Ferlið við að framleiða lífrænt pólýesterplast og notkun þess í umhverfisvænum umbúðum
Þörfin fyrir umbúðir heldur áfram að aukast samhliða vexti matvæla-, drykkjar-, snyrtivöru- og flutningageirans. Á hinn bóginn eru plast sem byggir á jarðolíu í sviðsljósinu vegna mikils kolefnisspors og erfiðleika við meðhöndlun eftir notkun. Einn valkostur sem er í auknum mæli verið að þróa er lífrænt pólýesterplast, fjölskylda pólýesterfjölliða þar sem hráefnin eru að öllu leyti eða að hluta til unnin úr lífrænum uppruna (lífmassa) og í sumum gerðum eru þau einnig niðurbrjótanleg/niðurbrjótanleg. Lífrænt pólýester býður upp á milliveg á milli frammistöðu hefðbundinna plasts og krafna um sjálfbærni, sérstaklega fyrir umbúðir.
Hvað er lífrænt pólýester?
Efnafræðilega séð er pólýester fjölliða með endurteknum estertengjum í aðalkeðju sinni. Hugtakið lífrænt pólýester getur átt við tvennt: (1) lífrænt byggðar pólýesterar, þar sem einliðurnar eru unnar úr lífmassa eins og sykurreyr, maís, kassava eða jurtaolíum; og/eða (2) niðurbrjótanlegar pólýesterar, eins og PLA (fjölmjólkursýra) og PHA (fjölhýdroxýalkanóöt). Ekki eru allar lífrænt byggðar plast sjálfkrafa niðurbrjótanlegar og ekki eru allar niðurbrjótanlegar plastgerðir lífrænt unnar. Til dæmis er hægt að framleiða lífrænt PET (lífrænt byggt pólýetýlen tereftalat) úr endurnýjanlegum hráefnum en er byggingarlega svipað hefðbundnu PET og brotnar almennt ekki niður eins hratt; en PLA er lífrænt byggt og brotnar tiltölulega auðveldlega niður í iðnaðar jarðgerðarstöðvum.
Í samhengi við umhverfisvænar umbúðir eru þau efni sem oftast eru rædd PLA, PHA, PBS (pólýbútýlensúkkínat), PBAT (oft notað sem blanda til að auka sveigjanleika, þó almennt ekki að fullu lífrænt byggt) og lífrænt PET fyrir flöskuumbúðir ef endurvinnsluinnviðir PET eru sterkir.
Hráefni: frá lífmassa til einliða
Upphafsstigið í framleiðslu á lífpólýester er að undirbúa endurnýjanlegt hráefni sem á að breyta í einliður eða forvera fjölliða. Algengar lífmassauppsprettur eru meðal annars:
1. Sykur og sterkja (sykurreyr, maís, kassava): unnin í glúkósa með vatnsrofi (fyrir sterkju) og síðan gerjuð.
2. Jurtaolíur (pálmaolía, sojaolía, ricinusolía): hægt er að breyta þeim í díól/sýrur með efnahvörfum.
3. Lignósellulósaúrgangur (bagasse, strá, sag): erfiðara þar sem hann þarfnast forvinnslu svo hægt sé að brjóta sellulósann/hemísellulósann niður í gerjanlegan sykur.
Úr sykrinum sem framleiddur er með þessu ferli getur iðnaðurinn framleitt mikilvægar einliður:
– Mjólkursýra (forveri PLA) með gerjun ákveðinna baktería.
– Rafsýra og 1,4-bútandíól (PBS-forveri) með gerjun eða lífefnafræðilegum leiðum.
– 3-hýdroxýbútýrat og svipaðar einliður eru settar saman í PHA beint inni í frumum örvera.
Framleiðsluferli PLA (fjölmjólkursýru)
PLA er einn vinsælasti lífpólýesterinn fyrir umbúðir vegna þess að hann er gegnsær, hægt er að vinna hann með plastvélum svipað og hefðbundið plast og er unninn úr endurnýjanlegum orkugjöfum. Ferli þess felur venjulega í sér:
1. Gerjun sykurs í mjólkursýru
Glúkósi er gerjaður af örverum (t.d. Lactobacillus) til að framleiða mjólkursýru. Þetta stig krefst stjórnunar á sýrustigi, hitastigi, næringarefnum og hreinsun afurðarinnar.
