Био-полиэстр хуванцар үйлдвэрлэх үйл явц ба түүнийг байгаль орчинд ээлтэй сав баглаа боодолд хэрэглэх нь
Хүнс, ундаа, гоо сайхан, ложистикийн салбарын өсөлттэй зэрэгцэн сав баглаа боодлын хэрэгцээ нэмэгдсээр байна. Нөгөөтэйгүүр, газрын тосонд суурилсан хуванцар нь нүүрстөрөгчийн ул мөр ихтэй, хэрэглэсний дараа зохицуулахад бэрхшээлтэй тул анхаарлын төвд байдаг. Улам бүр хөгжиж буй нэг хувилбар бол түүхий эд нь бүхэлдээ эсвэл хэсэгчлэн биологийн эх үүсвэрээс (биомасс) гаргаж авсан, зарим төрөл нь био задралд ордог/бордоодог полиэстр полимерүүдийн гэр бүл болох биополиэстр хуванцар юм. Биополиэстр нь уламжлалт хуванцарын гүйцэтгэл болон тогтвортой байдлын шаардлагын хооронд, ялангуяа сав баглаа боодлын хэрэглээнд дунд зайг санал болгодог.
Био-полиэстер гэж юу вэ?
Химийн хувьд полиэстр нь гол гинжин хэлхээндээ давтагдах эфирийн холбоотой полимер юм. Биополиэстер гэдэг нэр томьёо нь хоёр зүйлийг хэлж болно: (1) био суурьтай полиэстрүүд, мономерууд нь чихрийн нишингэ, эрдэнэ шиш, кассава эсвэл ургамлын тос зэрэг биомассаас гаргаж авдаг; болон/эсвэл (2) PLA (полилактик хүчил) болон PHA (полигидроксиалканоат) зэрэг био задралд ордог полиэстрүүд. Бүх био суурьтай хуванцарууд автоматаар био задралд ордоггүй бөгөөд био задралд ордог бүх хуванцарууд нь био гаралтай байдаггүй. Жишээлбэл, био-PET (био суурьтай полиэтилен терефталат)-ийг сэргээгдэх түүхий эдээр хийж болох боловч бүтцийн хувьд уламжлалт PET-тэй төстэй бөгөөд ерөнхийдөө тийм ч хурдан био задралд ордоггүй; харин PLA нь био суурьтай бөгөөд үйлдвэрлэлийн бордооны байгууламжид харьцангуй амархан задардаг.
Байгальд ээлтэй сав баглаа боодлын хувьд хамгийн их хэлэлцэгдэж буй зүйл бол PLA, PHA, PBS (полибутилен сукцинат), PBAT (уян хатан байдлыг нэмэгдүүлэхийн тулд ихэвчлэн холимог болгон ашигладаг боловч ерөнхийдөө бүрэн био суурьтай биш), мөн PET дахин боловсруулах дэд бүтэц хүчтэй бол лонхны сав баглаа боодлын био-PET юм.
Түүхий эд: биомассаас мономер хүртэл
Биополиэстер үйлдвэрлэлийн эхний үе шат бол сэргээгдэх түүхий эдийг мономер эсвэл полимер прекурсор болгон хувиргах бэлтгэл юм. Нийтлэг биомассын эх үүсвэрүүдэд дараахь зүйлс орно.
1. Элсэн чихэр болон цардуул (чихрийн нишингэ, эрдэнэ шиш, кассава): гидролизоор (цардуул авах) глюкоз болгон боловсруулж, дараа нь исгэдэг.
2. Ургамлын тос (далдуу мод, шар буурцаг, кастор): химийн урвалаар диол/хүчил болгон хувиргаж болно.
3. Лигноцеллюлозын хаягдал (багассе, сүрэл, модны үртэс): целлюлоз/гемицеллюлозыг исгэх боломжтой сахар болгон задлахын тулд урьдчилан боловсруулалт шаарддаг тул илүү хүндрэлтэй.
