Y broses o wneud plastig bio-polyester a'i gymhwysiad mewn pecynnu sy'n gyfeillgar i'r amgylchedd
Mae'r angen am ddeunydd pacio yn parhau i gynyddu ynghyd â thwf y diwydiannau bwyd, diod, colur a logisteg. Ar y llaw arall, mae plastigau sy'n seiliedig ar betroliwm yn y chwyddwydr oherwydd eu hôl troed carbon uchel a'u hanhawster i reoli eu defnydd ar ôl hynny. Un dewis arall sy'n cael ei ddatblygu fwyfwy yw plastig biopolyester, teulu o bolymerau polyester y mae eu deunyddiau crai yn deillio'n gyfan gwbl neu'n rhannol o ffynonellau biolegol (biomas), ac mewn rhai mathau maent hefyd yn fioddiraddadwy/compostiadwy. Mae biopolyester yn cynnig tir canol rhwng perfformiad plastigau confensiynol a gofynion cynaliadwyedd, yn enwedig ar gyfer cymwysiadau pecynnu.
Beth yw bio-polyester?
Yn gemegol, mae polyester yn bolymer sydd â bondiau ester ailadroddus yn ei brif gadwyn. Gall y term bio-polyester gyfeirio at ddau beth: (1) polyesterau bio-seiliedig, lle mae'r monomerau'n deillio o fiomas fel cansen siwgr, corn, casafa, neu olewau llysiau; a/neu (2) polyesterau bioddiraddadwy, fel PLA (asid polylactig) a PHA (polyhydroxyalcanoadau). Nid yw pob plastig bio-seiliedig yn fioddiraddadwy'n awtomatig, ac nid yw pob un bioddiraddadwy yn fioddeiriad. Er enghraifft, gellir gwneud bio-PET (polyethylen tereffthalad bio-seiliedig) o ddeunyddiau crai adnewyddadwy ond mae'n strwythurol debyg i PET confensiynol ac yn gyffredinol nid yw'n bioddiraddio mor gyflym; tra bod PLA yn fioddeiriedig ac yn gymharol hawdd yn dadelfennu mewn cyfleusterau compostio diwydiannol.
Yng nghyd-destun pecynnu ecogyfeillgar, y rhai a drafodir amlaf yw PLA, PHA, PBS (polybutylene succinate), PBAT (a ddefnyddir yn aml fel cymysgedd i gynyddu hyblygrwydd, er nad yw'n gwbl fio-seiliedig yn gyffredinol), a bio-PET ar gyfer pecynnu poteli os yw'r seilwaith ailgylchu PET yn gryf.
Deunyddiau crai: o fiomas i monomer
Y cam cychwynnol mewn cynhyrchu biopolyester yw paratoi deunyddiau crai adnewyddadwy i'w trosi'n monomerau neu ragflaenwyr polymer. Mae ffynonellau biomas cyffredin yn cynnwys:
1. Siwgr a startsh (cansen siwgr, corn, casafa): yn cael eu prosesu'n glwcos trwy hydrolysis (ar gyfer startsh) ac yna'u eplesu.
2. Olewau llysiau (palmwydd, ffa soia, castor): gellir eu trosi trwy adweithiau cemegol yn ddiolau/asidau.
3. Gwastraff lignocellwlosig (bagasse, gwellt, blawd llif): yn fwy heriol oherwydd ei fod angen ei drin ymlaen llaw fel y gellir torri'r cellwlos/hemicellulos i lawr yn siwgrau eplesadwy.
O'r siwgr a gynhyrchir gan y broses hon, gall diwydiant gynhyrchu monomerau pwysig:
– Asid lactig (rhagflaenydd PLA) trwy eplesu gan rai bacteria.
– Asid swccinig a 1,4-bwtanediol (rhagflaenydd PBS) trwy eplesu neu lwybrau biocemegol.
– Mae 3-hydroxybutyrate a monomerau tebyg yn cael eu cydosod yn PHA yn uniongyrchol y tu mewn i gelloedd micro-organebau.
Proses gweithgynhyrchu PLA (asid polylactig)
Mae PLA yn un o'r biopolyestrau mwyaf poblogaidd ar gyfer pecynnu oherwydd ei fod yn dryloyw, gellir ei brosesu â pheiriannau plastig tebyg i blastigau confensiynol, ac mae'n deillio o ffynonellau adnewyddadwy. Mae ei gadwyn broses fel arfer yn cynnwys:
1. Eplesu siwgr yn asid lactig
Mae glwcos yn cael ei eplesu gan ficro-organebau (e.e., Lactobacillus) i gynhyrchu asid lactig. Mae'r cam hwn yn gofyn am reoli pH, tymheredd, maetholion a phuro'r cynnyrch.
