BIOPLASTY: JAK JSOU VYRÁBĚNY, DRUHY, VÝHODY, NEVÝHODY - ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ - 2025

Tyto bioplasty jsou jakékoliv tvárný materiál na bázi polymerů petrochemického původu nebo biomasy, které jsou biologicky odbouratelné. Podobně jako u tradičních plastů syntetizovaných z ropy mohou být tyto formovány do různých předmětů.

V závislosti na jejich původu mohou být bioplasty získány z biomasy (biobased) nebo mohou být petrochemického původu. Na druhé straně existují v závislosti na úrovni jejich rozkladu biologicky rozložitelné a biologicky nerozložitelné bioplasty.

Příbory vyrobené z biologicky rozložitelného škrobového polyesteru. Zdroj: Scott Bauer

Vzestup bioplastů vzniká v reakci na nepříjemnosti způsobené konvenčními plasty. Patří sem hromadění biologicky nerozložitelných plastů v oceánech a na skládkách.

Na druhé straně konvenční plasty mají vysokou uhlíkovou stopu a vysoký obsah toxických prvků. Naproti tomu bioplasty mají několik výhod, protože neprodukují toxické prvky a jsou obecně biologicky rozložitelné a recyklovatelné.

Mezi hlavní nevýhody bioplastů patří jejich vysoké výrobní náklady a nižší odolnost. Kromě toho některé použité suroviny jsou potenciální potraviny, což představuje ekonomický a etický problém.

Příkladem bioplastických předmětů jsou biologicky rozložitelné vaky, jakož i části vozidel a mobilních telefonů.

Charakteristika bioplastů

Ekonomický a ekologický význam bioplastů

Různé utilitární předměty vyrobené s bioplasty. Zdroj: Hwaja Götz, přes Wikimedia Commons

V poslední době existuje větší vědecký a průmyslový zájem o výrobu plastů z obnovitelných surovin, které jsou biologicky rozložitelné.

Důvodem je skutečnost, že světové zásoby ropy jsou vyčerpány a existuje větší povědomí o závažných škodách na životním prostředí způsobených petroplasty.

S rostoucí poptávkou po plastech na světovém trhu roste také poptávka po biologicky rozložitelných plastech.

Biologická rozložitelnost

S biologicky rozložitelným bioplastovým odpadem lze nakládat jako s organickým, rychle se rozkládajícím a neznečišťujícím odpadem. Například mohou být použity jako doplněk půdy při kompostování, protože jsou přirozeně recyklovány biologickými procesy.

Bioplasty s nesčetným komerčním využitím. Zdroj: F. Kesselring, FKuR Willich, prostřednictvím Wikimedia Commons

Omezení bioplastů

Výroba biologicky rozložitelných bioplastů čelí velkým výzvám, protože bioplasty mají nižší vlastnosti než petroplasty a jejich použití, i když roste, je omezené.

Zlepšení vlastností bioplastů

Pro zlepšení vlastností bioplastů se vyvíjejí směsi biopolymerů s různými typy přísad, jako jsou uhlíkové nanotrubice a chemicky modifikovaná přírodní vlákna.

Obecně platí, že přísady aplikované na bioplasty zlepšují vlastnosti, jako například:

• Tuhost a mechanická odolnost.
• Bariérové ​​vlastnosti proti plynům a vodě.
• Tepelná odolnost a termostabilita.

Tyto vlastnosti lze do bioplastu proměnit pomocí chemické přípravy a metod zpracování.

Jak se vyrábějí bioplasty?

Bioplast pro balení vyrobené z termoplastického škrobu. Zdroj: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

-Stručná historie

Bioplasty předcházejí konvenčním syntetickým plastům získaným z ropy. Použití polymerů rostlinných nebo živočišných látek k výrobě plastových materiálů sahá až do 18. století s použitím přírodního kaučuku (latex z Hevea brasiliensis).

První bioplast, ačkoliv tomu nebylo pojmenováno, byl vyvinut v roce 1869 John Wesley Hyatt Jr., který jako náhradu slonoviny vyráběl plast odvozený z bavlněné celulózy. Na konci 19. století se kasein z mléka používal také k výrobě bioplastů.

Ve 40. letech 20. století společnost Ford prozkoumala alternativy k použití rostlinných surovin k výrobě dílů pro své automobily. Tato linie výzkumu byla podněcována omezením používání oceli válkou.

