Biopoliesterio plastiko gamybos procesas ir jo panaudojimas aplinkai nekenksmingose pakuotėse
Pakuočių poreikis toliau didėja kartu su maisto, gėrimų, kosmetikos ir logistikos pramonės augimu. Kita vertus, naftos pagrindu pagaminti plastikai yra dėmesio centre dėl didelio anglies pėdsako ir sunkumų tvarkant juos panaudojus. Viena iš vis labiau kuriamų alternatyvų yra biopoliesterio plastikas – poliesterių polimerų šeima, kurios žaliavos yra visiškai arba iš dalies gautos iš biologinių šaltinių (biomasės), o kai kurios rūšys taip pat yra biologiškai skaidžios / kompostuojamos. Biopoliesteris siūlo kompromisą tarp įprastų plastikų eksploatacinių savybių ir tvarumo reikalavimų, ypač pakuočių srityje.
Kas yra biopoliesteris?
Chemiškai poliesteris yra polimeras, kurio pagrindinėje grandinėje yra pasikartojančių esterinių jungčių. Terminas biopoliesteris gali reikšti du dalykus: (1) biologinės kilmės poliesterius, kurių monomerai yra gauti iš biomasės, tokios kaip cukranendrės, kukurūzai, manijokai arba augaliniai aliejai; ir (arba) (2) biologiškai skaidžius poliesterius, tokius kaip PLA (polilaktinė rūgštis) ir PHA (polihidroksialkanoatai). Ne visi biologinės kilmės plastikai yra automatiškai biologiškai skaidūs ir ne visi biologiškai skaidūs yra gauti iš biologinės kilmės. Pavyzdžiui, bio-PET (biologinės kilmės polietileno tereftalatas) gali būti pagamintas iš atsinaujinančių žaliavų, tačiau jo struktūra panaši į įprastą PET ir jis paprastai biologiškai nesuyra taip greitai; tuo tarpu PLA yra biologinės kilmės ir gana lengvai skaidosi pramoniniuose kompostavimo įrenginiuose.
Kalbant apie ekologiškas pakuotes, dažniausiai aptariamos PLA, PHA, PBS (polibutileno sukcinatas), PBAT (dažnai naudojamas kaip mišinys lankstumui padidinti, nors paprastai nėra visiškai biologinės kilmės) ir bio-PET butelių pakavimui, jei PET perdirbimo infrastruktūra yra stipri.
Žaliavos: nuo biomasės iki monomero
Pradinis biopoliesterio gamybos etapas yra atsinaujinančių žaliavų paruošimas, kad jos būtų paverstos monomerais arba polimerų pirmtakais. Įprasti biomasės šaltiniai:
1. Cukrus ir krakmolas (cukranendrės, kukurūzai, manijokai): hidrolizės būdu (krakmolui gauti) perdirbami į gliukozę ir vėliau fermentuojami.
2. Augaliniai aliejai (palmių, sojų, ricinos): cheminių reakcijų būdu gali būti paversti dioliais / rūgštimis.
3. Lignoceluliozės atliekos (cukraus išspaudos, šiaudai, pjuvenos): sudėtingesnės, nes jas reikia iš anksto apdoroti, kad celiuliozė/hemiceliozė būtų suskaidyta į fermentuojamus cukrus.
Iš šiuo procesu pagaminto cukraus pramonė gali gaminti svarbius monomerus:
– Pieno rūgštis (PLA pirmtakas) fermentacijos būdu, veikiant tam tikroms bakterijoms.
– Gintaro rūgštis ir 1,4-butandiolis (PBS pirmtakas) fermentacijos arba biocheminiais būdais.
– 3-hidroksibutiratas ir panašūs monomerai PHA susijungia tiesiai mikroorganizmų ląstelių viduje.
PLA (polilaktinės rūgšties) gamybos procesas
PLA yra vienas populiariausių biopoliesterių pakuotėms, nes jis yra skaidrus, gali būti apdorojamas plastiko gamybos mašinomis, panašiomis į įprastą plastiką, ir yra gaunamas iš atsinaujinančių šaltinių. Jo proceso grandinė paprastai apima:
1. Cukraus fermentacija į pieno rūgštį
Gliukozę fermentuoja mikroorganizmai (pvz., Lactobacillus), kad susidarytų pieno rūgštis. Šiame etape reikia kontroliuoti pH, temperatūrą, maistines medžiagas ir valyti produktą.
