ბიოპოლიესტერული პლასტმასის დამზადების პროცესი და მისი გამოყენება ეკოლოგიურად სუფთა შეფუთვაში
შეფუთვის საჭიროება კვლავ იზრდება კვების, სასმელების, კოსმეტიკური და ლოჯისტიკის ინდუსტრიების ზრდასთან ერთად. მეორეს მხრივ, ნავთობპროდუქტებზე დამზადებული პლასტმასი ყურადღების ცენტრშია მათი მაღალი ნახშირბადის კვალისა და გამოყენების შემდეგ მართვის სირთულის გამო. ერთ-ერთი ალტერნატივა, რომელიც სულ უფრო მეტად მუშავდება, არის ბიოპოლიესტერული პლასტმასი, პოლიესტერის პოლიმერების ოჯახი, რომლის ნედლეული მთლიანად ან ნაწილობრივ მიღებულია ბიოლოგიური წყაროებიდან (ბიომასა) და ზოგიერთ ტიპში ასევე ბიოდეგრადირებადი/კომპოსტირებადია. ბიოპოლიესტერი საშუალო ადგილს გვთავაზობს ჩვეულებრივი პლასტმასის მუშაობასა და მდგრადობის მოთხოვნებს შორის, განსაკუთრებით შეფუთვის გამოყენებისთვის.
რა არის ბიოპოლიესტერი?
ქიმიურად, პოლიესტერი არის პოლიმერი, რომელსაც მთავარ ჯაჭვში განმეორებადი ეთერული ბმები აქვს. ტერმინი „ბიოპოლიესტერი“ შეიძლება ორ რამეს გულისხმობდეს: (1) ბიო-ბაზის პოლიესტერებს, სადაც მონომერები მიიღება ბიომასისგან, როგორიცაა შაქრის ლერწამი, სიმინდი, მანიჰოტი ან მცენარეული ზეთები; და/ან (2) ბიოდეგრადირებად პოლიესტერებს, როგორიცაა PLA (პოლირძემჟავა) და PHA (პოლიჰიდროქსიალკანოატები). ყველა ბიო-ბაზის პლასტმასი ავტომატურად ბიოდეგრადირებადი არ არის და ყველა ბიოდეგრადირებადი არ არის ბიო-წარმოებული. მაგალითად, ბიო-PET (ბიო-ბაზის პოლიეთილენტერეფტალატი) შეიძლება დამზადდეს განახლებადი ნედლეულისგან, მაგრამ სტრუქტურულად მსგავსია ჩვეულებრივი PET-ისა და ზოგადად სწრაფად არ იშლება; მაშინ როდესაც PLA ბიო-ბაზისია და შედარებით ადვილად იშლება სამრეწველო კომპოსტირების ობიექტებში.
ეკოლოგიურად სუფთა შეფუთვის კონტექსტში, ყველაზე ხშირად განხილულია PLA, PHA, PBS (პოლიბუტილენ სუქცინატი), PBAT (ხშირად გამოიყენება ნაზავის სახით მოქნილობის გასაზრდელად, თუმცა ზოგადად სრულად ბიობაზის არ არის) და ბიო-PET ბოთლების შესაფუთად, თუ PET-ის გადამუშავების ინფრასტრუქტურა ძლიერია.
ნედლეული: ბიომასიდან მონომერამდე
ბიოპოლიესტერის წარმოების საწყისი ეტაპი განახლებადი ნედლეულის მომზადებაა მონომერებად ან პოლიმერის წინამორბედებად გარდასაქმნელად. ბიომასის გავრცელებული წყაროებია:
1. შაქარი და სახამებელი (შაქრის ლერწამი, სიმინდი, მანიჰოტი): ჰიდროლიზის გზით (სახამებლის მისაღებად) გადამუშავდება გლუკოზად და შემდეგ ფერმენტირდება.
2. მცენარეული ზეთები (პალმის, სოიოს, აბუსალათინის): ქიმიური რეაქციების მეშვეობით შეიძლება გარდაიქმნას დიოლებად/მჟავებად.
3. ლიგნოცელულოზური ნარჩენები (ბაგასი, ჩალა, ნახერხი): უფრო რთული ამოცანაა, რადგან ის მოითხოვს წინასწარ დამუშავებას, რათა ცელულოზა/ჰემიცელულოზა დაიშალოს ფერმენტირებად შაქრებად.
