Биоразлагаемый пластик - Biodegradable plastic

Для получения информации о пластмассах, полученных из возобновляемых сырьевых ресурсов (биомассы), см. Биопластик . Для получения информации о пластмассах, предназначенных для биоразложения в человеческом теле, см. Биоразлагаемый полимер .
Одноразовые столовые приборы из биоразлагаемого пластика

Биоразлагаемые пластмассы - это пластмассы, которые под действием живых организмов, обычно микробов, могут разлагаться на воду, двуокись углерода и биомассу. Биоразлагаемые пластмассы обычно производятся из возобновляемого сырья, микроорганизмов, нефтехимии или комбинации всех трех.

Хотя слова «биопластик» и «биоразлагаемый пластик» похожи, они не являются синонимами. Не все биопластики (пластмассы, частично или полностью полученные из биомассы) биоразлагаемы.

заявка

Биоразлагаемые пластмассы обычно используются для изготовления одноразовых предметов, таких как упаковка , посуда, столовые приборы и контейнеры для пищевых продуктов.

В принципе, биоразлагаемые пластмассы могут заменить многие области применения обычных пластмасс. Однако это влечет за собой ряд проблем.

  • Многие биоразлагаемые пластмассы предназначены для разложения в промышленных системах компостирования. Однако для этого требуется хорошо управляемая система удаления отходов, чтобы это действительно происходило. Если изделия, изготовленные из этих пластиков, выбрасываются в обычные потоки отходов, такие как свалки, или попадают в открытую среду, такую ​​как реки и океаны, потенциальные экологические выгоды не реализуются, и данные свидетельствуют о том, что это может фактически ухудшить, а не уменьшить, проблема пластикового загрязнения.
  • Пластиковые предметы, помеченные как «биоразлагаемые», но которые распадаются только на более мелкие части, такие как микропластик , или на более мелкие части, которые не являются биоразлагаемыми, не являются улучшением по сравнению с обычным пластиком.
  • Исследование 2009 года показало, что использование биоразлагаемых пластиков было финансово целесообразным только в контексте конкретных правил, ограничивающих использование обычных пластмасс. Например, биоразлагаемые пластиковые пакеты и покупатели стали обязательными в Италии с 2011 года, когда был принят специальный закон.

Типы

Разработка биоразлагаемых контейнеров

Биопластики

Биологически синтезированные пластмассы (также называемые биопластиками или пластиками на биологической основе) - это пластмассы, произведенные из природных источников, таких как растения, животные или микроорганизмы.

Полигидроксиалканоаты (ПГА)

Полигидроксиалканоаты - это класс биоразлагаемых пластиков, которые естественным образом производятся различными микроорганизмами (например, Cuprividus necator ). Конкретные типы PHA включают поли-3-гидроксибутират (PHB), полигидроксивалерат (PHV) и полигидроксигексаноат (PHH). Биосинтез PHA обычно происходит за счет лишения организмов определенных питательных веществ (например, недостатка макроэлементов, таких как фосфор, азот или кислород) и обеспечения избытка источников углерода. Затем гранулы РНА извлекаются путем разрушения микроорганизмов.

PHA можно разделить на два типа:

  • scl-PHA из гидроксижирных кислот с короткой цепью, включающей от трех до пяти атомов углерода, синтезируется многочисленными бактериями, включая Cupriavidus necator и Alcaligenes latus ( PHB ).
  • mcl-PHA из гидроксижирных кислот со средней длиной цепи, включающей от шести до 14 атомов углерода, может быть получен, например, с помощью Pseudomonas putida .

Полимолочная кислота (PLA)

Полимолочная кислота представляет собой термопластичный алифатический полиэфир, синтезируемый из возобновляемой биомассы, обычно из ферментированного растительного крахмала, такого как кукурузный , маниока , сахарный тростник или жом сахарной свеклы . В 2010 году PLA занимала второе место по объему потребления среди всех биопластиков в мире.

PLA компостируется, но не подвергается биологическому разложению в соответствии с американскими и европейскими стандартами, поскольку не разлагается биологически вне условий искусственного компостирования. (См. # Компостируемые пластмассы .)

Смеси крахмала

Смеси крахмала - это термопластичные полимеры, полученные путем смешивания крахмала с пластификаторами. Поскольку полимеры крахмала сами по себе являются хрупкими при комнатной температуре, пластификаторы добавляются в процессе, называемом желатинизацией крахмала, чтобы усилить его кристаллизацию . Хотя все крахмалы биоразлагаемы, не все пластификаторы. Таким образом, биоразлагаемость пластификатора определяет биоразлагаемость крахмальной смеси.

