BIOTWORZYWA: JAK SĄ PRODUKOWANE, RODZAJE, ZALETY, WADY - ŚRODOWISKO - 2026

W bioplastiki są wszelkie materiały plastyczne na bazie polimerów pochodzenia petrochemicznego lub biomasy, które są biodegradowalne. Podobnie jak tradycyjne tworzywa sztuczne syntetyzowane z ropy naftowej, można z nich formować różne przedmioty.

W zależności od pochodzenia biotworzywa można pozyskiwać z biomasy (na bazie biopochodnej) lub pochodzenia petrochemicznego. Z drugiej strony, w zależności od stopnia ich rozkładu, istnieją biodegradowalne i niebiodegradowalne biotworzywa.

Sztućce wykonane z biodegradowalnego poliestru skrobiowego. Źródło: Scott Bauer

Powstanie biotworzyw jest odpowiedzią na niedogodności generowane przez konwencjonalne tworzywa sztuczne. Obejmuje to gromadzenie się nieulegających biodegradacji tworzyw sztucznych w oceanach i na wysypiskach.

Z drugiej strony, konwencjonalne tworzywa sztuczne mają duży ślad węglowy i wysoką zawartość toksycznych pierwiastków. W przeciwieństwie do tego biotworzywa mają kilka zalet, ponieważ nie wytwarzają toksycznych pierwiastków i są na ogół biodegradowalne i nadają się do recyklingu.

Do głównych wad biotworzyw to ich wysoki koszt produkcji i mniejsza odporność. Ponadto niektóre z używanych surowców to potencjalne środki spożywcze, co stwarza problem ekonomiczny i etyczny.

Niektóre przykłady obiektów z bioplastiku to biodegradowalne torby, a także części pojazdów i telefonów komórkowych.

Charakterystyka biotworzyw

Ekonomiczne i środowiskowe znaczenie biotworzyw

Różne przedmioty użytkowe wykonane z biotworzyw. Źródło: Hwaja Götz, za Wikimedia Commons

Ostatnio pojawiło się większe zainteresowanie nauki i przemysłu produkcją tworzyw sztucznych z surowców odnawialnych, które są biodegradowalne.

Wynika to z wyczerpywania się światowych zasobów ropy naftowej i coraz większej świadomości dotyczącej poważnych szkód środowiskowych powodowanych przez tworzywa sztuczne.

Wraz z rosnącym popytem na tworzywa sztuczne na rynku światowym, rośnie również popyt na tworzywa biodegradowalne.

Biodegradowalność

Odpady biotworzyw biodegradowalnych można traktować jako odpady organiczne, szybko rozkładające się i niezanieczyszczające. Na przykład mogą być stosowane jako dodatki do gleby w kompostowaniu, ponieważ są naturalnie poddawane recyklingowi w procesach biologicznych.

Biotworzywa o niezliczonych zastosowaniach komercyjnych. Źródło: F. Kesselring, FKuR Willich, za Wikimedia Commons

Ograniczenia biotworzyw

Produkcja biodegradowalnych biotworzyw stoi przed dużymi wyzwaniami, ponieważ biotworzywa mają gorsze właściwości od petroplastów, a ich zastosowanie, chociaż rośnie, jest ograniczone.

Poprawa właściwości biotworzyw

Aby poprawić właściwości biotworzyw, opracowywane są mieszanki biopolimerów z różnymi rodzajami dodatków, takimi jak nanorurki węglowe i modyfikowane chemicznie włókna naturalne.

Ogólnie dodatki stosowane do biotworzyw poprawiają takie właściwości, jak:

• Sztywność i wytrzymałość mechaniczna.
• Właściwości barierowe przed gazami i wodą.
• Odporność termiczna i termostabilność.

Właściwości te można wprowadzić do bioplastiku poprzez przygotowanie chemiczne i metody przetwarzania.

Jak produkowane są biotworzywa?

Bioplastik do opakowań wykonanych ze skrobi termoplastycznej. Źródło: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

-Krótka historia

Biotworzywa są starsze niż konwencjonalne syntetyczne tworzywa sztuczne otrzymywane z ropy naftowej. Stosowanie polimerów pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego do produkcji tworzyw sztucznych sięga XVIII wieku z użyciem naturalnego kauczuku (lateksu z Hevea brasiliensis).

