Процес производње биополиестерске пластике и њена примена у еколошки прихватљивој амбалажи
Потреба за амбалажом наставља да расте са растом прехрамбене, пића, козметичке и логистичке индустрије. С друге стране, пластика на бази нафте је у центру пажње због свог високог угљеничног отиска и тешкоће у управљању након употребе. Једна алтернатива која се све више развија је биополиестерска пластика, породица полиестерских полимера чије су сировине у потпуности или делимично добијене из биолошких извора (биомасе), а у неким врстама су и биоразградиве/компостибилне. Биополиестер нуди средњи пут између перформанси конвенционалне пластике и захтева одрживости, посебно за примену у амбалажи.
Шта је биополиестер?
Хемијски, полиестер је полимер који има понављајуће естарске везе у свом главном ланцу. Термин биополиестер може се односити на две ствари: (1) био-базиране полиестере, где су мономери добијени из биомасе као што су шећерна трска, кукуруз, касава или биљна уља; и/или (2) биоразградиве полиестере, као што су PLA (полимлечна киселина) и PHA (полихидроксиалканоати). Нису све био-базиране пластике аутоматски биоразградиве, и нису све биоразградиве био-изведене. На пример, био-PET (полиетилен терефталат на био-бази) може се направити од обновљивих сировина, али је структурно сличан конвенционалном PET-у и генерално се не биоразграђује тако брзо; док је PLA био-базиран и релативно лако се разлаже у индустријским постројењима за компостирање.
У контексту еколошки прихватљиве амбалаже, најчешће се помињу PLA, PHA, PBS (полибутилен сукцинат), PBAT (често се користи као мешавина ради повећања флексибилности, иако генерално није у потпуности биобазиран) и био-PET за амбалажу за боце ако је инфраструктура за рециклажу PET-а јака.
Сировине: од биомасе до мономера
Почетна фаза у производњи биополиестера је припрема обновљивих сировина које се претварају у мономере или прекурсоре полимера. Уобичајени извори биомасе укључују:
1. Шећер и скроб (шећерна трска, кукуруз, касава): прерађују се у глукозу хидролизом (за скроб), а затим ферментишу.
2. Биљна уља (палмино, сојино, рицинусово): могу се хемијским реакцијама претворити у диоле/киселине.
3. Лигноцелулозни отпад (багаса, слама, пиљевина): изазовнији јер захтева претходну обраду како би се целулоза/хемицелулоза могла разградити на ферментабилне шећере.
Од шећера произведеног овим поступком, индустрија може да произведе важне мономере:
– Млечна киселина (прекурсор PLA) путем ферментације одређеним бактеријама.
– Ћилибарна киселина и 1,4‑бутандиол (прекурсор PBS) путем ферментације или биохемијских путева.
– 3-хидроксибутират и слични мономери се склапају у ПХА директно унутар ћелија микроорганизама.
Процес производње PLA (полимлечне киселине)
PLA је један од најпопуларнијих биополиестара за паковање јер је провидан, може се обрађивати машинама за пластику слично конвенционалној пластици и добија се из обновљивих извора. Његов процесни ланац обично укључује:
1. Ферментација шећера у млечну киселину
Глукоза се ферментише помоћу микроорганизама (нпр. Lactobacillus) да би се произвела млечна киселина. Ова фаза захтева контролу pH вредности, температуре, хранљивих материја и пречишћавања производа.
2. Пречишћавање млечне киселине
Да би се произвели висококвалитетни полимери, млечна киселина мора бити пречишћена од соли, резидуалне биомасе и других нечистоћа. Пречишћавање обично укључује филтрацију, јонску измену, дестилацију или кристализацију.
3. Формирање лактида
Млечна киселина се кондензује у олигомере, а затим подвргава контролисаној деполимеризацији да би се формирао лактид (циклични димер). Постоји неколико изомера (L-лактид, D-лактид) који утичу на кристалност и механичка својства PLA.
4. Полимеризација са отварањем прстена (ROP)
Лактид се полимеризује помоћу катализатора (често на бази метала, као што је стано октоат у одређеним индустријским процесима), чиме се добија PLA високе молекулске тежине. Висока молекулска тежина је важна за чврстоћу и обрадивост.
5. Пелетирање и мешање
Готова PLA се пелетизује. У овој фази се често додају адитиви: пластификатори за спречавање кртости, нуклеациони агенси за регулисање кристализације или мешавине са другим полимерима ради побољшања отпорности на топлоту и жилавости.
Процес производње ПХА (полихидроксиалканоата)
За разлику од PLA, која се производи хемијском реакцијом мономера, PHA „производе“ микроорганизми као резерву енергије унутар својих ћелија. Процес је следећи:
1. Ферментација
Бактерије се гаје са изворима угљеника (шећери, уља, чак и одређени органски отпад) у условима ограниченог садржаја хранљивих материја (нпр. ограниченог азота) тако да ћелије складиште ПХА.