Смеси биоразлагаемого крахмала включают крахмал / полимолочную кислоту , крахмал / поликапролактон и крахмал / полибутиленадипат-котерефталат.

Другие смеси, такие как крахмал / полиолефин , не поддаются биологическому разложению.

Пластмассы на основе целлюлозы

Биопластики целлюлозы - это в основном сложные эфиры целлюлозы (включая ацетат целлюлозы и нитроцеллюлозу ) и их производные, включая целлулоид . Целлюлоза может стать термопластичной при обширной модификации. Примером этого является ацетат целлюлозы , который стоит дорого и поэтому редко используется для упаковки.

Полимерные композиты на основе лигнина

Полимерные композиты на основе лигнина представляют собой био-возобновляемые природные ароматические полимеры с биоразлагаемыми свойствами. Лигнин является побочным продуктом экстракции полисахаридов из растительного материала при производстве бумаги, этанола и т. Д. Это большое количество отчетов, показывающих, что 50 миллионов тонн создается химической целлюлозной промышленностью каждый год. Лигнин полезен из-за его небольшого веса и того факта, что он более экологичен, чем другие альтернативы. Лигнин нейтрален по отношению к высвобождению CO 2 в процессе биодеградации. Было обнаружено, что другие биоразлагаемые пластические процессы, такие как полиэтилентерефталат (ПЭТ), выделяют CO 2 и воду в виде отходов, производимых разлагающимися микроорганизмами.

Лигнин обладает сравнимыми химическими свойствами по сравнению с современными химическими веществами для пластмасс, которые включают реактивные функциональные группы, способность образовывать пленки, высокий процент углерода, и он демонстрирует универсальность по отношению к различным химическим смесям, используемым с пластмассами. Лигнин также стабилен и содержит ароматические кольца. Он эластичный и вязкий, но плавно течет в жидкой фазе. Что наиболее важно, лигнин может улучшить существующие стандарты пластмасс, потому что он антимикробный по своей природе. Он производится в таких больших количествах и легко доступен для использования в качестве нового экологически чистого полимера.

Пластмассы на нефтяной основе

Пластмассы на нефтяной основе получают из нефтехимических продуктов, которые получают из ископаемой сырой нефти, угля или природного газа. Наиболее широко используемые пластмассы на нефтяной основе, такие как полиэтилентерефталат (ПЭТ), полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП) и полистирол (ПС), не поддаются биологическому разложению. Однако перечислены следующие пластмассы на нефтяной основе.

Полигликолевая кислота (PGA)

Полигликолевая кислота - это термопластичный полимер и алифатический полиэфир. PGA часто используется в медицинских приложениях, таких как швы PGA, из-за его биоразлагаемости. Сложноэфирная связь в основной цепи полигликолевой кислоты придает ей гидролитическую нестабильность. Таким образом, полигликолевая кислота может распадаться на свой нетоксичный мономер, гликолевую кислоту, путем гидролиза. Этот процесс можно ускорить с помощью эстераз. В организме гликолевая кислота может входить в цикл трикарбоновых кислот, после чего выводиться из организма в виде воды и углекислого газа.

Полибутилен сукцинат (PBS)

Полибутиленсукцинат - это термопластичная полимерная смола, которая имеет свойства, сравнимые с пропиленом . Используется в упаковочных пленках для пищевых продуктов и косметики. В сельском хозяйстве PBS используется в качестве биоразлагаемой пленки для мульчирования. PBS может разлагаться Amycolatopsis sp. HT-6 и Penicillium sp. штамм 14-3. Кроме того, было показано , что Microbispora rosea , Excellospora japonica и E. viridilutea потребляют образцы эмульгированного PBS.

Поликапролактон (PCL)

Поликапролактон получил известность как имплантируемый биоматериал, поскольку гидролиз его сложноэфирных связей обеспечивает его биоразлагаемые свойства. Было показано, что фирмикуты и протеобактерии могут разрушать PCL. Penicillium sp. штамм 26-1 может разрушать PCL высокой плотности; хотя и не так быстро, как термотолерантный Aspergillus sp. штамм СТ-01. Виды клостридий могут разрушать PCL в анаэробных условиях.

Поли (виниловый спирт) (ПВС, ПВС)

Поли (виниловый спирт) - один из немногих биоразлагаемых виниловых полимеров, растворимых в воде. Благодаря своей растворимости в воде (недорогой и безвредный растворитель), ПВС имеет широкий спектр применения, включая упаковку пищевых продуктов, покрытие текстиля, покрытие бумаги и продукты здравоохранения.

