Процесот на производство на био-полиестерска пластика и неговата примена во еколошки пакувања
Потребата за пакување продолжува да се зголемува заедно со растот на прехранбената, пијалачната, козметичката и логистичката индустрија. Од друга страна, пластиката на база на нафта е во центарот на вниманието поради нивниот висок јаглероден отпечаток и тешкотиите во управувањето по употреба. Една алтернатива што сè повеќе се развива е биополиестерската пластика, семејство на полиестерски полимери чии суровини се целосно или делумно добиени од биолошки извори (биомаса), а во некои видови се и биоразградливи/компостирачки. Биополиестерот нуди средна точка помеѓу перформансите на конвенционалната пластика и барањата за одржливост, особено за апликации за пакување.
Што е биополиестер?
Хемиски, полиестерот е полимер кој има повторувачки естерски врски во својот главен ланец. Терминот биополиестер може да се однесува на две работи: (1) био-полиестери, каде што мономерите се добиени од биомаса како што се шеќерна трска, пченка, касава или растителни масла; и/или (2) биоразградливи полиестери, како што се PLA (полилактична киселина) и PHA (полихидроксиалканоати). Не сите био-пластики се автоматски биоразградливи, а не сите биоразградливи се био-добиени. На пример, био-PET (био-полиетилен терефталат) може да се направи од обновливи суровини, но е структурно сличен на конвенционалниот PET и генерално не се биоразградува толку брзо; додека PLA е био-базирана и релативно лесно се разградува во индустриски постројки за компостирање.
Во контекст на еколошко пакување, најчесто дискутирани се PLA, PHA, PBS (полибутилен сукцинат), PBAT (често се користи како мешавина за зголемување на флексибилноста, иако генерално не е целосно био-базиран) и био-PET за пакување шишиња ако инфраструктурата за рециклирање на PET е силна.
Суровини: од биомаса до мономер
Почетната фаза во производството на биополиестер е подготовка на обновливи суровини што ќе се претворат во мономери или полимерни прекурсори. Вообичаени извори на биомаса вклучуваат:
1. Шеќер и скроб (шеќерна трска, пченка, касава): преработени во гликоза преку хидролиза (за скроб), а потоа ферментирани.
2. Растителни масла (палмино, соино, рицинусово): можат да се претворат преку хемиски реакции во диоли/киселини.
3. Лигноцелулозниот отпад (багаса, слама, струготини): попредизвикувачки бидејќи бара претходна обработка, така што целулозата/хемицелулозата може да се разгради на ферментирачки шеќери.
Од шеќерот произведен со овој процес, индустријата може да произведе важни мономери:
– Млечна киселина (претходник на PLA) преку ферментација од страна на одредени бактерии.
– Сукцинска киселина и 1,4-бутандиол (претходник на PBS) преку ферментација или биохемиски патишта.
– 3-хидроксибутиратот и слични мономери се склопуваат во PHA директно во клетките на микроорганизмите.
Процес на производство на PLA (полилактична киселина)
PLA е еден од најпопуларните биополиестри за пакување бидејќи е транспарентен, може да се обработува со машини за пластика слични на конвенционалната пластика и е добиен од обновливи извори. Неговиот процесен синџир обично вклучува:
1. Ферментација на шеќер во млечна киселина
Гликозата се ферментира од микроорганизми (на пр., Lactobacillus) за да се произведе млечна киселина. Оваа фаза бара контрола на pH вредноста, температурата, хранливите материи и прочистувањето на производот.
2. Прочистување на млечна киселина
За да се произведат висококвалитетни полимери, млечната киселина мора да се прочисти од соли, преостаната биомаса и други нечистотии. Прочистувањето обично вклучува филтрација, јонска размена, дестилација или кристализација.
3. Формирање на лактид
Млечната киселина се кондензира во олигомери, а потоа се подложува на контролирана деполимеризација за да се формира лактид (цикличен димер). Постојат неколку изомери (L-лактид, D-лактид) кои влијаат на кристалинитетот и механичките својства на PLA.
4. Полимеризација со отворање на прстенот (ROP)
Лактидот се полимеризира со помош на катализатор (често на база на метал, како што е калаен октоат во одредени индустриски процеси), произведувајќи PLA со висока молекуларна тежина. Високата молекуларна тежина е важна за цврстината и обработливоста.
5. Пелетизирање и мешање
Готовиот PLA се гранулира. Во оваа фаза, често се додаваат адитиви: пластификатори за да се спречи кршливост, нуклеациони агенси за регулирање на кристализацијата или мешавини со други полимери за да се подобри отпорноста на топлина и цврстината.
Процес на производство на PHA (полихидроксиалканоати)
За разлика од PLA, која се создава преку хемиска реакција на мономери, PHA се „произведува“ од микроорганизми како резерва на енергија во нивните клетки. Процесот е како што следува:
1. Ферментација
Бактериите се одгледуваат со извори на јаглерод (шеќери, масла, дури и одредени органски отпадоци) под услови со ограничени хранливи материи (на пр., ограничени со азот), така што клетките складираат PHA.