2. Hreinsun mjólkursýru
Til að framleiða hágæða fjölliður verður að hreinsa mjólkursýru úr söltum, lífmassaleifum og öðrum óhreinindum. Hreinsun felur venjulega í sér síun, jónaskipti, eimingu eða kristöllun.
3. Myndun laktíða
Mjólkursýra er þéttuð í oligómera og síðan undir stýrðri afpolymeringu til að mynda laktíð (hringlaga tvíliðu). Það eru nokkrar ísómera (L-laktíð, D-laktíð) sem hafa áhrif á kristöllun og vélræna eiginleika PLA.
4. Hringopnunarfjölliðun (ROP)
Laktíð er fjölliðað með hvata (oft málmbundnum, eins og tin(II)októati í ákveðnum iðnaðarferlum), sem framleiðir PLA með háum mólþunga. Hár mólþungi er mikilvægur fyrir styrk og vinnsluhæfni.
5. Pelletisering og blöndun
Fullunnið PLA er klippt í köggla. Á þessu stigi eru aukefni oft bætt við: mýkingarefni til að koma í veg fyrir brothættni, kjarnamyndunarefni til að stjórna kristöllun eða blöndur við önnur fjölliður til að bæta hitaþol og seiglu.
Framleiðsluferli PHA (pólýhýdroxýalkanóata)
Ólíkt PLA, sem er búið til með efnahvörfum einliða, er PHA „framleitt“ af örverum sem orkuforði innan frumna sinna. Ferlið er sem hér segir:
1. Gerjun
Bakteríur eru ræktaðar með kolefnisgjöfum (sykri, olíum, jafnvel ákveðnum lífrænum úrgangi) við næringarefnatakmörkuð skilyrði (t.d. köfnunarefnistakmörkuð) þannig að frumurnar geyma PHA.
2. Lífmassauppskera og útdráttur
Frumurnar eru aðskildar frá gerjunarmiðlinum, síðan er PHA dregið út (með leysiefnum eða umhverfisvænni aðferðum án leysiefna) og síðan hreinsað.
3. Þurrkun og kögglun
PHA er unnið í kúlur og síðan unnið í filmur, strá eða ílát. PHA er almennt lífbrjótanlegt, jafnvel í sjávarumhverfi við ákveðnar aðstæður, þó að niðurbrotshraði sé breytilegur.
Framleiðsluferli PBS og lífræns PET (stutt yfirlit)
PBS (pólýbútýlensúkkínat) er framleitt með fjölþéttingu súkkínsýru og 1,4-bútandíóls. Þegar báðar einliðurnar eru fengnar úr gerjun lífmassa er hægt að nota PBS sem líftækni. PBS er þekkt fyrir sveigjanleika sinn og tiltölulega góða hitaþol miðað við PLA, sem gerir það hentugt fyrir poka, filmur og fjöllaga umbúðir.
Lífrænt PET er yfirleitt framleitt með því að skipta út hluta af PET-hráefninu (t.d. etýlen glýkól) fyrir lífrænar orkugjafa, en tereftalsýra er enn oft unnin úr jarðefnum (þó að lífrænar leiðir til að framleiða tereftalat séu einnig í þróun). Kosturinn er sá að það hefur sömu eiginleika og PET, sem gerir það samhæft við hefðbundin PET-endurvinnslukerfi.
Framleiðsla umbúðaafurða: frá kúlum til filmu, flöskur og bakka
Eftir að lífræna pólýesterið verður að kúlum er næsta skref umbreytingarferlið í umbúðir, þar á meðal:
– Pressuð filma (steypt filma eða blásin filma) fyrir poka og umbúðir.
– Hitamótun til að búa til bolla, matarbakka og þynnur.
– Sprautusteypa fyrir lok, skeiðar, gaffla eða ákveðna íhluti.
