Процесс производства биополиэфирного пластика и его применение в экологически чистой упаковке.
Потребность в упаковке продолжает расти вместе с развитием пищевой, напиточной, косметической и логистической отраслей. С другой стороны, пластмассы на основе нефти находятся в центре внимания из-за их высокого углеродного следа и сложностей в утилизации после использования. Одной из все более разрабатываемых альтернатив является биополиэфирный пластик — семейство полиэфирных полимеров, сырье для которых полностью или частично получают из биологических источников (биомассы), а некоторые виды также являются биоразлагаемыми/компостируемыми. Биополиэфир предлагает компромисс между характеристиками традиционных пластмасс и требованиями устойчивого развития, особенно в упаковочной сфере.
Что такое биополиэстер?
С химической точки зрения, полиэстер — это полимер, имеющий повторяющиеся сложноэфирные связи в своей основной цепи. Термин «биополиэстер» может относиться к двум вещам: (1) биополиэстерам, мономеры которых получены из биомассы, такой как сахарный тростник, кукуруза, маниока или растительные масла; и/или (2) биоразлагаемым полиэстерам, таким как ПЛА (полимолочная кислота) и ПГА (полигидроксиалканоаты). Не все биопластики автоматически биоразлагаемы, и не все биоразлагаемые являются биопроизводными. Например, биоПЭТ (биополиэтилентерефталат) может быть изготовлен из возобновляемого сырья, но структурно похож на обычный ПЭТ и, как правило, биоразлагается не так быстро; тогда как ПЛА является биополиэстером и относительно легко разлагается в промышленных компостных установках.
В контексте экологичной упаковки наиболее часто обсуждаются PLA, PHA, PBS (полибутиленсукцинат), PBAT (часто используемый в качестве смеси для повышения гибкости, хотя, как правило, не полностью биоразлагаемый) и био-PET для упаковки бутылок, если развита инфраструктура переработки PET.
Сырье: от биомассы до мономера
Начальный этап производства биополиэфиров заключается в подготовке возобновляемого сырья для преобразования в мономеры или полимерные прекурсоры. К распространенным источникам биомассы относятся:
1. Сахар и крахмал (сахарный тростник, кукуруза, маниока): перерабатываются в глюкозу путем гидролиза (для получения крахмала), а затем подвергаются ферментации.
2. Растительные масла (пальмовое, соевое, касторовое): могут быть преобразованы посредством химических реакций в диолы/кислоты.
3. Лигноцеллюлозные отходы (багасса, солома, опилки): более сложная задача, поскольку требует предварительной обработки для расщепления целлюлозы/гемицеллюлозы на ферментируемые сахара.
Из сахара, полученного в результате этого процесса, промышленность может производить важные мономеры:
– Молочная кислота (предшественник ПЛА) образуется в результате ферментации определенными бактериями.
– Янтарная кислота и 1,4-бутандиол (предшественник PBS) получают путем ферментации или биохимическими путями.
– 3-гидроксибутират и аналогичные мономеры объединяются в полигидроксиалканоаты (ПГА) непосредственно внутри клеток микроорганизмов.
Процесс производства полимолочной кислоты (PLA)
Полимолочная кислота (PLA) — один из самых популярных биополиэстеров для упаковки, поскольку она прозрачна, может перерабатываться с помощью оборудования для производства пластмасс, аналогичного оборудованию для производства обычных пластмасс, и производится из возобновляемых источников. Типичная технологическая цепочка включает в себя:
1. Брожение сахара в молочную кислоту
Глюкоза ферментируется микроорганизмами (например, лактобактериями) с образованием молочной кислоты. На этом этапе необходимо контролировать pH, температуру, питательные вещества и проводить очистку продукта.
2. Очистка молочной кислоты
Для получения высококачественных полимеров молочную кислоту необходимо очистить от солей, остаточной биомассы и других примесей. Очистка обычно включает фильтрацию, ионный обмен, дистилляцию или кристаллизацию.
3. Образование лактида
Молочная кислота конденсируется в олигомеры, а затем подвергается контролируемой деполимеризации с образованием лактида (циклического димера). Существует несколько изомеров (L-лактид, D-лактид), которые влияют на кристалличность и механические свойства полимолочной кислоты (PLA).
4. Полимеризация с раскрытием кольца (ROP)
Лактид полимеризуется с использованием катализатора (часто на основе металлов, например, октаноата олова(II) в некоторых промышленных процессах), в результате чего образуется полимолочная кислота (PLA) с высокой молекулярной массой. Высокая молекулярная масса важна для прочности и технологичности.
5. Гранулирование и компаундирование
Готовый полимолочная кислота (PLA) гранулируется. На этом этапе часто добавляются присадки: пластификаторы для предотвращения хрупкости, нуклеирующие агенты для регулирования кристаллизации или смеси с другими полимерами для улучшения термостойкости и прочности.
Процесс производства полигидроксиалканоатов (ПГА)
В отличие от полимолочной кислоты (PLA), которая образуется в результате химической реакции мономеров, полигидроксиалканоаты (PHA) «производятся» микроорганизмами в качестве энергетического резерва внутри их клеток. Процесс выглядит следующим образом:
1. Ферментация
Бактерии выращиваются с использованием источников углерода (сахаров, масел, даже некоторых органических отходов) в условиях дефицита питательных веществ (например, азота), чтобы клетки могли накапливать полигидроксиалканоаты (ПГА).