2. Собирање и екстракција на биомаса
Клетките се одвојуваат од ферментацискиот медиум, потоа PHA се екстрахира (користејќи растворувачи или поеколошки методи без растворувачи), а потоа се прочистува.
3. Сушење и пелетирање
PHA се преработува во пелети, а потоа се преработува во филмови, сламки или контејнери. PHA е генерално биоразградлив, дури и во морски средини под одредени услови, иако стапката на разградување варира.
Процес на производство на PBS и био-PET (краток преглед)
PBS (полибутилен сукцинат) се добива преку поликондензација на сукцинска киселина и 1,4-бутандиол. Кога двата мономери се добиени од ферментација на биомаса, PBS може да биде на биолошка основа. PBS е познат по својата флексибилност и релативна отпорност на топлина во споредба со PLA, што го прави погоден за кесички, филмови и повеќеслојно пакување.
Био-ПЕТ обично се прави со замена на дел од ПЕТ суровините (на пр., етилен гликол) со биоизвори, додека терефталната киселина сè уште често се базира на фосилни горива (иако се развиваат и биолошки патишта за терефталат). Неговата предност: има исти својства како ПЕТ, што го прави компатибилен со воспоставените системи за рециклирање на ПЕТ.
Формирање на производи за пакување: од пелети до филмови, шишиња и послужавници
Откако биополиестерот ќе стане пелети, следната фаза е процесот на претворање во пакување, вклучувајќи:
– Екструдирана фолија (лиена фолија или дувана фолија) за кеси и обвивки.
– Термоформирање за правење чаши, послужавници за храна и плускавци.
– Инјектирање во калапи за капаци, лажици и вилушки или специфични компоненти.
– Дувачко лиење за шишиња (генерално во био-ПЕТ или одредени мешавини).
Клучен предизвик со биополиестрите е термичката стабилност и контролата на влагата. PLA, на пример, е чувствителна на хидролиза за време на обработката, па затоа пелетите треба да се исушат пред екструдирање или лиење со вбризгување.
Примени во еколошки пакувања
Биополиестерот е широко користен во пакувањето со цел намалување на емисиите и/или подобрување на управливоста по употребата.
1. Пакување на храна и пијалоци
PLA често се користи за чаши за ладни пијалоци, капаци, послужавници за овошје и пакувања за салати поради неговиот проѕирен и цврст изглед. За топла храна, PLA бара модификации (како што е повисока кристализација/CPET) за да издржи повисоки температури.
2. Компостирачки филмови и кеси
Биоразградливите мешавини од биополиестер (на пр. PLA со PBAT или PBS) се широко користени за вреќи за органски отпад и земјоделски фолии за прекривка, бидејќи тие се насочени кон способноста за распаѓање во објекти за компост или почва (во зависност од стандардите и формулацијата).
3. Козметички пакувања и малопродажни производи
Bio‑PET или PLA се избираат за шишиња, тегли или блистери како дел од стратегијата на брендот кон обновливи суровини. Естетиката и цврстината се клучни фактори овде.
4. Пакување од мешани влакна (хибрид од хартија и пластика)
Биополиестерот може да се користи како премаз на хартија за подобрување на отпорноста на вода/масло. Сепак, дизајнот мора да ја земе предвид рециклирањето или компостирањето за да се избегне создавање комплексна мешавина од материјали што тешко се одвојуваат.
Еколошки аспекти и предизвици за имплементација
Иако ветувачки, биополиестерот не е единствено решение. Постојат неколку важни аспекти:
– Инфраструктура на крајот од животниот век: PLA генерално бара индустриско компостирање со контролирана температура и влажност. Доколку не се третира во животната средина, неговата деградација може да биде бавна.
– Рециклирање: Био-ПЕТ може да се рециклира со ПЕТ, додека ПЛА бара посебен тек на рециклирање за да се избегне компромитирање на квалитетот на ПЕТ кога се меша.
– Извори на биомаса и користење на земјиштето: Изборот на суровини мора да ја земе предвид конкуренцијата со храната, користењето на водата и влијанијата во земјоделството. Искористувањето на лигноцелулозниот отпад е важна насока за поголема одржливост.
– Својства на материјалите: некои биополиестри имаат тенденција да бидат покршливи или помалку отпорни на топлина од одредени фосилни пластики, што често бара мешавини/адитиви или редизајн на пакувањето.
Затворање
Процесот на производство на биополиестерска пластика во суштина поврзува три света: производство на биомаса, биотехнологија (ферментација) и полимерно инженерство (полимеризација и формирање на производи). PLA и PHA демонстрираат како обновливите суровини можат да се трансформираат во функционална пластика, додека PBS и био-PET нудат опции за перформанси поблиски до конвенционалната пластика со стратегии за намалување на јаглеродниот отпечаток или компатибилност со рециклирање. За да се постигне навистина одржливо пакување, изборот на био-полиестер мора да биде придружен со соодветен дизајн на пакувањето, систем за собирање и јасни опции за крајот на животниот век - без разлика дали е рециклирање, компостирање или други методи на преработка. Со холистички пристап, био-полиестерот може да биде клучен дел од транзицијата кон кружна економија во индустријата за пакување.