V důsledku toho společnost vyvinula v roce 1941 model automobilu s karoserií vyrobenou převážně ze sójových derivátů. Po skončení války však tato iniciativa nepokračovala.

V roce 1947 byl vyroben první technický bioplast, Polyamid 11 (Rilsan jako ochranná známka). Později, v 90. letech, se objevily PLA (polylaktová kyselina), PHA (polyhydroxyalkanoáty) a plastifikované škroby.

-Surovina

Bioplasty na biologické bázi jsou bioplasty, které jsou vyráběny z rostlinné biomasy. Následující tři základní zdroje surovin pro biologické účely jsou následující.

Přírodní polymery biomasy

Mohou být použity přírodní polymery vyrobené přímo rostlinami, jako je škrob nebo cukry. Například „bramborový plast“ je biodegradabilní bioplast vyrobený z bramborového škrobu.

Polymery syntetizované z monomerů biomasy

Druhou alternativou je syntetizovat polymery z monomerů extrahovaných z rostlinných nebo živočišných zdrojů. Rozdíl mezi touto cestou a předchozím je ten, že je zde vyžadována intermediární chemická syntéza.

Například Bio-PE nebo zelený polyethylen se vyrábí z ethanolu získaného z cukrové třtiny.

Bioplastika může být také produkována ze živočišných zdrojů, jako jsou glykosaminoglykany (GAG), což jsou bílkoviny skořápky. Výhodou tohoto proteinu je to, že umožňuje získat odolnější bioplasty.

Biotechnologie založená na bakteriálních kulturách

Dalším způsobem výroby polymerů pro bioplasty je biotechnologie prostřednictvím bakteriálních kultur. V tomto smyslu mnoho bakterií syntetizuje a uchovává polymery, které lze extrahovat a zpracovat.

Za tímto účelem se bakterie masivně kultivují ve vhodném kultivačním médiu a potom se zpracují za účelem čištění specifického polymeru. Například PHA (polyhydroxyalkanoáty) je syntetizován různými bakteriálními rody rostoucími v médiu s přebytkem uhlíku a bez dusíku nebo fosforu.

Baktérie uchovávají polymer ve formě granulí v cytoplazmě, které se extrahují zpracováním bakteriálních hmot. Dalším příkladem je PHBV (PolyhydroxyButylValerate), který se získává z bakterií krmených cukry získanými z rostlinných zbytků.

Největším omezením bioplastů získaných tímto způsobem jsou výrobní náklady, zejména kvůli potřebným kultivačním médiím.

Kombinace přírodního polymeru a biotechnologického polymeru

Univerzita v Ohiu vyvinula poměrně silný bioplast spojením přírodního kaučuku s bioplasty PHBV, organickým peroxidem a trimethylolpropantriacrylátem (TMPTA).

-Produkční proces

Bioplasty se získávají různými procesy, v závislosti na surovině a požadovaných vlastnostech. Bioplasty lze získat elementárními procesy nebo složitějšími průmyslovými procesy.

Základní postup

Může být provedeno vaření a formování v případě použití přírodních polymerů, jako je škrob nebo kukuřičný nebo bramborový škrob.

Základním receptem pro výrobu bioplastu je tedy smíchání kukuřičného škrobu nebo bramborového škrobu s vodou a přidání glycerinu. Následně se tato směs vaří, dokud nezhoustne, zformuje se a nechá se uschnout.

Procesy střední složitosti

V případě bioplastů vyrobených z polymerů syntetizovaných z monomerů biomasy jsou procesy poněkud složitější.

Například Bio-PE získaný z ethanolu cukrové třtiny vyžaduje řadu kroků. První věc je extrahovat cukr z cukrové třtiny, aby se získal ethanol fermentací a destilací.

Potom se ethanol dehydratuje a získá se ethylen, který musí být polymerován. Konečně za použití strojů pro tváření za tepla se na základě tohoto bioplastu vyrábějí předměty.

Složitější a nákladnější procesy

Když se odkazuje na bioplasty vyrobené z polymerů získaných biotechnologií, zvyšuje se složitost a náklady. Je to proto, že se jedná o bakteriální kultury, které vyžadují specifická kultivační média a podmínky růstu.

