a spracúvajú na extrahovanie polymérov.

Bioplasty sa môžu vyrábať aj z niektorých rias, napríklad z Botryococcus braunii. Táto mikrorias je schopná produkovať a dokonca vylučovať uhľovodíky do prostredia, z ktorého sa získavajú palivá alebo bioplasty.

-Výroba výrobkov na báze bioplastov

Základným princípom je formovanie predmetu vďaka plastickým vlastnostiam tejto zlúčeniny pomocou tlaku a tepla. Spracovanie sa vykonáva vytláčaním, vstrekovaním, vstrekovaním a vyfukovaním, vyfukovaním predlisku a tvarovaním za tepla a nakoniec sa podrobí ochladeniu.

druhy

Balenie vyrobené z acetátu celulózy. Zdroj: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

Prístupy k klasifikácii bioplastov sú rozmanité a nie sú bez kontroverzie. V každom prípade sú kritériami použitými na definovanie rôznych druhov pôvod a úroveň rozkladu.

-Origin

Podľa zovšeobecneného prístupu možno bioplasty klasifikovať podľa ich pôvodu ako biobasované alebo nebiobázické. V prvom prípade sa polyméry získavajú z rastlinnej, živočíšnej alebo bakteriálnej biomasy, a preto sú obnoviteľnými zdrojmi.

Na druhej strane bioplasty bez biologického pôvodu sú bioplasty vyrobené z polymérov syntetizovaných z oleja. Keďže však pochádzajú z neobnoviteľných zdrojov, niektorí odborníci sa domnievajú, že by sa s nimi nemalo zaobchádzať ako s bioplastami.

- Úroveň rozkladu

Pokiaľ ide o úroveň rozkladu, bioplasty môžu byť biologicky odbúrateľné alebo nie. Biodegradovateľné sa pri vhodných podmienkach rozkladajú v relatívne krátkom časovom období (dni až niekoľko mesiacov).

Biologicky nerozložiteľné bioplasty sa chovajú ako konvenčné plasty petrochemického pôvodu. V tomto prípade sa doba rozpadu meria v desaťročiach a dokonca aj v storočiach.

V súvislosti s týmto kritériom je tiež spor, pretože niektorí vedci sa domnievajú, že skutočný bioplast musí byť biologicky odbúrateľný.

-Origín a biodegradácia

Ak sa obidve predchádzajúce kritériá kombinujú (pôvod a úroveň rozkladu), bioplasty možno rozdeliť do troch skupín:

1. Pochádza z obnoviteľných surovín (na biologickom základe) a biologicky odbúrateľných.
2. Suroviny získané z obnoviteľných surovín (na biologickom základe), ale nie sú biologicky odbúrateľné.
3. Získané zo surovín petrochemického pôvodu, ktoré sú však biologicky odbúrateľné.

Je dôležité poznamenať, že na to, aby sa polymér považoval za bioplast, musí vstúpiť do jednej z týchto troch kombinácií.

Biologického, biologicky rozložiteľný

Medzi biologicky založené a biodegradovateľné bioplasty patrí kyselina polymliečna (PLA) a polyhydroxyalkanoát (PHA). PLA je jedným z najpoužívanejších bioplastov a získava sa hlavne z kukurice.

Tento bioplast má vlastnosti podobné polyetyléntereftalátu (PET, konvenčný plast typu polyester), hoci je menej odolný voči vysokým teplotám.

PHA má premenlivé vlastnosti v závislosti od konkrétneho polyméru, ktorý ho tvorí. Získava sa z rastlinných buniek alebo biotechnológiou z bakteriálnych kultúr.

Tieto bioplasty sú veľmi citlivé na podmienky spracovania a ich cena je až desaťkrát vyššia ako pri bežných plastoch.

Ďalším príkladom tejto kategórie je PHBV (PolyhydroxyButylValerate), ktorý sa získava z rastlinných zvyškov.

Biologického, biologicky nerozložiteľné

V tejto skupine máme bio-polyetylén (BIO-PE), ktorý má podobné vlastnosti ako konvenčný polyetylén. Bio-PET má vlastnosti podobné polyetyléntereftalátu.

Obidve bioplasty sa bežne vyrábajú z cukrovej trstiny a získavajú bioetanol ako medziprodukt.

Do tejto kategórie patrí aj biopolyamid (PA), ktorý je recyklovateľný bioplast s vynikajúcimi tepelnoizolačnými vlastnosťami.

Non-biologického, biologicky rozložiteľný

Biologická odbúrateľnosť súvisí s chemickou štruktúrou polyméru a nie s typom použitej suroviny. Biologicky odbúrateľné plasty sa preto dajú získať z ropy pri správnom spracovaní.