2. Сбор и извлечение биомассы
Клетки отделяют от ферментационной среды, затем извлекают полигидроксиалканоаты (с использованием растворителей или более экологичных методов без растворителей), после чего проводят очистку.
3. Сушка и гранулирование
Полигидроксиалканоаты (PHA) перерабатываются в гранулы, а затем в пленки, соломинки или контейнеры. PHA, как правило, биоразлагаемы, даже в морской среде при определенных условиях, хотя скорость разложения варьируется.
Процесс производства PBS и био-ПЭТ (краткий обзор)
Полибутиленсукцинат (ПБС) получают путем поликонденсации янтарной кислоты и 1,4-бутандиола. Если оба мономера получают путем ферментации биомассы, ПБС может быть биооснованным. ПБС известен своей гибкостью и относительной термостойкостью по сравнению с полимолочной кислотой (ПЛА), что делает его пригодным для изготовления пакетов, пленок и многослойной упаковки.
Био-ПЭТ обычно получают путем замены части исходного сырья ПЭТ (например, этиленгликоля) биоисточниками, в то время как терефталевая кислота по-прежнему часто производится из ископаемого топлива (хотя разрабатываются и биотехнологические пути получения терефталата). Ее преимущество: она обладает теми же свойствами, что и ПЭТ, что делает ее совместимой с существующими системами переработки ПЭТ.
Формирование упаковочной продукции: от гранул до пленок, бутылок и лотков.
После превращения биополиэстера в гранулы следующим этапом является процесс его переработки в упаковку, включающий в себя:
– Экструдированная пленка (литая пленка или выдувная пленка) для пакетов и оберток.
– Термоформование для изготовления стаканчиков, подносов для еды и блистеров.
– Литье под давлением крышек, ложек, вилок или отдельных компонентов.
– Выдувное формование бутылок (как правило, из био-ПЭТ или определенных смесей).
Ключевой проблемой биополиэфиров является термическая стабильность и контроль влажности. Например, полимолочная кислота (PLA) чувствительна к гидролизу в процессе обработки, поэтому гранулы необходимо высушивать перед экструзией или литьем под давлением.
Применение в экологически чистой упаковке
Биополиэстер широко используется в упаковке с целью снижения выбросов и/или улучшения утилизации после использования.
1. Упаковка для продуктов питания и напитков
Благодаря своей прозрачности и жесткости, PLA часто используется для изготовления стаканчиков для холодных напитков, крышек, лотков для фруктов и упаковки салатов. Для горячих блюд PLA требует модификации (например, повышения степени кристаллизации/CPET), чтобы выдерживать более высокие температуры.
2. Компостируемые пленки и пакеты
Биоразлагаемые биополиэфирные смеси (например, PLA с PBAT или PBS) широко используются для изготовления мешков для органических отходов и сельскохозяйственных мульчирующих пленок, поскольку они обладают способностью разлагаться в компостных установках или почве (в зависимости от стандартов и состава).
3. Косметическая упаковка и товары для розничной торговли
Био-ПЭТ или ПЛА выбирают для бутылок, банок или блистеров в рамках стратегии бренда по использованию возобновляемых сырьевых материалов. Здесь ключевыми факторами являются эстетика и прочность.
4. Упаковка из смешанных волокон (гибрид бумаги и пластика)
Биополиэстер можно использовать в качестве покрытия для бумаги, чтобы улучшить водо- и маслостойкость. Однако при проектировании необходимо учитывать возможность вторичной переработки или компостирования, чтобы избежать образования сложной смеси материалов, которые трудно разделить.
Экологические аспекты и проблемы внедрения
Хотя биополиэстер и является многообещающим решением, он не представляет собой единственного правильного подхода. Существует несколько важных аспектов:
– Инфраструктура утилизации: для переработки PLA обычно требуется промышленное компостирование при контролируемой температуре и влажности. Если оставить его в окружающей среде без обработки, его разложение может происходить медленно.
– Переработка: Био-ПЭТ можно перерабатывать вместе с ПЭТ, в то время как для ПЛА требуется отдельный поток переработки, чтобы избежать ухудшения качества ПЭТ при смешивании.
– Источники биомассы и землепользование: при выборе сырья необходимо учитывать конкуренцию с производством продуктов питания, потреблением воды и воздействием на сельское хозяйство. Использование лигноцеллюлозных отходов является важным направлением для повышения устойчивости.
– Свойства материала: некоторые биополиэфиры, как правило, более хрупкие или менее термостойкие, чем некоторые виды ископаемого пластика, что часто требует использования смесей/добавок или изменения дизайна упаковки.
обложка
Процесс производства биополиэфирных пластиков, по сути, объединяет три области: производство биомассы, биотехнологию (ферментацию) и полимерную инженерию (полимеризацию и формирование продукта). PLA и PHA демонстрируют, как возобновляемое сырье может быть преобразовано в функциональные пластики, в то время как PBS и био-PET предлагают варианты, более близкие по характеристикам к традиционным пластикам, со стратегиями снижения углеродного следа или возможностью вторичной переработки. Для достижения действительно устойчивой упаковки выбор биополиэстера должен сопровождаться соответствующим дизайном упаковки, системой сбора и четкими вариантами утилизации — будь то переработка, компостирование или другие методы обработки. При целостном подходе биополиэстер может стать ключевым элементом перехода к циркулярной экономике в упаковочной промышленности.