– Blástursmótun fyrir flöskur (yfirleitt úr lífrænu PET eða ákveðnum blöndum).
Lykiláskorun með lífpólýesterum er hitastöðugleiki og rakastjórnun. PLA, til dæmis, er viðkvæmt fyrir vatnsrofi við vinnslu, þannig að kögglana þarf að þurrka áður en þær eru pressaðar eða sprautusteyptar.
Notkun í umhverfisvænum umbúðum
Lífrænt pólýester er mikið notað í umbúðir með það að markmiði að draga úr losun og/eða bæta meðhöndlun eftir notkun.
1. Umbúðir matvæla og drykkjar
PLA er oft notað í bolla fyrir kalda drykki, lok, ávaxtabakka og salatumbúðir vegna þess hve gegnsætt og stíft það er. Fyrir heitan mat þarf PLA aðlögun (t.d. meiri kristöllun/CPET) til að þola hærra hitastig.
2. Niðurbrjótanlegar filmur og pokar
Lífbrjótanlegar blöndur af lífrænum pólýesterum (t.d. PLA með PBAT eða PBS) eru mikið notaðar í poka úr lífrænum úrgangi og landbúnaðarplastfilmur, þar sem þær miða að því að brjóta niður í moldaraðstöðu eða jarðvegi (fer eftir stöðlum og samsetningu).
3. Snyrtivöruumbúðir og smásöluvörur
Bio-PET eða PLA eru valin fyrir flöskur, krukkur eða þynnur sem hluti af stefnu vörumerkisins gagnvart endurnýjanlegum hráefnum. Fagurfræði og stífleiki eru lykilatriði hér.
4. Umbúðir úr blönduðum trefjum (pappír og plast)
Lífpólýester er hægt að nota sem húðun á pappír til að bæta vatns- og olíuþol. Hins vegar verður hönnunin að taka tillit til endurvinnanleika eða niðurbrotshæfni til að forðast að mynda flókna blöndu af efnum sem erfitt er að aðskilja.
Umhverfisþættir og áskoranir í framkvæmd
Þótt lífpólýester sé efnilegt er það ekki ein lausn. Það eru nokkrir mikilvægir þættir:
– Endurnýtanleg innviði: PLA þarfnast almennt iðnaðarkompostunar með stýrðum hita og raka. Ef það er ekki meðhöndlað í umhverfinu getur það brotnað hægt niður.
– Endurvinnsla: Hægt er að endurvinna lífrænt PET með PET, en PLA krefst sérstaks endurvinnslustraums til að koma í veg fyrir að gæði PET skerðist þegar því er blandað saman.
– Lífmassauppsprettur og landnotkun: Val á hráefnum verður að taka mið af samkeppni við matvæli, vatnsnotkun og áhrif landbúnaðar. Nýting lignósellulósaúrgangs er mikilvæg stefna að aukinni sjálfbærni.
– Efniseiginleikar: Sum lífræn pólýester eru yfirleitt brothættari eða minna hitaþolin en ákveðin jarðefnaplast, sem krefst oft blöndum/aukefna eða endurhönnunar umbúða.
Lokun
Framleiðsluferli lífpólýesterplasts tengir í raun þrjá heima saman: framleiðslu lífmassa, líftækni (gerjun) og fjölliðuverkfræði (fjölliðun og myndun afurða). PLA og PHA sýna fram á hvernig hægt er að umbreyta endurnýjanlegum hráefnum í hagnýtt plast, en PBS og líf-PET bjóða upp á afköst sem eru nær hefðbundnu plasti með aðferðum til að draga úr kolefnisfótspori eða samhæfni við endurvinnslu. Til að ná sannarlega sjálfbærum umbúðum verður val á lífpólýester að fylgja viðeigandi umbúðahönnun, söfnunarkerfi og skýrum valkosti við lok líftíma - hvort sem það er endurvinnsla, jarðgerð eða aðrar vinnsluaðferðir. Með heildrænni nálgun getur lífpólýester verið lykilþáttur í umbreytingunni yfir í hringrásarhagkerfi í umbúðaiðnaðinum.