Tento proces je založen na skutečnosti, že určité bakterie produkují přírodní polymery, které jsou schopny uvnitř skladovat. Proto se tyto mikroorganismy, počínaje příslušnými výživovými prvky, kultivují a zpracovávají za účelem extrakce polymerů.

Bioplasty mohou být také vyrobeny z některých řas, jako je Botryococcus braunii. Tato mikrořasa je schopna produkovat a dokonce vylučovat uhlovodíky do prostředí, ze kterého se získávají paliva nebo bioplasty.

-Výroba produktů na bázi bioplastů

Základním principem je formování předmětu díky plastickým vlastnostem této sloučeniny pomocí tlaku a tepla. Zpracování se provádí vytlačováním, vstřikováním, vstřikováním a vyfukováním, vyfukováním předlisku a tvářením za tepla a nakonec se podrobí chlazení.

Typy

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

Přístupy ke klasifikaci bioplastů jsou rozmanité a nejsou bez diskuse. V každém případě jsou kritérii použitými k definování různých typů původ a úroveň rozkladu.

-Původ

Podle zobecněného přístupu lze bioplasty podle svého původu klasifikovat jako biobasované nebo nebiobasické. V prvním případě se polymery získávají z rostlinné, živočišné nebo bakteriální biomasy, a proto jsou obnovitelnými zdroji.

Na druhé straně bioplasty bez biologického původu jsou bioplasty vyrobené s polymery syntetizovanými z oleje. Protože však pocházejí z neobnovitelných zdrojů, někteří odborníci se domnívají, že by s nimi nemělo být zacházeno jako s bioplasty.

-Level rozkladu

Pokud jde o úroveň rozkladu, bioplasty mohou být biologicky rozložitelné nebo ne. Biologicky rozložitelné se při vhodných podmínkách rozkládají v relativně krátkém časovém období (dny až několik měsíců).

Biologicky nerozložitelné bioplasty se chovají jako konvenční plasty petrochemického původu. V tomto případě se doba rozpadu měří v desetiletích a dokonce i v stoletích.

Tam je také diskuse ohledně tohoto kritéria, protože někteří učenci se domnívají, že skutečný bioplast musí být biologicky rozložitelný.

-Origin a biodegradace

Pokud jsou dvě předchozí kritéria kombinována (původ a úroveň rozkladu), lze bioplasty rozdělit do tří skupin:

1. Pochází z obnovitelných surovin (biologicky založených) a biologicky rozložitelných.
2. Ty, které jsou získány z obnovitelných surovin (na biologickém základě), ale nejsou biologicky rozložitelné.
3. Získává se ze surovin petrochemického původu, které jsou však biologicky rozložitelné.

Je důležité si uvědomit, že pro to, aby byl polymer považován za bioplast, musí vstoupit do jedné z těchto tří kombinací.

Biologicky rozložitelný

Mezi biologicky a biologicky rozložitelné bioplasty patří kyselina polymléčná (PLA) a polyhydroxyalkanoát (PHA). PLA je jedním z nejpoužívanějších bioplastů a získává se hlavně z kukuřice.

Tento bioplast má podobné vlastnosti jako polyethylen tereftalát (PET, běžný plast typu polyester), i když je méně odolný vůči vysokým teplotám.

PHA má variabilní vlastnosti v závislosti na konkrétním polymeru, který jej tvoří. Získává se z rostlinných buněk nebo biotechnologií z bakteriálních kultur.

Tyto bioplasty jsou velmi citlivé na podmínky zpracování a jejich cena je až desetkrát vyšší než u konvenčních plastů.

Dalším příkladem této kategorie je PHBV (PolyhydroxyButylValerate), který se získává z rostlinných zbytků.

Biologicky biologicky nerozložitelný

V této skupině máme bio-polyethylen (BIO-PE), s vlastnostmi podobnými vlastnostem běžného polyethylenu. Bio-PET má vlastnosti podobné polyethylentereftalátu.

Obě bioplasty se běžně vyrábějí z cukrové třtiny a získávají bioethanol jako meziprodukt.

Do této kategorie také patří biopolyamid (PA), který je recyklovatelným bioplastem s vynikajícími tepelně izolačními vlastnostmi.

-Ne biologicky rozložitelné

Biologická rozložitelnost souvisí s chemickou strukturou polymeru, nikoli s druhem použité suroviny. Biologicky rozložitelné plasty lze proto získat z ropy při správném zpracování.