Энэ процессоор үйлдвэрлэсэн элсэн чихрээс аж үйлдвэр чухал мономеруудыг үйлдвэрлэж чадна:
– Зарим бактериуд исгэх замаар сүүн хүчил (PLA-ийн урьдал бодис) ялгардаг.
– Исгэлт эсвэл биохимийн замаар янтарийн хүчил ба 1,4-бутандиол (PBS-ийн урьдал бодис).
– 3-гидроксибутират болон үүнтэй төстэй мономеруудыг бичил биетний эсийн дотор шууд PHA болгон угсардаг.
PLA (полилактик хүчил) үйлдвэрлэлийн үйл явц
PLA нь тунгалаг, уламжлалт хуванцартай төстэй хуванцар машинаар боловсруулж болох, сэргээгдэх эх үүсвэрээс гаргаж авдаг тул сав баглаа боодлын хамгийн алдартай биополиэфирүүдийн нэг юм. Үүний процессын гинжин хэлхээнд ихэвчлэн дараахь зүйлс орно:
1. Элсэн чихэрийг сүүн хүчил болгон исгэх
Глюкозыг бичил биетүүд (жишээлбэл, Lactobacillus) исгэж сүүн хүчил үүсгэдэг. Энэ үе шатанд рН, температур, шим тэжээл, бүтээгдэхүүний цэвэршүүлэлтийг хянах шаардлагатай.
2. Сүүн хүчлийг цэвэршүүлэх
Өндөр чанартай полимер үйлдвэрлэхийн тулд сүүн хүчлийг давс, үлдэгдэл биомасс болон бусад хольцоос цэвэршүүлэх шаардлагатай. Цэвэршүүлэлтэд ихэвчлэн шүүх, ионы солилцоо, нэрэлт эсвэл талсжих үйл явц орно.
3. Лактид үүсэх
Сүүн хүчлийг олигомер болгон конденсацлаж, дараа нь хяналттай деполимержилтэд оруулж лактид (цикл димер) үүсгэдэг. PLA-ийн талст чанар болон механик шинж чанарт нөлөөлдөг хэд хэдэн изомер (L-лактид, D-лактид) байдаг.
4. Цагираг нээх полимержилт (ROP)
Лактидийг катализатор (ихэвчлэн металл дээр суурилсан, тухайлбал зарим үйлдвэрлэлийн процесст ган октоат) ашиглан полимержүүлж, өндөр молекул жинтэй PLA үүсгэдэг. Өндөр молекул жин нь бат бөх чанар болон боловсруулах чадварт чухал үүрэгтэй.
5. Үрлэн болгох ба нэгдлүүд
Бэлэн болсон PLA-г үрлэн хэлбэрт оруулдаг. Энэ үе шатанд нэмэлтүүдийг ихэвчлэн нэмдэг: хэврэг болохоос сэргийлдэг хуванцаржуулагч, талсжилтыг зохицуулах цөмжүүлэгч бодис, эсвэл халуунд тэсвэртэй байдал болон бат бөх чанарыг сайжруулахын тулд бусад полимерүүдтэй холино.
PHA (полигидроксиалканоат) үйлдвэрлэлийн үйл явц
Мономеруудын химийн урвалаар үүсдэг PLA-аас ялгаатай нь PHA нь бичил биетүүд эсийнхээ доторх энергийн нөөц болгон "үйлдвэрлэдэг". Энэ үйл явц нь дараах байдалтай байна:
1. Исгэлт
Бактерийг нүүрстөрөгчийн эх үүсвэр (элсэн чихэр, тос, тэр ч байтугай зарим органик хаягдал) ашиглан шим тэжээлийн хязгаарлагдмал нөхцөлд (жишээлбэл, азотын хязгаарлагдмал) ургуулдаг бөгөөд ингэснээр эсүүд PHA-г хадгалдаг.