ამ პროცესით წარმოებული შაქრისგან ინდუსტრიას შეუძლია მნიშვნელოვანი მონომერების წარმოება:
– რძემჟავა (PLA-ს წინამორბედი) გარკვეული ბაქტერიების მიერ დუღილის შედეგად.
– ქარვის მჟავა და 1,4-ბუტანდიოლი (PBS-ის წინამორბედი) დუღილის ან ბიოქიმიური გზებით.
– 3-ჰიდროქსიბუტირატი და მსგავსი მონომერები PHA-დ იკრიბება პირდაპირ მიკროორგანიზმების უჯრედებში.
პოლირძემჟავას (PLA) წარმოების პროცესი
PLA ერთ-ერთი ყველაზე პოპულარული ბიოპოლიესტერია შესაფუთად, რადგან ის გამჭვირვალეა, შეიძლება დამუშავდეს პლასტმასის მანქანებით, ჩვეულებრივი პლასტმასის მსგავსად და მიიღება განახლებადი წყაროებიდან. მისი დამუშავების ჯაჭვი, როგორც წესი, მოიცავს:
1. შაქრის რძემჟავად დუღილი
გლუკოზას მიკროორგანიზმები (მაგ., ლაქტობაცილები) ადუღებენ რძემჟავას წარმოსაქმნელად. ამ ეტაპზე საჭიროა pH-ის, ტემპერატურის, საკვები ნივთიერებების და პროდუქტის გაწმენდის კონტროლი.
2. რძემჟავას გაწმენდა
მაღალი ხარისხის პოლიმერების მისაღებად, რძემჟავა უნდა გაიწმინდოს მარილებისგან, ნარჩენი ბიომასისა და სხვა მინარევებისაგან. გაწმენდა, როგორც წესი, მოიცავს ფილტრაციას, იონების გაცვლას, დისტილაციას ან კრისტალიზაციას.
3. ლაქტიდის წარმოქმნა
რძემჟავა კონდენსირდება ოლიგომერებად, შემდეგ ექვემდებარება კონტროლირებად დეპოლიმერიზაციას ლაქტიდის (ციკლური დიმერი) წარმოქმნით. არსებობს რამდენიმე იზომერი (L-ლაქტიდი, D-ლაქტიდი), რომლებიც გავლენას ახდენენ PLA-ს კრისტალურობასა და მექანიკურ თვისებებზე.
4. რგოლის გახსნის პოლიმერიზაცია (ROP)
ლაქტიდი პოლიმერიზდება კატალიზატორის გამოყენებით (ხშირად ლითონის ბაზაზე დამზადებული, მაგალითად, გარკვეულ სამრეწველო პროცესებში კალის ოქტოატი), რაც იწვევს მაღალი მოლეკულური წონის PLA-ს წარმოქმნას. მაღალი მოლეკულური წონა მნიშვნელოვანია სიმტკიცისა და დამუშავების უნარისთვის.
5. გრანულაცია და ნაერთირება
დასრულებული PLA გრანულებად იქცევა. ამ ეტაპზე ხშირად ემატება დანამატები: პლასტიფიკატორები მსხვრევადობის თავიდან ასაცილებლად, ბირთვის წარმომქმნელი აგენტები კრისტალიზაციის რეგულირებისთვის ან სხვა პოლიმერებთან შერევა სითბოს წინააღმდეგობისა და სიმტკიცის გასაუმჯობესებლად.
PHA-ს (პოლიჰიდროქსიალკანოატების) წარმოების პროცესი
PLA-სგან განსხვავებით, რომელიც მონომერების ქიმიური რეაქციით წარმოიქმნება, PHA-ს მიკროორგანიზმები „წარმოიქმნებიან“ უჯრედებში ენერგიის რეზერვის სახით. პროცესი შემდეგია:
1. დუღილი
ბაქტერიები იზრდება ნახშირბადის წყაროებით (შაქარი, ზეთები, გარკვეული ორგანული ნარჩენებიც კი) საკვები ნივთიერებების შეზღუდულ პირობებში (მაგ., აზოტის შეზღუდულ შემცველობაში), რათა უჯრედებმა შეინახონ PHA.
2. ბიომასის შეგროვება და მოპოვება
უჯრედები გამოყოფილია დუღილის გარემოდან, შემდეგ PHA ექსტრაგირებულია (გამხსნელების ან უფრო ეკოლოგიურად სუფთა, არაგამხსნელი მეთოდების გამოყენებით) და შემდეგ იწმინდება.