Полибутиленадипаттерефталат (PBAT)

Полибутиленадипаттерефталат (PBAT) представляет собой биоразлагаемый статистический сополимер.

Компостируемые пластмассы для дома

Не существует международного стандарта для определения компостируемых в домашних условиях пластиков (т.е. тех, которые не зависят от промышленных установок для компостирования), но национальные стандарты были созданы в Австралии (AS 5810 «Биоразлагаемые пластики, пригодные для домашнего компостирования») и во Франции (NF Т 51-800 «Технические условия на пластмассы, пригодные для домашнего компостирования»). Французский стандарт основан на «схеме сертификации дома для компоста в порядке», разработанной бельгийским органом по сертификации TÜV Austria Belgium. Ниже приведены примеры пластмасс, соответствующих установленному национальному стандарту компостирования в домашних условиях:

  • Смола BioPBS FD92, максимальная толщина 85 мкм
  • Смола BWC BF 90A, максимальная толщина 81 мкм
  • Смола Ecopond Flex 162, максимальная толщина 65 мкм
  • Тройной ламинат HCPT-1, максимальная толщина 119 мкм
  • Дуплексный ламинат HCFD-2, максимальная толщина 69 мкм
  • Смола Torise TRBF90, максимальная толщина 43 мкм

Факторы, влияющие на биоразложение

Одна из проблем при разработке и использовании биоразлагаемых пластиков заключается в том, что способность к биоразложению является «системным свойством». То есть, будет ли конкретный пластиковый предмет подвергаться биологическому разложению, зависит не только от внутренних свойств предмета, но и от условий окружающей среды, в которой он оказался. Скорость биоразложения пластика в конкретной экосистеме зависит от широкого диапазона условий окружающей среды, включая температуру и присутствие конкретных микроорганизмов.

Внутренние факторы

Химический состав:

  • От наименьшей до наибольшей устойчивости к биоразложению: н-алканы> разветвленные алканы> низкомолекулярные ароматические соединения> циклические алканы> высокомолекулярные ароматические соединения = полярные полимеры

Физические свойства:

  • Форма
  • Открытая площадь поверхности
  • Толщина

Внешние факторы

Абиотические факторы:

  • Температура
  • Концентрация воды / соли в атмосфере
  • Фото-деградация
  • Гидролиз

Биотические факторы:

  • Наличие собственных штаммов микроорганизмов

История

Полигидроксиалканоат (PHA) был впервые обнаружен у бактерий в 1888 году Мартинусом Бейеринком. В 1926 году французский микробиолог Морис Лемуан химически идентифицировал полимер после извлечения его из Bacillus megaterium . Только в начале 1960-х годов была заложена основа для масштабного производства. Несколько патентов на производство и выделение PHB, простейшего PHA, были переданы WR Grace & Co. (США), но из-за низких выходов, испорченного продукта и высоких затрат на экстракцию операция была прекращена. Когда в 1973 году ОПЕК прекратила экспорт нефти в США, чтобы поднять мировые цены на нефть, все больше пластиковых и химических компаний начали вкладывать значительные средства в биосинтез экологически чистых пластиков. В результате компания Imperial Chemical Industries (ICI UK) успешно произвела ПОБ с выходом 70% с использованием штамма Alcaligenes latus . Конкретным PHA, полученным в этом случае, был scl-PHA. Производственные усилия резко замедлились из-за нежелательных свойств производимого PHA и уменьшения угрозы роста цен на нефть вскоре после этого.

В 1983 году ICI получила венчурное финансирование и основала компанию Marlborough Biopolymers для производства первого биоразлагаемого пластика широкого применения, PHBV, под названием Biopol. Биопол - это сополимер, состоящий из ПОБ и ПОВ, но его производство все еще было слишком дорогостоящим, чтобы подорвать рынок. В 1996 году Monsanto открыла метод производства одного из двух полимеров на заводах и приобрела Biopol у Zeneca, дочернего предприятия ICI, из-за возможности более дешевого производства.

В результате резкого роста цен на нефть в начале 2000-х годов (почти до 140 долларов за баррель в 2008 году) промышленность по производству пластмасс, наконец, попыталась внедрить эти альтернативы пластмассам на нефтяной основе. С тех пор бесчисленные альтернативы, произведенные химическим путем или другими бактериями, растениями, водорослями и растительными отходами, возникли в качестве решений.