2. Биомасс цуглуулах болон олборлох
Эсүүдийг исгэх орчноос салгаж, дараа нь PHA-г (уусгагч эсвэл байгаль орчинд ээлтэй уусгагч бус аргуудыг ашиглан) гаргаж аваад цэвэршүүлнэ.
3. Хатаах болон үрэлдэх
PHA-г үрэл болгон боловсруулж, дараа нь хальс, соруул эсвэл сав болгон боловсруулдаг. PHA нь ерөнхийдөө биологийн задралд ордог бөгөөд далайн орчинд ч тодорхой нөхцөлд байдаг боловч задралын хурд харилцан адилгүй байдаг.
PBS болон био-PET үйлдвэрлэлийн үйл явц (товч тойм)
PBS (полибутилен сукцинат)-ийг сукцины хүчил ба 1,4-бутандиолын поликонденсацаар хийдэг. Хоёр мономерыг биомассын исгэлтээс гаргаж авахад PBS-ийг биосуурьт хийж болно. PBS нь PLA-тай харьцуулахад уян хатан чанар, харьцангуй халуунд тэсвэртэй гэдгээрээ алдартай тул уут, хальс, олон давхаргат савлагаанд тохиромжтой.
Био-ПЭТ-ийг ихэвчлэн ПЭТ түүхий эдийн зарим хэсгийг (жишээлбэл, этилен гликол) био эх үүсвэрээр орлуулах замаар хийдэг бол терефталийн хүчил нь ихэвчлэн чулуужсан суурьтай хэвээр байдаг (гэхдээ терефталат руу чиглэсэн био замыг боловсруулж байна). Үүний давуу тал: энэ нь ПЭТ-тэй ижил шинж чанартай тул тогтсон ПЭТ дахин боловсруулах системтэй нийцдэг.
Сав баглаа боодлын бүтээгдэхүүний үүсэлт: үрэлээс хальс, шил, тавиур хүртэл
Био-полиэстер нь үрэл болсны дараа дараагийн үе шат нь сав баглаа боодол болгон хувиргах үйл явц бөгөөд үүнд дараахь зүйлс орно.
– Уут болон боодлын зориулалттай шахмал хальс (цутгамал хальс эсвэл үлээлгэсэн хальс).
– Аяга, хоолны тавиур, цэврүү хийхэд зориулж термоформат хийх.
– Таг, халбага, сэрээ эсвэл тодорхой эд ангиудад зориулсан шахах хэв.
– Лонхны үлээлгэн хэвэнд оруулах (ихэвчлэн био-ПЭТ эсвэл тодорхой хольцод).
Биополиэстерүүдийн гол бэрхшээл бол дулааны тогтвортой байдал болон чийгийн хяналт юм. Жишээлбэл, PLA нь боловсруулалтын явцад гидролизд мэдрэмтгий байдаг тул шахмал эсвэл шахах хэвэнд оруулахаас өмнө үрлэнг хатаах шаардлагатай.
Байгаль орчинд ээлтэй сав баглаа боодол дахь хэрэглээ
Био-полиэстерийг ялгарлыг бууруулах болон/эсвэл хэрэглэсний дараах менежментийг сайжруулах зорилгоор сав баглаа боодолд өргөн ашигладаг.
1. Хоол хүнс, ундааны сав баглаа боодол
PLA нь тунгалаг, хатуу харагддаг тул хүйтэн ундааны аяга, таг, жимсний тавиур, салатны савлагаанд ихэвчлэн ашиглагддаг. Халуун хоолны хувьд PLA нь өндөр температурт тэсвэртэй байхын тулд өөрчлөлт оруулах (жишээлбэл, илүү өндөр талсжилт/CPET) шаарддаг.
2. Бордоож болдог хальс болон уут
Биологийн задралд ордог био-полиэстерийн холимог (жишээлбэл, PBAT эсвэл PBS-тэй PLA) нь органик хог хаягдлын уут болон хөдөө аж ахуйн хучлагын хальсанд өргөн хэрэглэгддэг, учир нь тэдгээр нь бордооны байгууламж эсвэл хөрсөнд задрах чадварыг чиглүүлдэг (стандарт болон найрлагаас хамааран).