Pierwszy bioplastik, chociaż nie otrzymał takiej nazwy, został opracowany w 1869 roku przez Johna Wesleya Hyatta Jr., który wyprodukował plastik pochodzący z celulozy bawełnianej jako substytut kości słoniowej. Podobnie pod koniec XIX wieku do produkcji biotworzyw używano kazeiny mlecznej.

W latach czterdziestych firma Ford badała alternatywy dla wykorzystania surowców roślinnych do produkcji części do swoich samochodów. Ten kierunek badań był spowodowany ograniczeniami w używaniu stali przez wojnę.

W wyniku tego w 1941 roku firma opracowała model samochodu z nadwoziem zbudowanym głównie z pochodnych soi. Jednak po zakończeniu wojny inicjatywa ta nie była kontynuowana.

Do 1947 roku wyprodukowano pierwszy techniczny bioplastik, Poliamid 11 (znak towarowy Rilsan). Później, w latach 90. XX wieku, pojawiły się PLA (polikwas mlekowy), PHA (polihydroksyalkaniany) i plastyfikowane skrobie.

-Surowy materiał

Biotworzywa biologiczne to te, które są wytwarzane z biomasy roślinnej. Trzy podstawowe źródła surowca dla biopochodnych są następujące.

Naturalne polimery biomasy

Można stosować naturalne polimery wytwarzane bezpośrednio przez rośliny, takie jak skrobia lub cukry. Na przykład „plastik ziemniaczany” jest biodegradowalnym bioplastikiem wytwarzanym ze skrobi ziemniaczanej.

Polimery syntetyzowane z monomerów biomasy

Drugą alternatywą jest synteza polimerów z monomerów ekstrahowanych ze źródeł roślinnych lub zwierzęcych. Różnica między tą drogą a poprzednią polega na tym, że wymagana jest tutaj pośrednia synteza chemiczna.

Na przykład Bio-PE lub zielony polietylen jest produkowany z etanolu otrzymywanego z trzciny cukrowej.

Biotworzywa można również wytwarzać ze źródeł zwierzęcych, takich jak glikozaminoglikany (GAG), które są białkami skorupek jaj. Zaletą tego białka jest to, że pozwala na uzyskanie bardziej odpornych biotworzyw.

Biotechnologia oparta na kulturach bakteryjnych

Innym sposobem produkcji polimerów dla biotworzyw jest biotechnologia z wykorzystaniem kultur bakteryjnych. W tym sensie wiele bakterii syntetyzuje i przechowuje polimery, które można ekstrahować i przetwarzać.

W tym celu bakterie są masowo hodowane w odpowiednich pożywkach hodowlanych, a następnie przetwarzane w celu oczyszczenia określonego polimeru. Na przykład PHA (polihydroksyalkaniany) są syntetyzowane przez różne rodzaje bakterii rosnące w środowisku z nadmiarem węgla i bez azotu i fosforu.

Bakterie przechowują polimer w postaci granulek w cytoplazmie, które są ekstrahowane w wyniku przetwarzania mas bakteryjnych. Innym przykładem jest PHBV (PolyhydroxyButylValerate), który jest pozyskiwany z bakterii karmionych cukrami pozyskiwanymi z resztek roślinnych.

Największym ograniczeniem uzyskanych w ten sposób biotworzyw jest koszt produkcji, głównie ze względu na wymagane pożywki hodowlane.

Połączenie naturalnego polimeru i polimeru biotechnologicznego

Uniwersytet Ohio opracował dość mocny bioplastik, łącząc kauczuk naturalny z bioplastikiem PHBV, organicznym nadtlenkiem i triakrylanem trimetylolopropanu (TMPTA).

-Proces produkcji

Biotworzywa pozyskiwane są różnymi procesami, w zależności od surowca i pożądanych właściwości. Biotworzywa można uzyskać poprzez podstawowe procesy lub bardziej złożone procesy przemysłowe.