Полемика

Хотя термины «компостируемый», биопластик »и« оксодеградирующий пластик »часто используются вместо« биоразлагаемого пластика », эти термины не являются синонимами. Инфраструктура управления отходами в настоящее время перерабатывает обычные пластиковые отходы, сжигает их или размещает на свалке. Добавление биоразлагаемых пластиков к обычным отходам представляет определенную опасность для окружающей среды. Таким образом, очень важно определить, как правильно разлагать альтернативные пластиковые материалы.

Компостируемые пластмассы

И компостируемые пластмассы, и биоразлагаемые пластмассы - это материалы, которые распадаются на свои органические составляющие; однако компостирование некоторых компостируемых пластиков требует строгого контроля факторов окружающей среды, включая более высокие температуры, давление и концентрацию питательных веществ, а также определенные химические соотношения. Эти условия могут быть воссозданы только на промышленных предприятиях по компостированию, которых немного и они очень редки. Таким образом, некоторые пластмассы, которые можно компостировать, могут разлагаться только в строго контролируемой среде. Кроме того, компостирование обычно происходит в аэробных средах, а биоразложение может происходить в анаэробных средах. Полимеры на биологической основе, полученные из неископаемых материалов, могут естественным образом разлагаться в окружающей среде, в то время как некоторые пластмассовые изделия, изготовленные из биоразлагаемых полимеров, требуют помощи анаэробных варочных котлов или компостирующих установок для разложения синтетического материала в процессе органической переработки.

Вопреки распространенному мнению, биоразлагаемые компостируемые пластмассы действительно существуют. Эти пластмассы будут подвергаться биологическому разложению в условиях компостирования, но не начнут разлагаться до тех пор, пока они не будут удовлетворены. Другими словами, эти пластмассы не могут быть заявлены как «биоразлагаемые» (как определено как американскими, так и европейскими стандартами) из-за того, что они не могут разлагаться естественным образом в биосфере. Примером биоразлагаемого компостируемого пластика является полимолочная кислота (PLA).

Стандартное определение ASTM гласит, что компостируемый пластик должен становиться «не различимым визуально» с той же скоростью, что и то, что уже было признано компостируемым согласно традиционному определению.

Биопластики

Пластик считается биопластиком, если он был частично или полностью произведен из полимеров биологического происхождения. Пластик считается биоразлагаемым, если он может разлагаться на воду, двуокись углерода и биомассу за определенный период времени (в зависимости от различных стандартов). Таким образом, термины не являются синонимами. Не все биопластики биоразлагаемы. Примером биоразлагаемого биопластика является ПЭТ на биологической основе. ПЭТ - это нефтехимический пластик, получаемый из ископаемого топлива. ПЭТ на биологической основе - это тот же нефтехимический пластик, но он синтезируется с помощью бактерий. ПЭТ на биологической основе имеет те же технические свойства, что и его аналог на основе ископаемого топлива.

Оксодеградируемые пластмассы

Кроме того, оксо-разлагаемые пластмассы обычно считаются биоразлагаемыми. Однако это просто обычные пластмассы с добавками, называемыми продегредантами, которые ускоряют процесс окисления. Хотя оксоразлагаемые пластмассы быстро разрушаются под воздействием солнечного света и кислорода, они остаются в огромных количествах микропластиков, а не какого-либо биологического материала.

Оксо-разлагаемые пластмассы не могут быть классифицированы как биоразлагаемые в соответствии с американскими и европейскими стандартами, потому что они слишком долго разрушаются и оставляют пластиковые фрагменты, которые не могут быть поглощены микроорганизмами. Хотя оксо-разлагаемые пластмассы предназначены для облегчения биодеградации, они часто не фрагментируются оптимально для микробного переваривания.

Потребительская маркировка и экологическая чистота

Основная статья: Greenwashing

Все материалы по своей природе являются биоразлагаемыми, независимо от того, разлагаются ли они на органические вещества и минерализуются за несколько недель или миллион лет. Следовательно, продукты, которые классифицируются как «биоразлагаемые», но чьи временные и экологические ограничения не указаны явно, дезинформируют потребителей и не имеют прозрачности. Как правило, надежные компании сообщают о конкретных биоразлагаемых условиях своих продуктов, подчеркивая, что их продукты на самом деле биоразлагаемы в соответствии с национальными или международными стандартами. Кроме того, компании, которые маркируют пластмассы с оксобиоразлагаемыми добавками как полностью биоразлагаемые, вносят свой вклад в дезинформацию. Точно так же некоторые бренды могут утверждать, что их пластмассы являются биоразлагаемыми, хотя на самом деле они не являются биоразлагаемыми биопластиками.