3. გაშრობა და პელეტირება
PHA გადამუშავდება გრანულებად და შემდეგ გადამუშავდება აპკებად, ჩალის საწრუპებად ან კონტეინერებად. PHA ზოგადად ბიოდეგრადირებადია, გარკვეულ პირობებში საზღვაო გარემოშიც კი, თუმცა დაშლის სიჩქარე ცვალებადია.
PBS-ისა და ბიო-PET-ის წარმოების პროცესი (მოკლე მიმოხილვა)
PBS (პოლიბუტილენ სუქცინატი) მიიღება ქარვის მჟავასა და 1,4-ბუტანდიოლის პოლიკონდენსაციის გზით. როდესაც ორივე მონომერი მიიღება ბიომასის დუღილის შედეგად, PBS შეიძლება იყოს ბიობაზის. PBS ცნობილია თავისი მოქნილობითა და შედარებით სითბოსადმი მდგრადობით PLA-სთან შედარებით, რაც მას შესაფერისს ხდის პაკეტების, ფირებისა და მრავალშრიანი შეფუთვისთვის.
ბიო-PET, როგორც წესი, მიიღება PET-ის ნედლეულის ნაწილის (მაგ., ეთილენგლიკოლის) ბიოწყაროებით ჩანაცვლებით, მაშინ როცა ტერეფტალატის მჟავა ხშირად კვლავ ნამარხი საწვავის ბაზაზე მზადდება (თუმცა ტერეფტალატის ბიოგზებიც მუშავდება). მისი უპირატესობა ის არის, რომ მას იგივე თვისებები აქვს, რაც PET-ს, რაც მას თავსებადს ხდის დამკვიდრებულ PET-ის გადამუშავების სისტემებთან.
შესაფუთი პროდუქტის ფორმირება: გრანულებიდან აპკებამდე, ბოთლებამდე და უჯრებამდე
ბიოპოლიესტერის გრანულებად გადაქცევის შემდეგ, შემდეგი ეტაპი შეფუთვად გარდაქმნის პროცესია, მათ შორის:
– ექსტრუდირებული ფირი (ჩამოსხმული ან გაბერილი ფირი) ჩანთებისა და შესაფუთებისთვის.
– თერმოფორმირება ჭიქების, საკვების უჯრებისა და ბუშტუკების დასამზადებლად.
– სახურავებისთვის, კოვზებისთვის, ჩანგლებისთვის ან გარკვეული კომპონენტებისთვის ინექციური ჩამოსხმა.
– ბოთლების ჩამოსხმა საბერი მეთოდით (ძირითადად ბიო-PET-ში ან გარკვეული ნარევების გამოყენებით).
ბიოპოლიესტერებთან დაკავშირებული მთავარი გამოწვევა თერმული სტაბილურობა და ტენიანობის კონტროლია. მაგალითად, PLA მგრძნობიარეა ჰიდროლიზის მიმართ დამუშავების დროს, ამიტომ გრანულები ექსტრუზიამდე ან ინექციურ ჩამოსხმამდე უნდა გაშრეს.
გამოყენება ეკოლოგიურად სუფთა შეფუთვაში
ბიოპოლიესტერი ფართოდ გამოიყენება შესაფუთ მასალაში ემისიების შემცირების და/ან გამოყენების შემდგომი მართვის გაუმჯობესების მიზნით.
1. საკვებისა და სასმელების შეფუთვა
PLA ხშირად გამოიყენება ცივი სასმელების ჭიქების, თავსახურების, ხილის უჯრებისა და სალათების შესაფუთად მისი გამჭვირვალე და მყარი გარეგნობის გამო. ცხელი საკვებისთვის, PLA-ს სჭირდება მოდიფიკაცია (მაგალითად, უფრო მაღალი კრისტალიზაცია/CPET), რათა გაუძლოს უფრო მაღალ ტემპერატურას.
2. კომპოსტირებადი ფირები და ჩანთები
ბიოდეგრადირებადი ბიოპოლიესტერული ნარევები (მაგ., PLA PBAT-თან ან PBS-თან ერთად) ფართოდ გამოიყენება ორგანული ნარჩენების პარკებისა და სასოფლო-სამეურნეო მულჩის ფირების წარმოებისთვის, რადგან ისინი მიზნად ისახავს კომპოსტის ობიექტებში ან ნიადაგში დაშლის უნარს (სტანდარტებისა და ფორმულირების მიხედვით).