Podstawowy proces

Można to zrobić gotowanie i formowanie w przypadku stosowania naturalnych polimerów, takich jak skrobia lub kukurydza lub skrobia ziemniaczana.

Tak więc podstawowym przepisem na produkcję bioplastiku jest zmieszanie skrobi kukurydzianej lub ziemniaczanej z wodą z dodatkiem gliceryny. Następnie tę mieszaninę gotuje się, aż zgęstnieje, uformuje i pozostawi do wyschnięcia.

Procesy o średniej złożoności

W przypadku bioplastików wytwarzanych z polimerów syntetyzowanych z monomerów biomasy procesy są nieco bardziej złożone.

Na przykład Bio-PE otrzymany z etanolu z trzciny cukrowej wymaga szeregu etapów. Pierwszą rzeczą jest ekstrakcja cukru z trzciny cukrowej w celu uzyskania etanolu poprzez fermentację i destylację.

Następnie etanol jest odwodniony i otrzymuje się etylen, który należy spolimeryzować. Wreszcie, za pomocą maszyn do termoformowania, wytwarza się przedmioty na bazie tego bioplastiku.

Złożone i droższe procesy

Odnosząc się do biotworzyw wytwarzanych z polimerów otrzymywanych w wyniku biotechnologii, wzrasta złożoność i koszty. Dzieje się tak, ponieważ zaangażowane są kultury bakteryjne, które wymagają określonych pożywek i warunków wzrostu.

Proces ten opiera się na fakcie, że niektóre bakterie wytwarzają naturalne polimery, które są w stanie przechowywać w środku. Dlatego też, zaczynając od odpowiednich składników odżywczych, te mikroorganizmy są hodowane i przetwarzane w celu ekstrakcji polimerów.

Z niektórych alg, takich jak Botryococcus braunii, można również wytwarzać biotworzywa. Te mikroalgi mogą wytwarzać, a nawet wydalać węglowodory do środowiska, z którego pozyskuje się paliwa lub biotworzywa.

-Produkcja wyrobów na bazie biotworzyw

Podstawową zasadą jest formowanie przedmiotu, dzięki plastycznym właściwościom tego związku przy użyciu ciśnienia i ciepła. Przetwarzanie odbywa się poprzez wytłaczanie, wtryskiwanie, wtryskiwanie i rozdmuchiwanie, rozdmuchiwanie preform i termoformowanie, a na koniec poddawane jest chłodzeniu.

Rodzaje

Opakowanie wykonane z octanu celulozy. Źródło: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

Podejścia do klasyfikacji biotworzyw są zróżnicowane i nie są pozbawione kontrowersji. W każdym razie kryteria używane do definiowania różnych typów to pochodzenie i poziom dekompozycji.

-Pochodzenie

Zgodnie z uogólnionym podejściem biotworzywa można sklasyfikować ze względu na ich pochodzenie jako oparte na biotechnologii lub bez. W pierwszym przypadku polimery są pozyskiwane z biomasy roślinnej, zwierzęcej lub bakteryjnej, a zatem są zasobami odnawialnymi.

Z drugiej strony biotworzywa nie na bazie biologicznej to te produkowane z polimerów syntetyzowanych z ropy naftowej. Ponieważ jednak pochodzą z nieodnawialnego surowca, niektórzy specjaliści uważają, że nie należy ich traktować jak biotworzywa.

-Poziom rozkładu

Jeśli chodzi o poziom rozkładu, biotworzywa mogą ulegać biodegradacji lub nie. Te ulegające biodegradacji ulegają rozkładowi w stosunkowo krótkim czasie (od kilku dni do kilku miesięcy) w odpowiednich warunkach.

Ze swojej strony nieulegające biodegradacji biotworzywa zachowują się jak konwencjonalne tworzywa sztuczne pochodzenia petrochemicznego. W tym przypadku okres rozpadu mierzy się w dziesięcioleciach, a nawet stuleciach.

Kryterium to budzi również kontrowersje, ponieważ niektórzy uczeni uważają, że prawdziwy bioplastik musi ulegać biodegradacji.

