Biopolüesterplasti valmistamise protsess ja selle kasutamine keskkonnasõbralikus pakendis
Pakendite vajadus kasvab jätkuvalt koos toidu-, joogi-, kosmeetika- ja logistikatööstuse kasvuga. Teisest küljest on tähelepanu keskpunktis nafta baasil valmistatud plastid oma suure süsiniku jalajälje ja kasutusjärgse käitlemise raskuste tõttu. Üks alternatiiv, mida üha enam arendatakse, on biopolüesterplast – polüesterpolümeeride perekond, mille toorained pärinevad täielikult või osaliselt bioloogilistest allikatest (biomassist) ja mõned tüübid on ka biolagunevad/kompostitavad. Biopolüester pakub kompromissi tavapäraste plastide toimivuse ja jätkusuutlikkuse nõuete vahel, eriti pakendirakenduste puhul.
Mis on biopolüester?
Keemiliselt on polüester polümeer, mille peaahelas on korduvad estersidemed. Mõiste biopolüester võib viidata kahele asjale: (1) biopõhised polüestrid, kus monomeerid on saadud biomassist, näiteks suhkruroost, maisist, maniokist või taimeõlidest; ja/või (2) biolagunevad polüestrid, näiteks PLA (polüpiimhape) ja PHA (polühüdroksüalkanoaadid). Kõik biopõhised plastid ei ole automaatselt biolagunevad ja mitte kõik biolagunevad plastid ei ole biosaadud. Näiteks bio-PET-i (biopõhine polüetüleentereftalaat) saab valmistada taastuvatest toorainetest, kuid see on struktuurilt sarnane tavapärase PET-iga ja üldiselt ei biolagune nii kiiresti; samas kui PLA on biopõhine ja laguneb tööstuslikes kompostimisrajatistes suhteliselt kergesti.
Keskkonnasõbraliku pakendi kontekstis arutatakse kõige sagedamini PLA-d, PHA-d, PBS-i (polübutüleensuktsinaati), PBAT-d (kasutatakse sageli seguna paindlikkuse suurendamiseks, kuigi see pole üldiselt täielikult biopõhine) ja bio-PET-i pudelite pakendamiseks, kui PET-i ringlussevõtu infrastruktuur on tugev.
Toorained: biomassist monomeerini
Biopolüestri tootmise esimene etapp on taastuvate toorainete ettevalmistamine monomeerideks või polümeeride lähteaineteks muutmiseks. Levinud biomassiallikate hulka kuuluvad:
1. Suhkur ja tärklis (suhkruroog, mais, maniokk): töödeldakse hüdrolüüsi teel glükoosiks (tärklise saamiseks) ja seejärel kääritatakse.
2. Taimsed õlid (palmi-, soja-, kastoorõlid): neid saab keemiliste reaktsioonide abil muuta dioolideks/hapeteks.
3. Lignotselluloosjäätmed (suhkruroo, õled, saepuru): keerulisem, kuna see vajab eeltöötlust, et tselluloos/hemitselluloos saaks lagundada kääritatavateks suhkruteks.
Selle protsessi abil toodetud suhkrust saab tööstus toota olulisi monomeere:
– Piimhape (PLA eelkäija) teatud bakterite kääritamise teel.
– merevaikhape ja 1,4-butaandiool (PBS-i eelkäija) kääritamise või biokeemiliste meetodite abil.
– 3-hüdroksübutüraat ja sarnased monomeerid moodustavad PHA-d otse mikroorganismide rakkudes.
PLA (polüpiimhappe) tootmisprotsess
PLA on üks populaarsemaid biopolüestreid pakendites, kuna see on läbipaistev, seda saab töödelda tavapäraste plastidega sarnaste plastmasinatega ja see on saadud taastuvatest allikatest. Selle protsessiahel hõlmab tavaliselt järgmist:
1. Suhkru kääritamine piimhappeks
Mikroorganismid (nt Lactobacillus) kääritavad glükoosi piimhappe saamiseks. See etapp nõuab pH, temperatuuri, toitainete ja toote puhastamise kontrollimist.