2. Pieno rūgšties valymas
Norint pagaminti aukštos kokybės polimerus, pieno rūgštis turi būti išgryninta nuo druskų, likusios biomasės ir kitų priemaišų. Gryninimas paprastai apima filtravimą, jonų mainus, distiliavimą arba kristalizaciją.
3. Laktido susidarymas
Pieno rūgštis kondensuojama į oligomerus, o po to kontroliuojamai depolimerizuojama, kad susidarytų laktidas (ciklinis dimeras). Yra keletas izomerų (L-laktidas, D-laktidas), kurie turi įtakos PLA kristališkumui ir mechaninėms savybėms.
4. Žiedo atvėrimo polimerizacija (ROP)
Laktidas polimerizuojamas naudojant katalizatorių (dažnai metalinį, pavyzdžiui, alavo oktoatą tam tikruose pramoniniuose procesuose), gaunant didelės molekulinės masės PLA. Didelė molekulinė masė yra svarbi stiprumui ir apdorojamumui.
5. Granuliavimas ir maišymas
Gatavas PLA yra granuliuojamas. Šiame etape dažnai pridedami priedai: plastifikatoriai trapumui mažinti, kristalizacijos reguliavimui skirti kristalizaciją reguliuojantys agentai arba mišiniai su kitais polimerais, siekiant pagerinti atsparumą karščiui ir tvirtumą.
PHA (polihidroksialkanoatų) gamybos procesas
Skirtingai nuo PLA, kuris gaminamas cheminiu monomerų atsaku, PHA „gamina“ mikroorganizmai kaip energijos rezervą savo ląstelėse. Procesas yra toks:
1. Fermentacija
Bakterijos auginamos su anglies šaltiniais (cukrumi, aliejais, net tam tikromis organinėmis atliekomis) esant ribotoms maistinių medžiagų (pvz., azoto) sąlygoms, kad ląstelės kauptų PHA.
2. Biomasės surinkimas ir gavyba
Ląstelės atskiriamos nuo fermentacijos terpės, tada PHA ekstrahuojamas (naudojant tirpiklius arba aplinkai nekenksmingesnius metodus be tirpiklių) ir išgryninamas.
3. Džiovinimas ir granuliavimas
PHA perdirbama į granules, o vėliau – į plėveles, šiaudelius ar konteinerius. PHA paprastai yra biologiškai skaidoma net ir jūros aplinkoje tam tikromis sąlygomis, nors skaidymosi greitis skiriasi.
PBS ir bio-PET gamybos procesas (trumpa apžvalga)
PBS (polibutileno sukcinatas) gaminamas gintaro rūgšties ir 1,4-butandiolio polikondensacijos būdu. Kai abu monomerai gaunami fermentuojant biomasę, PBS gali būti biologinės kilmės. PBS yra žinomas dėl savo lankstumo ir santykinio atsparumo karščiui, palyginti su PLA, todėl tinka maišeliams, plėvelėms ir daugiasluoksnėms pakuotėms gaminti.
Bio-PET paprastai gaminamas pakeičiant dalį PET žaliavos (pvz., etilenglikolį) biologiniais šaltiniais, o tereftalio rūgštis vis dar dažnai gaminama iš iškastinio kuro (nors taip pat kuriami biologiniai tereftalato gamybos būdai). Jo privalumas: jis turi tas pačias savybes kaip ir PET, todėl yra suderinamas su nusistovėjusiomis PET perdirbimo sistemomis.
Pakuotės produktų formavimas: nuo granulių iki plėvelių, butelių ir padėklų
Biopoliesteriui pavertus granulėmis, kitas etapas yra perdirbimo į pakuotes procesas, apimantis:
– Ekstruduota plėvelė (lieta arba pūsta) maišeliams ir vyniojamiesiems padėklams.
– Termoformavimas puodeliams, maisto padėklams ir lizdinėms plokštelėms gaminti.
– Dangtelių, šaukštų, šakučių ar tam tikrų komponentų liejimas įpurškimu.
– Butelių (dažniausiai iš bio-PET arba tam tikrų mišinių) pūtimo formavimas.