-Pochodzenie i biodegradacja

Po połączeniu dwóch poprzednich kryteriów (pochodzenie i poziom rozkładu) biotworzywa można podzielić na trzy grupy:

1. Pochodzi z surowców odnawialnych (na bazie biologicznej) i ulega biodegradacji.
2. Te otrzymywane z surowców odnawialnych (na bazie biologicznej), ale nie ulegają biodegradacji.
3. Pozyskiwany z surowców pochodzenia petrochemicznego, ale ulegających biodegradacji.

Należy zauważyć, że aby uznać polimer za bioplastik, należy wprowadzić jedną z tych trzech kombinacji.

Na bazie biologicznej - biodegradowalny

Wśród bioplastików na bazie biologicznej i biodegradowalnych mamy kwas polimlekowy (PLA) i polihydroksyalkanian (PHA). PLA jest jednym z najpowszechniej stosowanych biotworzyw i jest pozyskiwany głównie z kukurydzy.

Ten bioplastik ma podobne właściwości do politereftalanu etylenu (PET, konwencjonalne tworzywo poliestrowe), chociaż jest mniej odporny na wysokie temperatury.

Ze swojej strony PHA ma zmienne właściwości w zależności od konkretnego polimeru, z którego się składa. Otrzymywany jest z komórek roślinnych lub biotechnologicznie z kultur bakteryjnych.

Te biotworzywa są bardzo wrażliwe na warunki przetwarzania, a ich koszt jest nawet dziesięciokrotnie wyższy niż w przypadku konwencjonalnych tworzyw sztucznych.

Innym przykładem tej kategorii jest PHBV (PolyhydroksyButylValerate), który pozyskiwany jest z resztek roślinnych.

Nieulegające biodegradacji na bazie biologicznej

W tej grupie mamy bio-polietylen (BIO-PE), o właściwościach zbliżonych do konwencjonalnego polietylenu. Ze swojej strony Bio-PET ma właściwości podobne do politereftalanu etylenu.

Oba biotworzywa są zwykle wytwarzane z trzciny cukrowej, uzyskując bioetanol jako produkt pośredni.

Do tej kategorii należy również bio-poliamid (PA), który jest bioplastikiem nadającym się do recyklingu i posiadającym doskonałe właściwości termoizolacyjne.

-Niebiopochodne-biodegradowalne

Biodegradowalność ma związek ze strukturą chemiczną polimeru, a nie z rodzajem użytego surowca. Dlatego biodegradowalne tworzywa sztuczne można uzyskać z ropy naftowej po odpowiednim przetworzeniu.

Przykładem tego typu biotworzyw są polikaprolaktony (PCL), które są wykorzystywane do produkcji poliuretanów. Jest to bioplastik otrzymywany z pochodnych ropy naftowej, takich jak bursztynian polibutylenu (PBS).

Korzyść

Owijka do cukierków wykonana z PLA (kwas polimlekowy). Źródło: F. Kesselring, FKuR Willich

Są biodegradowalne

Chociaż nie wszystkie biotworzywa ulegają biodegradacji, prawda jest taka, że ​​dla wielu ludzi jest to ich podstawowa cecha. W rzeczywistości poszukiwanie tej nieruchomości jest jednym z podstawowych motorów boomu biotworzyw.

Konwencjonalne tworzywa sztuczne na bazie ropy naftowej i nieulegające biodegradacji rozkładają się setki, a nawet tysiące lat. Sytuacja ta stanowi poważny problem, ponieważ wysypiska śmieci i oceany wypełniają się tworzywami sztucznymi.

Z tego powodu biodegradowalność jest bardzo istotną zaletą, ponieważ materiały te mogą rozkładać się w ciągu tygodni, miesięcy lub kilku lat.

Nie zanieczyszczają środowiska

Ponieważ są to materiały biodegradowalne, biotworzywa przestają zajmować przestrzeń jako śmieci. Ponadto mają tę dodatkową zaletę, że w większości przypadków nie zawierają toksycznych pierwiastków, które mogą uwolnić do środowiska.

Mają mniejszy ślad węglowy

Zarówno w procesie produkcji biotworzyw, jak podczas ich rozkładu, uwalnia się mniej CO2 niż w przypadku tworzyw konwencjonalnych. W wielu przypadkach nie uwalniają metanu lub robią to w małych ilościach, przez co mają niewielki wpływ na efekt cieplarniany.