В 2021 году, в Европейской комиссии «сек Научный Совет Механизм провел обзор фактических данных о биоразлагаемых пластмасс и пришел к выводу , что:

Маркировка пластиковых предметов как «биоразлагаемых» без объяснения того, какие условия необходимы для их биоразложения, вызывает замешательство среди потребителей и других пользователей. Это может привести к загрязнению потоков отходов и увеличению загрязнения или замусоривания. Необходима четкая и точная маркировка, чтобы потребители могли быть уверены в том, чего ожидать от пластиковых изделий, а также в том, как их правильно использовать и утилизировать.

В ответ на это Европейская комиссии «s группы главных научных Советников рекомендовала в 2021 году для разработки„согласованные стандартов тестирования и сертификации для биодеградации пластмасс в открытой среде“, в то числе«схем испытаний и сертификации оценки фактической биодеградации биоразлагаемых пластиков в контексте их применение в конкретной открытой среде приема ".

Воздействие на окружающую среду

Экологические преимущества

Микробное разложение: основная цель биоразлагаемых пластиков - заменить традиционные пластики, которые остаются на свалках и наносят вред окружающей среде. Таким образом, способность микроорганизмов разрушать этот пластик является огромным преимуществом для окружающей среды. Микробная деградация осуществляется в 3 этапа: колонизация пластиковой поверхности, гидролиз и минерализация. Сначала микроорганизмы заселяют обнаженный пластик. Затем бактерии выделяют ферменты, которые связываются с источником углерода или полимерными субстратами, а затем расщепляют углеводородные связи. В результате производятся H 2 O и CO 2 . Несмотря на выброс CO 2 в окружающую среду, биоразлагаемые пластмассы оставляют меньший след, чем пластмассы на нефтяной основе, которые накапливаются на свалках и вызывают сильное загрязнение, поэтому их исследуют как альтернативу традиционным пластмассам.

Твердые бытовые отходы: согласно отчету Агентства по охране окружающей среды США (EPA) за 2010 г., в США было 31 миллион тонн пластиковых отходов, что составляет 12,4% всех твердых бытовых отходов. Из них было извлечено 2,55 миллиона тонн. Это 8,2% извлечения было намного меньше, чем общий процент извлечения твердых бытовых отходов 34,1%.

Низкие темпы восстановления пластмасс можно отнести к тому, что обычные пластики часто смешиваются с органическими отходами (пищевые отходы, влажная бумага и жидкости), что приводит к накоплению отходов на свалках и в естественной среде обитания. С другой стороны, компостирование этих смешанных органических веществ (пищевые отходы, обрезки дворовых растений и влажная, не подлежащая вторичной переработке бумага) является потенциальной стратегией восстановления большого количества отходов и значительного повышения целей сообщества по переработке отходов. По состоянию на 2015 год пищевые отходы и влажная, не подлежащая переработке бумага, составляют соответственно 39,6 млн и 67,9 млн тонн твердых бытовых отходов .

Биоразлагаемые пластмассы могут заменить неразлагаемые пластмассы в этих потоках отходов, что делает муниципальный компостирование важным инструментом для отвода больших количеств неизвлекаемых отходов со свалок. Компостируемые пластмассы сочетают в себе полезность пластмасс (легкий вес, прочность, относительно низкая стоимость) с возможностью полного и полного компостирования на промышленных предприятиях по производству компоста. Вместо того, чтобы беспокоиться о переработке относительно небольшого количества смешанных пластмасс, сторонники утверждают, что сертифицированные биоразлагаемые пластики можно легко смешивать с другими органическими отходами, что позволяет компостировать гораздо большую часть неизвлекаемых твердых отходов.

Коммерческое компостирование всех смешанных органических веществ становится коммерчески жизнеспособным и экономически устойчивым. Больше муниципалитетов может увести значительные количества отходов с перегруженных свалок, поскольку весь поток отходов теперь поддается биологическому разложению и, следовательно, их легче обрабатывать. Этот отказ от использования свалок может помочь решить проблему пластикового загрязнения .

Таким образом, использование биоразлагаемых пластмасс рассматривается как возможность полного восстановления больших количеств твердых бытовых отходов (посредством аэробного компостирования и использования исходного сырья), которые до сих пор нельзя было утилизировать другими способами, кроме захоронения или сжигания.