Příkladem tohoto typu bioplastů jsou polykaprolaktony (PCL), které se používají při výrobě polyurethanů. Jedná se o bioplast získaný z ropných derivátů, jako je polybutylensukcinát (PBS).

Výhoda

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

Jsou biologicky rozložitelné

Ačkoli ne všechny bioplasty jsou biologicky rozložitelné, pravdou je, že pro mnoho lidí je to jejich základní charakteristika. Hledání této vlastnosti je ve skutečnosti jedním ze základních motorů rozmachu bioplastů.

Konvenční plasty na bázi ropy a biologicky nerozložitelné plasty se rozpadají stovky až tisíce let. Tato situace představuje vážný problém, protože skládky a oceány se plní plasty.

Z tohoto důvodu je biologická rozložitelnost velmi významnou výhodou, protože tyto materiály se mohou rozkládat v týdnech, měsících nebo několika letech.

Neznečisťují životní prostředí

Protože se jedná o biologicky rozložitelné materiály, přestávají bioplasty zabírat vesmír jako odpadky. Kromě toho mají další výhodu v tom, že ve většině případů neobsahují toxické prvky, které se mohou uvolňovat do životního prostředí.

Mají nižší uhlíkovou stopu

Při výrobě bioplastů, stejně jako při jejich rozkladu, se uvolňuje méně CO2 než v případě konvenčních plastů. V mnoha případech neuvolňují metan nebo to v malém množství, a proto mají malý dopad na skleníkový efekt.

Například bioplasty vyrobené z ethanolu z cukrové třtiny snižují emise CO2 až o 75% ve srovnání s těmi, které pocházejí z ropy.

Bezpečnější přeprava jídla a pití

Obecně se při zpracování a složení bioplastů nepoužívají žádné toxické látky. Proto představují menší riziko kontaminace potravin nebo nápojů v nich obsažených.

Na rozdíl od konvenčních plastů, které mohou produkovat dioxiny a další znečišťující složky, jsou bioplasty na biologickém základě neškodné.

Nevýhody

Nevýhody se týkají hlavně typu použitého bioplastu. Mimo jiné máme následující.

Menší odpor

Jedním omezením, které většina bioplastů ve srovnání s konvenčními plasty je, je jejich nižší odolnost. Tato vlastnost je však spojena s její schopností biodegradovat.

Vyšší náklady

V některých případech jsou suroviny používané k výrobě bioplastů dražší než suroviny z ropy.

Na druhé straně výroba některých bioplastů znamená vyšší náklady na zpracování. Tyto výrobní náklady jsou zejména vyšší u nákladů produkovaných biotechnologickými procesy, včetně hromadného pěstování bakterií.

Konflikt použití

Bioplasty vyrobené z potravinářských surovin konkurují lidským potřebám. Proto, protože je výhodnější věnovat plodiny produkci bioplastů, jsou tyto odstraněny z okruhu výroby potravin.

Tato nevýhoda se však nevztahuje na bioplasty získané z nepoživatelného odpadu. Mezi těmito odpady máme zbytky plodin, nepoživatelné řasy, lignin, skořápky nebo exoskeletony humra.

Recyklace není snadná

PLA bioplast je velmi podobný běžnému plastu PET (polyethylen tereftalátu), ale není recyklovatelný. Proto, pokud jsou oba typy plastů smíchány v recyklační nádobě, nelze tento obsah recyklovat.

V tomto ohledu existují obavy, že rostoucí používání PLA by mohlo bránit stávajícímu úsilí o recyklaci plastů.

Příklady a jejich použití produktů vyrobených s bioplasty

Nádoba na víno vyrobená z bioplastu ze zemědělského odpadu a mycelia. Zdroj: Mycobond

- Jednorázové nebo jednorázové předměty

Největší část odpadu tvoří kontejnery, obaly, talíře a příbory spojené s rychlým občerstvením a nákupní tašky. Biologicky rozložitelné bioplasty proto v této oblasti hrají významnou roli.

Z tohoto důvodu byly vyvinuty různé výrobky na bázi bioplastů, které mají vliv na snížení tvorby odpadu. Mimo jiné máme biologicky odbouratelný sáček vyrobený s Ecovio od BASF nebo plastovou láhev z PLA získanou z kukuřice Safiplast ve Španělsku.