Na przykład biotworzywa wyprodukowane z etanolu z trzciny cukrowej zmniejszają emisję CO2 nawet o 75% w porównaniu z tymi pochodzącymi z ropy.

Bezpieczniej jest nosić jedzenie i napoje

Generalnie przy opracowywaniu i składzie biotworzyw nie używa się substancji toksycznych. W związku z tym stwarzają mniejsze ryzyko zanieczyszczenia zawartej w nich żywności lub napojów.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych tworzyw sztucznych, które mogą wytwarzać dioksyny i inne zanieczyszczające składniki, biotworzywa pochodzenia biologicznego są nieszkodliwe.

Niedogodności

Wady są głównie związane z rodzajem zastosowanego bioplastiku. Między innymi mamy następujące.

Mniejszy opór

Jednym z ograniczeń, które większość biotworzyw ma w porównaniu z konwencjonalnymi tworzywami sztucznymi, jest ich mniejsza odporność. Jednak ta właściwość jest związana z jego zdolnością do biodegradacji.

Wyższy koszt

W niektórych przypadkach surowce używane do produkcji biotworzyw są droższe niż te z ropy naftowej.

Z drugiej strony produkcja niektórych biotworzyw pociąga za sobą wyższe koszty przetwarzania. W szczególności te koszty produkcji są wyższe w przypadku produktów wytwarzanych w procesach biotechnologicznych, w tym masowej hodowli bakterii.

Konflikt użytkowania

Biotworzywa produkowane z surowców spożywczych konkurują z potrzebami człowieka. Dlatego, ponieważ bardziej opłaca się przeznaczać uprawy do produkcji biotworzyw, są one usuwane z obiegu produkcji żywności.

Jednak ta wada nie dotyczy biotworzyw otrzymywanych z niejadalnych odpadów. Wśród tych odpadów mamy resztki pożniwne, niejadalne algi, ligninę, skorupki jaj czy egzoszkielety homara.

Nie są łatwe do recyklingu

Bioplastik PLA jest bardzo podobny do konwencjonalnego plastiku PET (politereftalan etylenu), ale nie nadaje się do recyklingu. Dlatego, jeśli oba rodzaje tworzyw sztucznych są mieszane w pojemniku do recyklingu, zawartość ta nie może zostać poddana recyklingowi.

W związku z tym istnieją obawy, że coraz częstsze stosowanie PLA może utrudnić obecne wysiłki na rzecz recyklingu tworzyw sztucznych.

Przykłady i zastosowania produktów wytwarzanych z biotworzyw

Pojemnik na wino wykonany z bioplastiku z odpadów rolniczych i grzybni. Źródło: Mycobond

-Jednorazowe lub jednorazowe przedmioty

Przedmioty, które generują najwięcej odpadów, to pojemniki, owijki, talerze i sztućce połączone z fast foodami i torby na zakupy. Dlatego w tej dziedzinie biodegradowalne biotworzywa odgrywają istotną rolę.

Z tego powodu opracowano różne produkty na bazie biotworzyw, które mają wpływać na ograniczenie wytwarzania odpadów. Mamy między innymi biodegradowalną torbę wykonaną z Ecovio firmy BASF lub plastikową butelkę wykonaną z PLA uzyskanego z kukurydzy przez Safiplast w Hiszpanii.

Kapsułki wodne

Firma Ooho zamiast tradycyjnych butelek stworzyła biodegradowalne kapsułki z wodorostów z wodą. Ta propozycja była bardzo innowacyjna i udana i została już przetestowana w maratonie w Londynie.

rolnictwo

W przypadku niektórych upraw, takich jak truskawki, powszechną praktyką jest przykrywanie gleby folią w celu zwalczania chwastów i uniknięcia zamarzania. W tym sensie wyściółka bioplastyczna, taka jak Agrobiofilm, została opracowana w celu zastąpienia konwencjonalnych tworzyw sztucznych.

-Obiekty do trwałych zastosowań

Wykorzystanie biotworzyw nie ogranicza się do przedmiotów użytku i utylizacji, ale może być stosowane w bardziej trwałych przedmiotach. Na przykład firma Zoë b Organic produkuje zabawki plażowe.