Príkladom tohto typu bioplastov sú polykaprolaktóny (PCL), ktoré sa používajú pri výrobe polyuretánov. Je to bioplast získaný z ropných derivátov, ako je polybutylénsukcinát (PBS).

výhoda

Obal na cukrovinky vyrobený z PLA (kyselina polymliečna). Zdroj: F. Kesselring, FKuR Willich

Sú biologicky odbúrateľné

Aj keď nie všetky bioplasty sú biologicky odbúrateľné, pravdou je, že pre mnoho ľudí je to ich základná charakteristika. Hľadanie tejto nehnuteľnosti je v skutočnosti jedným zo základných motorov rozmachu bioplastov.

Konvenčné plasty na báze ropy a biologicky neodbúrateľné plasty trvajú rozpadom stovky až tisíce rokov. Táto situácia predstavuje vážny problém, pretože skládky a oceány sa plnia plastmi.

Z tohto dôvodu je biologická odbúrateľnosť veľmi významnou výhodou, pretože tieto materiály sa môžu rozkladať v týždňoch, mesiacoch alebo niekoľkých rokoch.

Neznečisťujú životné prostredie

Pretože sú to biodegradovateľné materiály, bioplasty prestávajú zaberať priestor ako odpadky. Okrem toho majú ďalšiu výhodu, že vo väčšine prípadov neobsahujú toxické prvky, ktoré sa môžu uvoľňovať do životného prostredia.

Majú nižšiu uhlíkovú stopu

V procese výroby bioplastov, rovnako ako pri ich rozklade, sa uvoľňuje menej CO2 ako v prípade bežných plastov. V mnohých prípadoch neuvoľňujú metán alebo to v malom množstve, a preto majú malý vplyv na skleníkový efekt.

Napríklad bioplasty vyrobené z etanolu z cukrovej trstiny znižujú emisie CO2 až o 75% v porovnaní s palivami získanými z ropy.

Bezpečnejšie na prepravu potravín a nápojov

Vo všeobecnosti sa pri spracovaní a zložení bioplastov nepoužívajú žiadne toxické látky. Predstavujú preto menšie riziko kontaminácie potravín alebo nápojov v nich obsiahnutých.

Na rozdiel od konvenčných plastov, ktoré dokážu produkovať dioxíny a ďalšie znečisťujúce zložky, bioplasty na biologickom základe sú neškodné.

nevýhody

Nevýhody sa týkajú hlavne typu použitého bioplastu. Medzi inými máme nasledujúce.

Menší odpor

Jedným obmedzením, ktoré väčšina bioplastov v porovnaní s konvenčnými plastmi je, je ich nízka odolnosť. Táto vlastnosť je však spojená s jej schopnosťou biodegradácie.

Vyššie náklady

V niektorých prípadoch sú suroviny používané na výrobu bioplastov drahšie ako suroviny z ropy.

Na druhej strane, výroba niektorých bioplastov znamená vyššie náklady na spracovanie. Tieto výrobné náklady sú najmä vyššie v nákladoch vyrobených biotechnologickými procesmi vrátane hromadného pestovania baktérií.

Konflikt použitia

Bioplasty vyrobené z potravinových surovín súťažia s ľudskými potrebami. Preto, pretože je výhodnejšie venovať pestovanie plodín na výrobu bioplastov, tieto sa odstraňujú z okruhu výroby potravín.

Táto nevýhoda sa však nevzťahuje na tie bioplasty získané z nejedlého odpadu. Medzi týmito odpadmi sú zvyšky plodín, nejedlé riasy, lignín, škrupiny vajec alebo morské exoskeletóny.

Nie je ľahké ich recyklovať

PLA bioplast je veľmi podobný konvenčnému plastu PET (polyetyléntereftalát), ale nie je recyklovateľný. Preto, ak sa oba druhy plastov zmiešajú v recyklačnej nádobe, tento obsah sa nemôže recyklovať.

V tejto súvislosti existujú obavy, že zvyšujúce sa používanie PLA by mohlo brániť existujúcemu úsiliu o recykláciu plastov.

Príklady a ich použitie výrobkov vyrobených z bioplastov

Nádoba na víno vyrobená z bioplastu z poľnohospodárskeho odpadu a mycélia. Zdroj: Mycobond

- jednorazové alebo jednorazové predmety

Položky, ktoré produkujú najviac odpadu, sú kontajnery, obaly, taniere a príbory spojené s rýchlym občerstvením a nákupnými taškami. Preto v tejto oblasti hrajú dôležitú úlohu biodegradovateľné bioplasty.

Z tohto dôvodu boli vyvinuté rôzne výrobky na báze bioplastov, ktoré majú vplyv na zníženie tvorby odpadu. Okrem iného máme biologicky odbúrateľný vak vyrobený s Ecovio z BASF alebo plastovú fľašu vyrobenú z PLA získanú z kukurice spoločnosťou Safiplast v Španielsku.