Pagrindinis biopoliesterių iššūkis yra terminis stabilumas ir drėgmės kontrolė. Pavyzdžiui, PLA yra jautrus hidrolizei apdorojimo metu, todėl prieš ekstruziją ar liejimą granules reikia išdžiovinti.
Taikymas ekologiškose pakuotėse
Biopoliesteris plačiai naudojamas pakuotėse, siekiant sumažinti išmetamųjų teršalų kiekį ir (arba) pagerinti atliekų tvarkymą po panaudojimo.
1. Maisto ir gėrimų pakuotės
PLA dažnai naudojama šaltų gėrimų puodeliams, dangteliams, vaisių padėklams ir salotų pakuotėms dėl savo skaidrios ir standžios išvaizdos. Karštiems maisto produktams PLA reikia modifikuoti (pvz., padidinti kristalizacijos laipsnį / CPET), kad atlaikytų aukštesnę temperatūrą.
2. Kompostuojamos plėvelės ir maišeliai
Biologiškai skaidūs biopoliesterio mišiniai (pvz., PLA su PBAT arba PBS) yra plačiai naudojami organinių atliekų maišams ir žemės ūkio mulčio plėvelėms gaminti, nes jie skirti gebėjimui skaidytis kompostavimo įrenginiuose arba dirvožemyje (priklausomai nuo standartų ir formulės).
3. Kosmetikos pakuotės ir mažmeninės prekybos produktai
Bio-PET arba PLA buteliams, stiklainiams ar lizdinėms plokštelėms pasirinkti kaip prekės ženklo strategijos, susijusios su atsinaujinančiomis žaliavomis, dalis. Estetika ir tvirtumas čia yra pagrindiniai aspektai.
4. Mišraus pluošto pakuotė (popieriaus ir plastiko hibridas)
Biopoliesteris gali būti naudojamas kaip popieriaus danga, siekiant pagerinti atsparumą vandeniui / aliejui. Tačiau projektuojant reikia atsižvelgti į perdirbimo arba kompostavimo galimybes, kad nesusidarytų sudėtingas medžiagų mišinys, kurį sunku atskirti.
Aplinkosaugos aspektai ir įgyvendinimo iššūkiai
Nors biopoliesteris yra daug žadantis, jis nėra vienintelis sprendimas. Yra keli svarbūs aspektai:
– Infrastruktūra gyvavimo ciklo pabaigos metu: PLA paprastai reikalauja pramoninio kompostavimo kontroliuojamoje temperatūroje ir drėgmėje. Jei nepaliekama aplinkoje, jos skaidymasis gali būti lėtas.
– Perdirbimas: Bio-PET galima perdirbti kartu su PET, o PLA reikalingas atskiras perdirbimo srautas, kad maišant nepakenktų PET kokybė.
– Biomasės šaltiniai ir žemės naudojimas: renkantis žaliavas reikia atsižvelgti į konkurenciją su maistu, vandens naudojimu ir žemės ūkio poveikiu. Lignoceluliozės atliekų panaudojimas yra svarbi didesnio tvarumo kryptis.
– Medžiagų savybės: kai kurie biopoliesteriai yra trapesni arba mažiau atsparūs karščiui nei tam tikri iškastiniai plastikai, todėl dažnai reikia naudoti mišinius / priedus arba pertvarkyti pakuotes.
Uždarymas
Biopoliesterio plastiko gamybos procesas iš esmės jungia tris pasaulius: biomasės gamybą, biotechnologijas (fermentaciją) ir polimerų inžineriją (polimerizaciją ir produktų formavimą). PLA ir PHA parodo, kaip atsinaujinančias žaliavas galima paversti funkciniais plastikais, o PBS ir bio-PET siūlo našumo variantus, artimesnius įprastiems plastikams, taikant anglies pėdsako mažinimo ar perdirbimo suderinamumo strategijas. Norint pasiekti tikrai tvarią pakuotę, bio-poliesterio pasirinkimas turi būti derinamas su tinkamu pakuotės dizainu, surinkimo sistema ir aiškiomis gyvavimo ciklo pabaigos galimybėmis – perdirbimu, kompostavimu ar kitais perdirbimo metodais. Taikant holistinį požiūrį, bio-poliesteris gali būti pagrindinė perėjimo prie žiedinės ekonomikos pakuočių pramonėje dalis.