Проблемы окружающей среды

Оксо-биоразложение: есть утверждения, что биоразлагаемые пластиковые пакеты могут выделять металлы, и что может потребоваться много времени для разложения при определенных обстоятельствах, и что БД (оксобиоразлагаемый) пластик может производить крошечные фрагменты пластика, которые не продолжают разлагаться при определенных обстоятельствах. любой ощутимой скорости независимо от окружающей среды. Ответ Ассоциации оксо-биоразлагаемых пластиков (www.biodeg.org) заключается в том, что БД-пластики не содержат металлов. Они содержат соли металлов, которые не запрещены законодательством и фактически необходимы в качестве микроэлементов в рационе человека. Оксобиоразложение полиэтилена низкой плотности, содержащего запатентованную добавку на основе соли марганца, показало биоразложение 91% в почвенной среде через 24 месяца.

Влияние на снабжение продуктами питания: также ведутся многочисленные споры об общем использовании углерода, ископаемого топлива и воды при производстве биоразлагаемых биопластиков из природных материалов и о том, оказывают ли они негативное влияние на снабжение людей продуктами питания. Чтобы произвести 1 кг (2,2 фунта) полимолочной кислоты, наиболее распространенного коммерчески доступного компостируемого пластика, требуется 2,65 кг (5,8 фунта) кукурузы. Поскольку по состоянию на 2010 год ежегодно производится около 270 миллионов тонн пластика, замена обычного пластика на полимолочную кислоту, полученную из кукурузы, приведет к удалению 715,5 миллиона тонн из мировых запасов продовольствия в то время, когда глобальное потепление снижает продуктивность тропических ферм.

Выброс метана: есть опасения, что другой парниковый газ, метан , может выделяться, когда любой биоразлагаемый материал, включая действительно биоразлагаемые пластмассы, разлагается в анаэробной среде захоронения отходов . Производство метана на 594 управляемых полигонах улавливается и используется для получения энергии; некоторые свалки сжигают его с помощью процесса, называемого сжиганием, чтобы уменьшить выброс метана в окружающую среду . В США большинство захороненных материалов сегодня отправляется на свалки, где они улавливают биогаз, содержащий метан, для использования в чистой и недорогой энергии. При сжигании пластика, не поддающегося биологическому разложению, также выделяется углекислый газ. Утилизация не поддающихся биологическому разложению пластиков, изготовленных из натуральных материалов, в анаэробной среде (на свалках) приведет к тому, что пластик будет служить сотни лет.

Биоразложение в океане: биоразлагаемый пластик, который не полностью разложился, утилизируется в океанах предприятиями по обращению с отходами, предполагая, что пластик в конечном итоге разрушится за короткий промежуток времени. Однако океан не является оптимальным для биодеградации, поскольку этот процесс способствует теплой среде с изобилием микроорганизмов и кислорода. Оставшиеся микроволокна, не подвергшиеся биоразложению, могут нанести вред морской жизни.

Затраты энергии на производство

Различные исследователи провели обширные оценки жизненного цикла биоразлагаемых полимеров, чтобы определить, являются ли эти материалы более энергоэффективными, чем полимеры, полученные с помощью обычных средств на основе ископаемого топлива. Исследования , проведенные Gerngross , и др. По оценкам, энергия ископаемого топлива, необходимая для производства килограмма полигидроксиалканоата (ПГА), составляет 50,4 МДж / кг, что совпадает с другой оценкой Akiyama, et al. , которые оценивают значение между 50-59 МДж / кг. Эта информация не учитывает энергию исходного сырья, которую можно получить с помощью методов, не основанных на ископаемом топливе. Полилактид (PLA), по оценкам, имел стоимость ископаемого топлива из двух источников в размере 54-56,7, но недавние разработки в области коммерческого производства PLA компанией NatureWorks устранили некоторую зависимость от энергии на основе ископаемого топлива, заменив ее ветровой энергией и биомассой. стратегии. Они сообщают, что при производстве килограмма PLA всего 27,2 МДж энергии на основе ископаемого топлива, и ожидают, что на их установках следующего поколения это число снизится до 16,6 МДж / кг. Напротив, полипропилен и полиэтилен высокой плотности требуют 85,9 и 73,7 МДж / кг соответственно, но эти значения включают вложенную энергию сырья, поскольку оно основано на ископаемом топливе.

Гернгросс сообщает, что для производства одного килограмма PHA требуется 2,65 кг общего эквивалента энергии ископаемого топлива (FFE), в то время как для полиэтилена требуется всего 2,2 кг FFE. Гернгросс считает, что решение о переходе к любой альтернативе биоразлагаемому полимеру должно учитывать приоритеты общества в отношении энергии, окружающей среды и экономических затрат.