Vodní tobolky

Společnost Ooho vytvořila z tradičních lahví biologicky rozložitelné tobolky z mořských řas s vodou. Tento návrh byl velmi inovativní a úspěšný a byl již vyzkoušen v londýnském maratonu.

zemědělství

U některých plodin, jako jsou jahody, je běžnou praxí zakrývat půdu plastovou fólií, která omezuje plevel a zabraňuje zamrzání. V tomto smyslu byly vyvinuty bioplastické polstrování, jako je Agrobiofilm, které nahrazuje konvenční plasty.

-Objekty pro trvalé aplikace

Použití bioplastů není omezeno na předměty použití a likvidace, ale může být použito na odolnější předměty. Například společnost Zoë b Organic vyrábí plážové hračky.

Složité komponenty zařízení

Toyota používá bioplasty v některých částech aut, jako jsou součásti pro klimatizační jednotky a ovládací panely. K tomu používá bioplasty jako Bio-PET a PLA.

Fujitsu využívá bioplasty k výrobě počítačových myší a klávesových částí. V případě společnosti Samsung mají některé mobilní telefony pouzdra vyrobená převážně z bioplastů.

-Stavební a inženýrské stavitelství

Bioplasty škrobu se v elektrických instalacích používají jako stavební materiály a bioplasty zesílené nanovlákny.

Kromě toho se používají při výrobě bioplastického nábytkového dřeva, které není napadeno xylofágním hmyzem a nehnije s vlhkostí.

- Farmaceutické aplikace

Byly vyrobeny z bioplastických tobolek obsahujících léky a léková vehikula, která se uvolňují pomalu. Biologická dostupnost léčiv je tedy časem regulována (dávka, kterou pacient dostává v daném čase).

-Zdravotnické aplikace

Celulózové bioplasty použitelné v implantátech, tkáňovém inženýrství, chitinových a chitosanových bioplastech byly vyrobeny pro ochranu rány, tkáňové inženýrství a regeneraci lidské kůže.

Celulózové bioplasty byly také vyráběny pro biosenzory, směsi s hydroxyapatitem pro výrobu dentálních implantátů, bioplastická vlákna v katétrech, mimo jiné.

- Letecká, námořní a pozemní doprava a průmysl

V průmyslových i dopravních zařízeních se používají tuhé pěny na bázi rostlinných olejů (bioplasty); automobilové a letecké díly.

Elektronické součásti mobilních telefonů, počítačů, zvukových a obrazových zařízení byly také vyrobeny z bioplastů.

-Zemědělství

Bioplastické hydrogely, které absorbují a zadržují vodu a mohou ji pomalu uvolňovat, jsou užitečné jako ochranné pokrývky pro kultivovanou půdu, udržují vlhkost a podporují růst zemědělských plantáží v suchých oblastech a v nízkých deštích.

Reference

1. Álvarez da Silva L (2016). Bioplasty: získávání a aplikace polyhydroxyalkanoátů. Farmaceutická fakulta, University of Sevilla. Titul v oboru farmacie. 36 str.
2. Bezirhan-Arikan E a H. Duygu-Ozsoy (2015). Recenze: Výzkum bioplastů. Journal of Civil Engineering and Architecture 9: 188-192. De Almeida A, JA Ruiz, NI López a MJ Pettinari (2004). Bioplasty: ekologická alternativa. Living Chemistry, 3 (3): 122-133.
3. El-Kadi S (2010). Bioplastická výroba z levných zdrojů. ISBN 9783639263725; VDM Verlag Dr. Müller Publishing, Berlín, Německo. 145 s.
4. Labeaga-Viteri A (2018). Biodegradabilní polymery. Význam a potenciální aplikace. Národní univerzita distančního vzdělávání. Přírodovědecká fakulta, Ústav anorganické chemie a chemického inženýrství. Magisterský titul z chemie a technologie. 50 s.
5. Ruiz-Hitzky E, FM Fernandes, MM Reddy, S. Vivekanandhan, M. Misra, SK Bhatia a AK Mohanty (2013). Biologické plasty a bionanokompozity: Aktuální stav a budoucí příležitosti. Prog. Polym. Sci. 38: 1653-1689.
6. Satish K (2017). Bioplasty - klasifikace, produkce a jejich potenciální aplikace v potravinách. Journal of Hill Agriculture 8: 118-129.