2. Сакупљање и екстракција биомасе
Ћелије се одвајају од ферментационог медијума, затим се ПХА екстрахује (коришћењем растварача или еколошки прихватљивијих метода без растварача), а потом пречишћава.
3. Сушење и пелетирање
ПХА се прерађује у пелете, а затим прерађује у филмове, сламке или контејнере. ПХА је генерално биоразградив, чак и у морском окружењу под одређеним условима, иако брзина разградње варира.
Процес производње PBS и био-PET-а (кратак преглед)
PBS (полибутилен сукцинат) се прави поликондензацијом јантарне киселине и 1,4-бутандиола. Када се оба мономера добијају ферментацијом биомасе, PBS може бити биобазиран. PBS је познат по својој флексибилности и релативној отпорности на топлоту у поређењу са PLA, што га чини погодним за кесице, филмове и вишеслојно паковање.
Био-ПЕТ се обично производи заменом дела ПЕТ сировина (нпр. етилен гликола) биолошким изворима, док се терефтална киселина и даље често добија из фосилних горива (иако се развијају и биолошки путеви до терефталата). Његова предност: има иста својства као ПЕТ, што га чини компатибилним са успостављеним системима за рециклажу ПЕТ-а.
Формирање паковања производа: од пелета до филмова, боца и послужавника
Након што биополиестер постане пелет, следећа фаза је процес претварања у амбалажу, укључујући:
– Екструдирана фолија (ливена фолија или дувана фолија) за кесе и омоте.
– Термоформисање за израду шољица, послужавника за храну и блистера.
– Бризгање за поклопце, кашике, виљушке или одређене компоненте.
– Дување флаша (углавном од био-ПЕТ-а или одређених мешавина).
Кључни изазов код биополиестара је термичка стабилност и контрола влаге. PLA, на пример, је осетљив на хидролизу током обраде, тако да пелете треба осушити пре екструзије или бризгања.
Примене у еколошки прихватљивој амбалажи
Биополиестер се широко користи у амбалажи са циљем смањења емисија и/или побољшања управљања након употребе.
1. Паковање за храну и пиће
PLA се често користи за чаше за хладне напитке, поклопце, посуде за воће и паковања за салате због свог провидног и чврстог изгледа. За топлу храну, PLA захтева модификације (нпр. већу кристализацију/CPET) како би издржао више температуре.
2. Компостабилне фолије и кесе
Биоразградиве мешавине биополиестера (нпр. PLA са PBAT или PBS) се широко користе за вреће за органски отпад и пољопривредне фолије за малчирање, јер циљају на способност разградње у компостним објектима или земљишту (у зависности од стандарда и формулације).
3. Козметичка амбалажа и производи за малопродају
Био-ПЕТ или ПЛА се бирају за боце, тегле или блистере као део стратегије бренда ка обновљивим сировинама. Естетика и чврстина су овде кључни фактори.
4. Паковање од мешаних влакана (хибрид папира и пластике)
Биополиестер се може користити као премаз на папиру ради побољшања отпорности на воду/уље. Међутим, дизајн мора узети у обзир могућност рециклирања или компостирања како би се избегло стварање сложене мешавине материјала које је тешко раздвојити.
Еколошки аспекти и изазови у имплементацији
Иако обећавајући, биополиестер није јединствено решење. Постоји неколико важних аспеката:
– Инфраструктура на крају животног века: PLA генерално захтева индустријско компостирање са контролисаном температуром и влажношћу. Ако се не третира у животној средини, њена разградња може бити спора.
– Рециклажа: Био-ПЕТ се може рециклирати са ПЕТ-ом, док ПЛА захтева посебан ток рециклаже како би се избегло угрожавање квалитета ПЕТ-а приликом мешања.
– Извори биомасе и коришћење земљишта: Избор сировина мора узети у обзир конкуренцију са храном, коришћењем воде и утицајима на пољопривреду. Коришћење лигноцелулозног отпада је важан правац за већу одрживост.
– Својства материјала: неки биополиестери имају тенденцију да буду крхкији или мање отпорни на топлоту од одређених фосилних пластика, што често захтева мешавине/адитиве или редизајн амбалаже.
Пенутуп
Процес производње биополиестерске пластике у суштини повезује три света: производњу биомасе, биотехнологију (ферментацију) и полимерни инжењеринг (полимеризацију и формирање производа). PLA и PHA показују како се обновљиве сировине могу трансформисати у функционалну пластику, док PBS и био-PET нуде перформансе ближе конвенционалној пластици са стратегијама за смањење угљеничног отиска или компатибилност са рециклажом. Да би се постигла истински одржива амбалажа, избор био-полиестера мора бити праћен одговарајућим дизајном амбалаже, системом сакупљања и јасним опцијама на крају животног века - било да се ради о рециклажи, компостирању или другим методама обраде. Са холистичким приступом, био-полиестер може бити кључни део преласка на циркуларну економију у индустрији амбалаже.