Кроме того, важно осознать молодость альтернативных технологий. Например, технология производства PHA все еще находится в стадии разработки, и потребление энергии можно дополнительно снизить, исключив стадию ферментации или используя пищевые отходы в качестве сырья. Ожидается, что использование альтернативных культур помимо кукурузы , таких как бразильский сахарный тростник , снизит потребности в энергии. Например, «производство PHA путем ферментации в Бразилии имеет благоприятную схему энергопотребления, при которой жмых используется в качестве источника возобновляемой энергии».

Многие биоразлагаемые полимеры, полученные из возобновляемых источников (например, на основе крахмала , PHA, PLA), также конкурируют с производством пищевых продуктов , поскольку в настоящее время основным сырьем является кукуруза. Чтобы США могли удовлетворить свой текущий объем производства пластмасс с помощью БП, потребуется 1,62 квадратных метра на произведенный килограмм.

Нормы / стандарты

Чтобы гарантировать целостность продуктов, маркированных как «биоразлагаемые», были установлены следующие стандарты:

Соединенные Штаты

ASTM International определяет методы тестирования биоразлагаемого пластика как в анаэробных, так и в аэробных условиях , а также в морской среде. Конкретная ответственность подкомитета за соблюдение этих стандартов возлагается на Комитет D20.96 по экологически разлагаемым пластмассам и продуктам на биологической основе. Текущие стандарты ASTM определены как стандартные спецификации и стандартные методы испытаний. Стандартные спецификации создают сценарий «прошел или не прошел», тогда как стандартные методы испытаний определяют конкретные параметры испытаний для облегчения конкретных временных рамок и определения токсичности биоразлагаемых тестов на пластмассах.

Анаэробные условия

ASTM D5511-18 - Стандартный метод испытаний для определения анаэробного биоразложения пластиковых материалов в условиях анаэробного разложения с высоким содержанием твердых частиц

ASTM D5526-18 - Стандартный метод испытаний для определения анаэробного биоразложения пластиковых материалов в условиях ускоренного захоронения отходов

Оба стандарта указывают на то, что минимум 70% материала должно подвергнуться биологическому разложению в течение 30 дней (ASTM D5511-18) или продолжительности процедуры тестирования (ASTM D5526-18), чтобы считаться биоразлагаемым в анаэробных условиях.

Аэробные условия

ASTM D6400 - Стандартные спецификации для маркировки пластмасс, предназначенных для аэробного компостирования на муниципальных или промышленных объектах

ASTM D6868 - Стандартные спецификации для маркировки конечных изделий, которые включают пластмассы и полимеры в качестве покрытий или добавок к бумаге и другим субстратам, предназначенным для аэробного компостирования на муниципальных или промышленных объектах

Оба стандарта описывают процедуры тестирования и маркировки биоразлагаемости в условиях аэробного компостирования. Пластмассы можно классифицировать как биоразлагаемые в аэробных средах, если 90% материала полностью минерализовано до CO2 в течение 180 дней (~ 6 месяцев).

Стандарты Европейского Союза

Анаэробные условия

EN 13432: 2000 - Упаковка: требования к упаковке, восстанавливаемой путем компостирования и биоразложения.

Подобно стандартам США, европейский стандарт требует, чтобы 90% полимерных фрагментов полностью минерализовались в CO2 в течение 6 месяцев.

Аэробные условия

EN 14046: 2004 - Оценка максимальной аэробной биоразлагаемости и дезинтеграции упаковочных материалов в контролируемых условиях компостирования.

Будущие европейские стандарты

В 2021 году, то Европейская комиссия «s Научный Совет механизм рекомендовал Комиссии разработать новую сертификацию и тестирование стандартов для биодеградации пластмасс в открытой среде, в том числе:

  • оценка фактических показателей биоразложения и оценка экологических рисков в конкретных открытых средах, таких как почвы, реки и океаны
  • тестирование биодеградации в лабораторных и смоделированных условиях окружающей среды
  • разработка каталога материалов и относительной скорости биоразложения в различных средах
  • «четкая и эффективная маркировка» для потребителей, производителей и продавцов, обеспечивающая надлежащую утилизацию биоразлагаемых пластиков.

Британские стандарты

В октябре 2020 года Британские стандарты опубликовали новые стандарты для биоразлагаемого пластика. Чтобы соответствовать стандартам, биоразлагаемый пластик должен разлагаться до парафина, не содержащего микропластиков или нанопластиков, в течение двух лет. Разрушение пластика может быть вызвано воздействием солнечного света, воздуха и воды. Главный исполнительный директор Polymateria , Найэлом Данн заявил, что его компания создала полиэтиленовую пленку , которая разлагается в течение 226 дней и пластиковые стаканчики , которые разрушались в течение 336 дней.