3. კოსმეტიკური შეფუთვა და საცალო პროდუქტები
Bio-PET ან PLA ბოთლებისთვის, ქილების ან ბლისტერებისთვის შეირჩევა ბრენდის განახლებადი ნედლეულის მიმართ სტრატეგიის ნაწილად. აქ მთავარი გასათვალისწინებელი ფაქტორებია ესთეტიკა და სიმყარე.
4. შერეული ბოჭკოვანი შეფუთვა (ქაღალდისა და პლასტმასის ჰიბრიდი)
ბიოპოლიესტერი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ქაღალდზე საფარის სახით წყლის/ზეთთან მდგრადობის გასაუმჯობესებლად. თუმცა, დიზაინში უნდა იქნას გათვალისწინებული გადამუშავებადობა ან კომპოსტირება, რათა თავიდან იქნას აცილებული მასალების რთული ნარევის შექმნა, რომელთა გამოყოფაც რთულია.
გარემოსდაცვითი ასპექტები და განხორციელების სირთულეები
მიუხედავად იმისა, რომ ბიოპოლიესტერი იმედისმომცემია, ის ერთადერთი გამოსავალი არ არის. არსებობს რამდენიმე მნიშვნელოვანი ასპექტი:
– სიცოცხლის ხანგრძლივობის ბოლო ინფრასტრუქტურა: PLA-ს, როგორც წესი, სჭირდება სამრეწველო კომპოსტირება კონტროლირებადი ტემპერატურითა და ტენიანობით. თუ გარემოში დაუმუშავებლად დარჩება, მისი დაშლა შეიძლება ნელი იყოს.
– გადამუშავება: Bio‑PET-ის გადამუშავება შესაძლებელია PET-თან ერთად, ხოლო PLA-ს ცალკე გადამუშავების ნაკადი სჭირდება, რათა შერევისას PET-ის ხარისხის გაუარესება თავიდან იქნას აცილებული.
– ბიომასის წყაროები და მიწის გამოყენება: ნედლეულის შერჩევა უნდა ითვალისწინებდეს კონკურენციას საკვებთან, წყლის გამოყენებასთან და სოფლის მეურნეობის ზემოქმედებასთან. ლიგნოცელულოზური ნარჩენების გამოყენება მნიშვნელოვანი მიმართულებაა უფრო მეტი მდგრადობისთვის.
– მასალის თვისებები: ზოგიერთი ბიოპოლიესტერი, როგორც წესი, უფრო მყიფე ან ნაკლებად სითბოს მდგრადია, ვიდრე გარკვეული ნამარხი პლასტმასი, რაც ხშირად მოითხოვს ნარევებს/დანამატებს ან შეფუთვის რედიზაინს.
დახურვა
ბიოპოლიესტერული პლასტმასის წარმოების პროცესი არსებითად სამ სამყაროს აკავშირებს: ბიომასის წარმოებას, ბიოტექნოლოგიას (დუღილი) და პოლიმერული ინჟინერიას (პოლიმერიზაცია და პროდუქტის ფორმირება). PLA და PHA აჩვენებენ, თუ როგორ შეიძლება განახლებადი ნედლეულის ფუნქციონალურ პლასტმასად გარდაქმნა, ხოლო PBS და ბიო-PET გვთავაზობენ შესრულების ვარიანტებს, რომლებიც უფრო ახლოსაა ჩვეულებრივ პლასტმასებთან, ნახშირბადის კვალის შემცირების ან გადამუშავების თავსებადობის სტრატეგიებით. ჭეშმარიტად მდგრადი შეფუთვის მისაღწევად, ბიოპოლიესტერის შერჩევას თან უნდა ახლდეს შესაბამისი შეფუთვის დიზაინი, შეგროვების სისტემა და მკაფიო ვარგისიანობის ვადის ამოწურვის ვარიანტები - იქნება ეს გადამუშავება, კომპოსტირება თუ სხვა დამუშავების მეთოდები. ჰოლისტური მიდგომით, ბიოპოლიესტერი შეიძლება იყოს შეფუთვის ინდუსტრიაში წრიულ ეკონომიკაზე გადასვლის მნიშვნელოვანი ნაწილი.