Vodné kapsuly

Spoločnosť Ooho vytvorila namiesto tradičných fliaš biologicky odbúrateľné kapsuly z morských rias s vodou. Tento návrh bol veľmi inovatívny a úspešný a už bol testovaný v londýnskom maratóne.

poľnohospodárstva

U niektorých plodín, ako sú jahody, je bežnou praxou zakryť pôdu plastovou fóliou, aby sa zabránilo burine a zabránilo zamrznutiu. V tomto zmysle boli vyvinuté bioplastové výplne, napríklad Agrobiofilm, ktoré nahrádzajú bežné plasty.

-Objekty pre trvalé aplikácie

Použitie bioplastov nie je obmedzené na predmety použitia a zneškodnenia, ale môže sa použiť na predmety odolnejšie voči životnému prostrediu. Napríklad spoločnosť Zoë b Organic vyrába plážové hračky.

Komplexné komponenty vybavenia

Toyota používa bioplasty v niektorých častiach automobilov, ako sú komponenty do klimatizačných zariadení a ovládacích panelov. Na tento účel používa bioplasty ako Bio-PET a PLA.

Fujitsu používa bioplasty na výrobu počítačových myší a klávesových častí. V prípade spoločnosti Samsung majú niektoré mobilné telefóny kryty vyrobené prevažne z bioplastov.

- Výstavba a stavebné inžinierstvo

Bioplasty škrobu sa v elektrických inštaláciách používajú ako stavebné materiály a bioplasty vystužené nanovláknami.

Okrem toho sa používajú pri výrobe bioplastického nábytkového dreva, ktoré nie je napadnuté xylofágnym hmyzom a nehnije s vlhkosťou.

- Farmaceutické aplikácie

Boli vyrobené z bioplastických kapsúl obsahujúcich drogy a vehikulá s liekmi, ktoré sa uvoľňujú pomaly. Biologická dostupnosť liečiv je teda časom regulovaná (dávka, ktorú pacient dostáva v danom čase).

- Zdravotnícke aplikácie

Bioplasty celulózy použiteľné v implantátoch, tkanivovom inžinierstve, chitínových a chitosanových bioplastoch sa vyrábajú na ochranu rán, kostné tkanivá a regeneráciu ľudskej kože.

Celulózové bioplasty sa vyrábajú aj pre biosenzory, zmesi s hydroxyapatitom na výrobu zubných implantátov, bioplastické vlákna v katétroch a iné.

- Letecká, námorná a pozemná doprava a priemysel

V priemyselných aj dopravných zariadeniach sa používajú tuhé peny na báze rastlinných olejov (bioplasty); automobilové a letecké súčiastky.

Elektronické komponenty mobilných telefónov, počítačov, zvukových a obrazových zariadení sa vyrábajú aj z bioplastov.

-Farming

Bioplastické hydrogély, ktoré absorbujú a zadržiavajú vodu a môžu ju pomaly uvoľňovať, sú užitočné ako ochranné prikrývky pre kultivovanú pôdu, udržiavajúce vlhkosť a podporujúce rast poľnohospodárskych plantáží v suchých oblastiach a v období dažďov.

Referencie

1. Álvarez da Silva L (2016). Bioplasty: získavanie a aplikácia polyhydroxyalkanoátov. Farmaceutická fakulta, Univerzita v Seville. Titul v odbore farmácia. 36 str.
2. Bezirhan-Arikan E a H. Duygu-Ozsoy (2015). Prehľad: Vyšetrovanie bioplastov. Journal of Civil Engineering and Architecture 9: 188-192. De Almeida A, JA Ruiz, NI López a MJ Pettinari (2004). Bioplasty: ekologická alternatíva. Living Chemistry, 3 (3): 122-133.
3. El-Kadi S (2010). Bioplastová výroba z lacných zdrojov. ISBN 9783639263725; Müller Publishing, Berlín, Nemecko. 145 s.
4. Labeaga-Viteri A (2018). Biodegradovateľné polyméry. Dôležitosť a potenciálne aplikácie. Národná univerzita dištančného vzdelávania. Prírodovedecká fakulta, Katedra anorganickej chémie a chemického inžinierstva. Magisterský titul v odbore chemické vedy a technológie. 50 str.
5. Ruiz-Hitzky E., FM Fernandes, MM Reddy, S. Vivekanandhan, M. Misra, SK Bhatia a AK Mohanty (2013). Plasty a bionanokompozity na biologickom základe: Aktuálny stav a budúce príležitosti. Prog. Polym. Sci. 38: 1653-1689.
6. Satish K (2017). Bioplasty - klasifikácia, výroba a ich potenciálne potravinové aplikácie. Journal of Hill Agriculture 8: 118-129.