Роль генной инженерии и синтетической биологии

В связи с растущим беспокойством по поводу экологических последствий пластиковых отходов исследователи изучают возможности применения генной инженерии и синтетической биологии для оптимизации производства биоразлагаемого пластика. Это включает изменение эндогенного генетического состава или других биологических систем организмов.

В 1995 году в статье под названием «Производство полигидроксиалканоатов, семейства биоразлагаемых пластиков и эластомеров, в бактериях и растениях» описывается использование синтетической биологии для увеличения выхода полигидроксиалканоатов (PHA), особенно в растениях Arabidopsis . Аналогичным образом, в исследовании, проведенном в 1999 году, изучалась возможность генетической модификации масличного рапса для производства ПОБВ. Хотя высокий урожай не был получен, это свидетельствует о раннем использовании генной инженерии для производства биоразлагаемых пластиков.

Все еще прилагаются усилия в направлении производства биоразлагаемого пластика путем генетического изготовления и перепроектирования. В опубликованном в 2014 году документе под названием «Генная инженерия увеличивает выход биоразлагаемого пластика из цианобактерий» излагаются процедуры, проводимые для получения более высокого выхода ПОБ, сопоставимого в промышленном масштабе. Предыдущие исследования показали, что белки Rre37 и SigE по отдельности ответственны за активацию продукции ПОБ в штамме цианобактерий Synechocystis . Таким образом, в этом исследовании штамм Synechocystis был модифицирован для сверхэкспрессии белков Rre37 и SigE вместе в условиях ограничения азота.

В настоящее время управляемая студентами исследовательская группа в Университете Вирджинии (Virginia iGEM 2019) находится в процессе генной инженерии Escherichia coli для преобразования стирола (мономера полистирола) в P3HB (тип PHA). Проект направлен на демонстрацию того, что отходы полистирола могут эффективно использоваться в качестве источника углерода для производства биоразлагаемых пластиков, решая как проблемы накопления полистирольных отходов на свалках, так и высокую стоимость производства PHA.

Биоразлагаемые проводящие полимеры в медицине

Биоразлагаемые проводящие полимеры (CP) - это полимерный материал, предназначенный для применения в организме человека. Важными свойствами этого материала являются его электрическая проводимость, сопоставимая с традиционными проводниками, и его способность к биологическому разложению. Применение биоразлагаемых CP в медицине привлекает специалистов в таких областях медицины, как тканевая инженерия и регенеративная медицина. В тканевой инженерии основное внимание уделяется обеспечению поврежденных органов физико-химическими сигналами для восстановления поврежденных органов. Это достигается за счет использования нанокомпозитных строительных лесов. Регенеративная медицина предназначена для регенерации клеток и улучшения процесса восстановления организма. Использование биоразлагаемых CP также может быть реализовано в биомедицинской визуализации вместе с имплантатами и т. Д.

Разработка биоразлагаемых CP началась со смешивания биоразлагаемых полимеров, включая полилактиды, поликапролактон и полиуретаны. Эта конструкция послужила толчком к инновациям в том, что разрабатывается с 2019 года. Текущие биоразлагаемые ХП применимы для использования в биомедицинской области. Композиционная архитектура современных биоразлагаемых CP включает свойства проводимости биоразлагаемых полимеров на основе олигомеров, реализованных в композициях линейных, звездообразных или гиперразветвленных образований. Другая реализация для улучшения биоразлагаемой архитектуры CP заключается в использовании разлагаемых мономеров и конъюгированных связей. Биоразлагаемые полимеры, используемые в биомедицинских приложениях, обычно состоят из гидролизуемых сложных эфиров и гидразонов. Эти молекулы при внешней стимуляции расщепляются и разрушаются. Процесс активации расщепления может быть достигнут за счет использования кислой среды, повышения температуры или использования ферментов. Три категории биоразлагаемых композитов CP были установлены в зависимости от их химического состава. Первая категория включает частично биоразлагаемые смеси ХП проводящих и биоразлагаемых полимерных материалов. Ко второй категории относятся проводящие олигомеры биоразлагаемых ХП. Третья категория - это группа модифицированных и разлагаемых монпмерных единиц вместе с использованием разлагаемых конъюгированных связей для использования в биоразлагаемых полимерах CP.

Смотрите также

дальнейшее чтение

использованная литература