3. Гоо сайхны сав баглаа боодол болон жижиглэнгийн бүтээгдэхүүн
Сэргээгдэх түүхий эдэд чиглэсэн брэндийн стратегийн нэг хэсэг болгон лонх, шилэн сав эсвэл цэврүүнд зориулж Bio‑PET эсвэл PLA-г сонгодог. Энд гоо зүй, хатуулаг нь гол анхаарах зүйлс юм.
4. Холимог шилэн сав баглаа боодол (цаасан-хуванцар эрлийз)
Биополиэстерийг ус/тосны эсэргүүцлийг сайжруулахын тулд цаасан дээр бүрэх болгон ашиглаж болно. Гэсэн хэдий ч дизайн нь салгахад хэцүү материалын нарийн төвөгтэй холимог үүсгэхээс зайлсхийхийн тулд дахин боловсруулах эсвэл бордоожуулах чадварыг харгалзан үзэх ёстой.
Байгаль орчны талууд болон хэрэгжилтийн бэрхшээлүүд
Ирээдүйтэй ч биополиэстер нь цорын ганц шийдэл биш юм. Хэд хэдэн чухал тал бий:
– Ашиглалтын хугацаа дууссан дэд бүтэц: PLA нь ерөнхийдөө температур, чийгшлийг хянаж, үйлдвэрлэлийн бордоо шаарддаг. Хэрэв хүрээлэн буй орчинд боловсруулаагүй бол задрал нь удаан байж болно.
– Дахин боловсруулалт: Био-ПЭТ-ийг ПЭТ-тэй хамт дахин боловсруулж болох бол ПЭТ-ийг холих үед чанарыг нь бууруулахаас зайлсхийхийн тулд тусдаа дахин боловсруулах урсгал шаардлагатай.
– Биомассийн эх үүсвэр ба газрын хэрэглээ: Түүхий эдийг сонгохдоо хүнс, усны хэрэглээ, хөдөө аж ахуйн нөлөөлөлтэй өрсөлдөх чадварыг харгалзан үзэх ёстой. Лигноцеллюлозын хаягдлыг ашиглах нь тогтвортой байдлыг нэмэгдүүлэх чухал чиглэл юм.
– Материалын шинж чанар: зарим биополиэфирүүд нь зарим чулуужсан хуванцараас илүү хэврэг эсвэл халуунд тэсвэртэй байх хандлагатай байдаг тул ихэвчлэн хольц/нэмэлт эсвэл сав баглаа боодлын загварыг өөрчлөх шаардлагатай байдаг.
Хаах
Биополиэстер хуванцар үйлдвэрлэлийн үйл явц нь үндсэндээ гурван ертөнцийг холбодог: биомассын үйлдвэрлэл, биотехнологи (исгэх), полимер инженерчлэл (полимержилт ба бүтээгдэхүүн үүсэх). PLA болон PHA нь сэргээгдэх түүхий эдийг хэрхэн функциональ хуванцар болгон хувиргаж болохыг харуулдаг бол PBS болон bio‑PET нь нүүрстөрөгчийн ул мөрийг бууруулах эсвэл дахин боловсруулах нийцтэй байдлыг хангах стратеги бүхий уламжлалт хуванцартай илүү ойр гүйцэтгэлийн сонголтыг санал болгодог. Үнэхээр тогтвортой сав баглаа боодолд хүрэхийн тулд био‑полиэстерийг сонгохдоо зохих сав баглаа боодлын дизайн, цуглуулах систем, ашиглалтын хугацааны тодорхой сонголтуудыг дагалдах ёстой - дахин боловсруулах, бордоо болгох эсвэл бусад боловсруулалтын аргууд гэх мэт. Цогц арга барилаар био‑полиэстер нь сав баглаа боодлын салбарт дугуй эдийн засагт шилжих шилжилтийн гол хэсэг болж чадна.