2. Piimhappe puhastamine
Kvaliteetsete polümeeride tootmiseks tuleb piimhape puhastada sooladest, jääkbiomassist ja muudest lisanditest. Puhastamine hõlmab tavaliselt filtreerimist, ioonvahetust, destilleerimist või kristalliseerimist.
3. Laktiidi moodustumine
Piimhape kondenseeritakse oligomeerideks ja seejärel depolümeriseeritakse kontrollitult, moodustades laktiidi (tsüklilise dimeeri). PLA kristallilisust ja mehaanilisi omadusi mõjutavad mitmed isomeerid (L-laktiid, D-laktiid).
4. Rõnga avanemise polümerisatsioon (ROP)
Laktiid polümeriseeritakse katalüsaatori (sageli metallipõhise, näiteks teatud tööstusprotsessides tinaoktoaadi) abil, saades suure molekulmassiga PLA. Suur molekulmass on oluline tugevuse ja töödeldavuse jaoks.
5. Granuleerimine ja segamine
Valmis PLA graanuliteks pressitakse. Selles etapis lisatakse sageli lisaaineid: plastifikaatoreid rabeduse vältimiseks, tuumastavaid aineid kristallisatsiooni reguleerimiseks või segusid teiste polümeeridega kuumakindluse ja sitkuse parandamiseks.
PHA (polühüdroksüalkanoaatide) tootmisprotsess
Erinevalt PLA-st, mis tekib monomeeride keemilise reaktsiooni teel, "toodavad" PHA-d mikroorganismid oma rakkude energiavaruna. Protsess on järgmine:
1. Kääritamine
Baktereid kasvatatakse süsinikuallikatega (suhkrud, õlid, isegi teatud orgaanilised jäätmed) toitainetevaestes tingimustes (nt lämmastikuvaeses), nii et rakud säilitavad PHA-d.
2. Biomassi kogumine ja ekstraheerimine
Rakud eraldatakse fermentatsioonikeskkonnast, seejärel ekstraheeritakse PHA (lahustite või keskkonnasõbralike mittelahustavate meetodite abil) ja puhastatakse.
3. Kuivatamine ja granuleerimine
PHA-d töödeldakse graanuliteks ja seejärel kiledeks, kõrteks või konteineriteks. PHA on üldiselt biolagunev, isegi teatud tingimustes merekeskkonnas, kuigi lagunemiskiirus on erinev.
PBS-i ja bio-PET-i tootmisprotsess (lühike ülevaade)
PBS (polübutüleensuktsinaat) valmistatakse merevaikhappe ja 1,4-butaandiooli polükondensatsiooni teel. Kui mõlemad monomeerid pärinevad biomassi kääritamisel, saab PBS-i biopõhiseks muuta. PBS on tuntud oma paindlikkuse ja PLA-ga võrreldes suhteliselt kuumakindluse poolest, mistõttu sobib see kottidesse, kiledesse ja mitmekihilistesse pakenditesse.
Bio-PETi valmistatakse tavaliselt osa PET-i tooraine (nt etüleenglükooli) asendamise teel bioallikatega, samas kui tereftaalhape on endiselt sageli fossiilkütusel põhinev (kuigi ka tereftalaadi bioloogilisi tootmisviise arendatakse). Selle eelis: sellel on samad omadused kui PET-il, mistõttu see ühildub väljakujunenud PET-i ringlussevõtu süsteemidega.
Pakkematerjalide valmistamine: graanulitest kilede, pudelite ja kandikuteni
Pärast biopolüestri graanuliteks muutmist on järgmine etapp pakendiks muutmise protsess, mis hõlmab järgmist:
– Ekstrudeeritud kile (valatud kile või puhutud kile) kottide ja ümbriste jaoks.
– Termovormimine tasside, toidualuste ja blistrite valmistamiseks.
– Kaante, lusikate, kahvlite või teatud komponentide survevalu.
– Pudelite puhumisvormimine (üldiselt bio-PET-ist või teatud segudest).