Złożone elementy wyposażenia

Toyota wykorzystuje bioplastiki w niektórych częściach samochodowych, takich jak komponenty klimatyzatorów i panele sterowania. W tym celu wykorzystuje biotworzywa, takie jak Bio-PET i PLA.

Ze swojej strony Fujitsu używa biotworzyw do produkcji myszy komputerowych i części klawiatury. W przypadku firmy Samsung niektóre telefony komórkowe mają obudowy wykonane w większości z bioplastiku.

-Budownictwo i inżynieria lądowa

Biotworzywa skrobiowe są stosowane jako materiały budowlane i biotworzywa wzmocnione nanowłóknami w instalacjach elektrycznych.

Ponadto znalazły zastosowanie w produkcji bioplastycznego drewna na meble, które nie jest atakowane przez ksylofagi i nie gnije pod wpływem wilgoci.

-Zastosowania farmaceutyczne

Zostały wykonane z bioplastycznych kapsułek zawierających leki i nośniki leków, które są powoli uwalniane. Tym samym biodostępność leków jest regulowana w czasie (dawka, jaką pacjent otrzymuje w danym czasie).

-Medyczne aplikacje

Biotworzywa celulozowe stosowane w implantach, inżynierii tkankowej, bioplastiki chitynowe i chitozanowe zostały wyprodukowane do ochrony ran, inżynierii tkanki kostnej i regeneracji skóry ludzkiej.

Wytwarzano również biotworzywa celulozowe do biosensorów, mieszanki z hydroksyapatytem do produkcji implantów dentystycznych, włókna bioplastyczne w cewnikach.

-Transport lotniczy, morski i lądowy oraz przemysł

Sztywne pianki na bazie olejów roślinnych (biotworzywa) znalazły zastosowanie zarówno w urządzeniach przemysłowych, jak i transportowych; części samochodowe i lotnicze.

Z bioplastików wytwarzano również elektroniczne komponenty telefonów komórkowych, komputerów, urządzeń audio i wideo.

-Rolnictwo

Hydrożele bioplastyczne, które pochłaniają i zatrzymują wodę oraz mogą ją powoli uwalniać, są przydatne jako osłony ochronne dla uprawianej gleby, utrzymując jej wilgotność i sprzyjając wzrostowi plantacji rolniczych w regionach suchych i o niskich porach deszczowych.

Bibliografia

1. Álvarez da Silva L (2016). Biotworzywa: otrzymywanie i zastosowania polihydroksyalkanianów. Wydział Farmacji Uniwersytetu w Sewilli. Dyplom z farmacji. 36 pkt.
2. Bezirhan-Arikan E i H Duygu-Ozsoy (2015). Przegląd: Badanie biotworzyw. Journal of Civil Engineering and Architecture 9: 188-192. De Almeida A, JA Ruiz, NI López i MJ Pettinari (2004). Biotworzywa: ekologiczna alternatywa. Living Chemistry, 3 (3): 122–133.
3. El-Kadi S (2010). Produkcja bioplastików z niedrogich źródeł. ISBN 9783639263725; Wydawnictwo VDM Verlag Dr. Müller, Berlin, Niemcy. 145 pkt.
4. Labeaga-Viteri A (2018). Polimery biodegradowalne. Znaczenie i potencjalne zastosowania. Narodowy Uniwersytet Kształcenia na Odległość. Wydział Nauk, Katedra Chemii Nieorganicznej i Inżynierii Chemicznej. Tytuł magistra nauk chemicznych i technologii. 50 pkt.
5. Ruiz-Hitzky E, FM Fernandes, MM Reddy, S Vivekanandhan, M Misra, SK Bhatia i AK Mohanty (2013). Tworzywa sztuczne na bazie biologicznej i bionanokompozyty: stan obecny i przyszłe możliwości. Prog. Polym. Sci.38: 1653-1689.
6. Satish K (2017). Biotworzywa - klasyfikacja, produkcja i potencjalne zastosowania spożywcze. Journal of Hill Agriculture 8: 118–129.