2. Puro asid lactig
I gynhyrchu polymerau o ansawdd uchel, rhaid puro asid lactig o halwynau, biomas gweddilliol, ac amhureddau eraill. Mae puro fel arfer yn cynnwys hidlo, cyfnewid ïonau, distyllu, neu grisialu.
3. Ffurfiant lactid
Mae asid lactig yn cael ei gyddwyso i mewn i oligomerau, yna'n cael ei ddadbolymereiddio dan reolaeth i ffurfio lactid (dimer cylchol). Mae sawl isomer (L-lactid, D-lactid) sy'n effeithio ar grisialedd a phriodweddau mecanyddol PLA.
4. Polymerization agor cylch (ROP)
Caiff lactid ei bolymeru gan ddefnyddio catalydd (sy'n aml yn seiliedig ar fetel, fel octoad stannws mewn rhai prosesau diwydiannol), gan gynhyrchu PLA pwysau moleciwlaidd uchel. Mae pwysau moleciwlaidd uchel yn bwysig ar gyfer cryfder a phrosesadwyedd.
5. Pelenni a chyfansoddi
Caiff y PLA gorffenedig ei beledu. Ar y cam hwn, mae ychwanegion yn aml yn cael eu hychwanegu: plastigyddion i atal breuder, asiantau niwcleo i reoleiddio crisialu, neu gymysgeddau â pholymerau eraill i wella ymwrthedd gwres a chaledwch.
Proses gweithgynhyrchu PHA (polyhydroxyalcanoates)
Yn wahanol i PLA, sy'n cael ei wneud trwy adwaith cemegol monomerau, mae PHA yn cael ei "gynhyrchu" gan ficro-organebau fel cronfa ynni o fewn eu celloedd. Mae'r broses fel a ganlyn:
1. Eplesu
Mae bacteria'n cael eu tyfu gyda ffynonellau carbon (siwgrau, olewau, hyd yn oed rhai gwastraff organig) o dan amodau cyfyngedig o ran maetholion (e.e., cyfyngedig o ran nitrogen) fel bod y celloedd yn storio PHA.
2. Cynaeafu ac echdynnu biomas
Mae'r celloedd yn cael eu gwahanu oddi wrth y cyfrwng eplesu, yna mae'r PHA yn cael ei echdynnu (gan ddefnyddio toddyddion neu ddulliau di-doddydd mwy cyfeillgar i'r amgylchedd), ac yna'n cael ei buro.
3. Sychu a phelenni
Caiff PHA ei brosesu'n belenni ac yna'n ffilmiau, gwellt, neu gynwysyddion. Yn gyffredinol, mae PHA yn fioddiraddadwy, hyd yn oed mewn amgylcheddau morol o dan rai amodau, er bod y gyfradd ddiraddio yn amrywio.
Proses gweithgynhyrchu PBS a bio-PET (trosolwg byr)
Gwneir PBS (polybutylene succinate) trwy bolygyddiad asid succinig ac 1,4-butanediol. Pan fydd y ddau monomer yn deillio o eplesu biomas, gellir gwneud PBS yn fiobeilio. Mae PBS yn adnabyddus am ei hyblygrwydd a'i wrthwynebiad gwres cymharol o'i gymharu â PLA, gan ei wneud yn addas ar gyfer powtiau, ffilmiau, a phecynnu aml-haen.
Fel arfer, gwneir Bio-PET trwy ddisodli rhywfaint o'r deunydd crai PET (e.e., ethylene glycol) â bio-ffynonellau, tra bod asid tereffthalig yn aml yn dal i fod yn seiliedig ar ffosil (er bod bio-lwybrau i dereffthalad hefyd yn cael eu datblygu). Ei fantais: mae ganddo'r un priodweddau â PET, gan ei wneud yn gydnaws â systemau ailgylchu PET sefydledig.
Ffurfio cynnyrch pecynnu: o belenni i ffilmiau, poteli a hambyrddau
Ar ôl i'r bio-polyester ddod yn belenni, y cam nesaf yw'r broses drosi'n ddeunydd pacio, gan gynnwys:
– Ffilm allwthiol (ffilm bwrw neu ffilm chwythu) ar gyfer bagiau a lapwyr.
– Thermoformio i wneud cwpanau, hambyrddau bwyd a phothelli.
– Mowldio chwistrellu ar gyfer caeadau, llwyau, ffyrc, neu gydrannau penodol.
– Mowldio chwythu ar gyfer poteli (yn gyffredinol mewn bio-PET neu rai cymysgeddau).