Biopolüestrite peamine väljakutse on termiline stabiilsus ja niiskuse reguleerimine. Näiteks PLA on töötlemise ajal hüdrolüüsi suhtes tundlik, seega tuleb graanulid enne ekstrusiooni või survevalu vormimist kuivatada.
Rakendused keskkonnasõbralikus pakendis
Biopolüestrit kasutatakse laialdaselt pakendites eesmärgiga vähendada heitkoguseid ja/või parandada kasutusjärgset käideldavust.
1. Toidu- ja joogipakendid
PLA-d kasutatakse oma läbipaistva ja jäiga välimuse tõttu sageli külmade jookide tasside, kaante, puuviljaaluste ja salatipakendites. Kuumade toitude puhul vajab PLA kõrgematele temperatuuridele vastupidamiseks modifitseerimist (nt kõrgem kristalliseerumine/CPET).
2. Kompostitavad kiled ja kotid
Biolagunevaid biopolüestersegusid (nt PLA koos PBAT-i või PBS-iga) kasutatakse laialdaselt orgaaniliste jäätmete kottide ja põllumajanduslike multšikilede valmistamiseks, kuna nende eesmärk on laguneda kompostimisrajatistes või pinnases (sõltuvalt standarditest ja koostisest).
3. Kosmeetikatoodete pakendid ja jaemüügitooted
Brändi strateegia osana taastuvate toorainete osas valitakse pudelite, purkide või blistrite jaoks bio-PET või PLA. Esteetika ja jäikus on siinkohal võtmetähtsusega.
4. Segatud kiust pakend (paberi-plasti hübriid)
Biopolüestrit saab kasutada paberi kattekihina, et parandada vee-/õlikindlust. Projekteerimisel tuleb aga arvestada taaskasutatavuse või kompostitavusega, et vältida keerulise ja raskesti eraldatava materjalisegu teket.
Keskkonnaaspektid ja rakendamisega seotud väljakutsed
Kuigi biopolüester on paljulubav, ei ole see ainus lahendus. Sellel on mitu olulist aspekti:
– Kasutuselt kõrvaldamise infrastruktuur: PLA vajab üldiselt tööstuslikku kompostimist kontrollitud temperatuuri ja niiskuse juures. Kui seda keskkonnas töötlemata jätta, võib selle lagunemine olla aeglane.
– Taaskasutus: Bio-PETi saab koos PETiga taaskasutada, samas kui PLA puhul on vaja eraldi ringlussevõtuvoogu, et segamisel PETi kvaliteeti mitte kahjustada.
– Biomassi allikad ja maakasutus: tooraine valikul tuleb arvestada konkurentsiga toidu, veekasutuse ja põllumajandusliku mõjuga. Lignotselluloosjäätmete kasutamine on oluline suund suurema jätkusuutlikkuse saavutamiseks.
– Materjali omadused: mõned biopolüestrid on tavaliselt hapramad või vähem kuumakindlad kui teatud fossiilsed plastid, mistõttu on sageli vaja kasutada segusid/lisandeid või pakendit ümber kujundada.
Sulgemine
Biopolüesterplasti tootmisprotsess ühendab sisuliselt kolme maailma: biomassi tootmise, biotehnoloogia (kääritamine) ja polümeeride inseneriteaduse (polümerisatsioon ja toodete moodustamine). PLA ja PHA näitavad, kuidas taastuvaid tooraineid saab muuta funktsionaalseteks plastmaterjalideks, samas kui PBS ja bio-PET pakuvad tavapärastele plastidele lähemal asuvaid toimivusvõimalusi koos strateegiatega süsiniku jalajälje vähendamiseks või ringlussevõtu ühilduvuseks. Tõeliselt jätkusuutliku pakendi saavutamiseks peab bio-polüestri valikuga kaasnema sobiv pakendikujundus, kogumissüsteem ja selged kasutusea lõpu valikud – olgu selleks ringlussevõtt, kompostimine või muud töötlemismeetodid. Tervikliku lähenemisviisi korral võib bio-polüester olla pakenditööstuses ringmajandusele ülemineku võtmeelement.