Un o’r prif heriau gyda biopolyestrau yw sefydlogrwydd thermol a rheoli lleithder. Mae PLA, er enghraifft, yn sensitif i hydrolysis yn ystod prosesu, felly mae angen sychu’r pelenni cyn eu hallwthio neu eu mowldio â chwistrelliad.
Cymwysiadau mewn pecynnu sy'n gyfeillgar i'r amgylchedd
Defnyddir bio-polyester yn helaeth mewn pecynnu gyda'r nod o leihau allyriadau a/neu wella rheolaeth ôl-ddefnydd.
1. Pecynnu bwyd a diod
Defnyddir PLA yn aml ar gyfer cwpanau diodydd oer, caeadau, hambyrddau ffrwythau, a phecynnu salad oherwydd ei ymddangosiad clir ac anhyblyg. Ar gyfer bwydydd poeth, mae angen addasiadau i PLA (e.e., crisialu uwch/CPET) i wrthsefyll tymereddau uwch.
2. Ffilmiau a bagiau compostiadwy
Defnyddir cymysgeddau bio-polyester bioddiraddadwy (e.e. PLA gyda PBAT neu PBS) yn helaeth ar gyfer bagiau gwastraff organig a ffilmiau tomwellt amaethyddol, gan eu bod yn targedu'r gallu i ddadelfennu mewn cyfleusterau compost neu bridd (yn dibynnu ar safonau a fformiwleiddiad).
3. Pecynnu cosmetig a chynhyrchion manwerthu
Dewisir Bio-PET neu PLA ar gyfer poteli, jariau, neu bothelli fel rhan o strategaeth brand tuag at ddeunyddiau crai adnewyddadwy. Mae estheteg ac anhyblygedd yn ystyriaethau allweddol yma.
4. Pecynnu ffibr cymysg (hybrid papur-plastig)
Gellir defnyddio biopolyester fel haen ar bapur i wella ymwrthedd i ddŵr/olew. Fodd bynnag, rhaid i'r dyluniad ystyried ailgylchadwyedd neu gompostiadwyedd er mwyn osgoi creu cymysgedd cymhleth o ddefnyddiau sy'n anodd eu gwahanu.
Agweddau amgylcheddol a heriau gweithredu
Er ei fod yn addawol, nid yw biopolyester yn ateb sengl. Mae sawl agwedd bwysig:
– Seilwaith diwedd oes: Yn gyffredinol mae angen compostio diwydiannol ar gyfer PLA gyda thymheredd a lleithder rheoledig. Os na chaiff ei drin yn yr amgylchedd, gall ei ddiraddio fod yn araf.
– Ailgylchu: Gellir ailgylchu Bio-PET gyda PET, tra bod angen ffrwd ailgylchu ar wahân ar gyfer PLA er mwyn osgoi peryglu ansawdd PET pan gaiff ei gymysgu.
– Ffynonellau biomas a defnydd tir: Rhaid i ddewis deunyddiau crai ystyried cystadleuaeth â bwyd, defnydd dŵr, ac effeithiau amaethyddol. Mae defnyddio gwastraff lignocellwlosig yn gyfeiriad pwysig ar gyfer mwy o gynaliadwyedd.
– Priodweddau deunydd: mae rhai bio-polyestrau yn tueddu i fod yn fwy brau neu'n llai gwrthsefyll gwres na rhai plastigau ffosil, gan olygu yn aml bod angen cymysgeddau/ychwanegion neu ailgynllunio deunydd pacio.
Cau
Mae'r broses weithgynhyrchu plastig biopolyester yn cysylltu tair byd yn ei hanfod: cynhyrchu biomas, biodechnoleg (eplesu), a pheirianneg polymer (polymerization a ffurfio cynnyrch). Mae PLA a PHA yn dangos sut y gellir trawsnewid deunyddiau crai adnewyddadwy yn blastigau swyddogaethol, tra bod PBS a bio-PET yn cynnig opsiynau perfformiad sy'n agosach at blastigau confensiynol gyda strategaethau ar gyfer lleihau ôl troed carbon neu gydnawsedd ailgylchu. Er mwyn cyflawni pecynnu gwirioneddol gynaliadwy, rhaid i ddewis bio-polyester fod ynghyd â dyluniad pecynnu priodol, system gasglu, ac opsiynau diwedd oes clir—boed yn ailgylchu, compostio, neu ddulliau prosesu eraill. Gyda dull cyfannol, gall bio-polyester fod yn rhan allweddol o'r newid i economi gylchol yn y diwydiant pecynnu.
