กระบวนการผลิตพลาสติกไบโอโพลีเอสเตอร์และการนำไปใช้ในบรรจุภัณฑ์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
ความต้องการบรรจุภัณฑ์ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องควบคู่ไปกับการเติบโตของอุตสาหกรรมอาหาร เครื่องดื่ม เครื่องสำอาง และโลจิสติกส์ ในขณะเดียวกัน พลาสติกที่ผลิตจากปิโตรเลียมกำลังเป็นที่จับตามองเนื่องจากมีปริมาณคาร์บอนฟุตพรินท์สูงและจัดการได้ยากหลังการใช้งาน ทางเลือกหนึ่งที่กำลังได้รับการพัฒนามากขึ้นเรื่อยๆ คือ พลาสติกไบโอโพลีเอสเตอร์ ซึ่งเป็นกลุ่มของพอลิเมอร์โพลีเอสเตอร์ที่มีวัตถุดิบมาจากแหล่งชีวภาพ (ชีวมวล) ทั้งหมดหรือบางส่วน และในบางชนิดยังสามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ/สามารถนำไปทำปุ๋ยหมักได้ ไบโอโพลีเอสเตอร์เป็นทางเลือกที่อยู่ตรงกลางระหว่างประสิทธิภาพของพลาสติกทั่วไปและความต้องการด้านความยั่งยืน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานด้านบรรจุภัณฑ์
ไบโอโพลีเอสเตอร์คืออะไร?
ในทางเคมี โพลีเอสเตอร์เป็นพอลิเมอร์ที่มีพันธะเอสเทอร์ซ้ำๆ กันในสายโซ่หลัก คำว่า ไบโอโพลีเอสเตอร์ สามารถหมายถึงสองสิ่ง: (1) โพลีเอสเตอร์ชีวภาพ ซึ่งโมโนเมอร์ได้มาจากชีวมวล เช่น อ้อย ข้าวโพด มันสำปะหลัง หรือน้ำมันพืช และ/หรือ (2) โพลีเอสเตอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ เช่น PLA (กรดโพลีแลคติก) และ PHA (โพลีไฮดรอกซีอัลคาโนเอต) พลาสติกชีวภาพไม่ได้ย่อยสลายได้ทางชีวภาพทั้งหมดโดยอัตโนมัติ และพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพก็ไม่ได้มาจากชีวภาพทั้งหมด ตัวอย่างเช่น ไบโอ-PET (โพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลตชีวภาพ) สามารถผลิตจากวัตถุดิบหมุนเวียนได้ แต่มีโครงสร้างคล้ายกับ PET ทั่วไปและโดยทั่วไปจะไม่ย่อยสลายได้เร็วเท่า ในขณะที่ PLA เป็นพลาสติกชีวภาพและย่อยสลายได้ค่อนข้างง่ายในโรงงานหมักปุ๋ยอุตสาหกรรม
ในบริบทของบรรจุภัณฑ์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม วัสดุที่ถูกกล่าวถึงบ่อยที่สุด ได้แก่ PLA, PHA, PBS (โพลีบิวทิลีนซัคซิเนต), PBAT (มักใช้เป็นส่วนผสมเพื่อเพิ่มความยืดหยุ่น แม้โดยทั่วไปจะไม่ใช่วัสดุชีวภาพทั้งหมด) และไบโอ-PET สำหรับบรรจุภัณฑ์ขวด หากโครงสร้างพื้นฐานการรีไซเคิล PET แข็งแกร่ง
วัตถุดิบ: จากชีวมวลสู่โมโนเมอร์
ขั้นตอนแรกในการผลิตไบโอโพลีเอสเตอร์คือการเตรียมวัตถุดิบหมุนเวียนเพื่อนำไปแปรรูปเป็นโมโนเมอร์หรือสารตั้งต้นของพอลิเมอร์ แหล่งชีวมวลทั่วไป ได้แก่:
1. น้ำตาลและแป้ง (อ้อย ข้าวโพด มันสำปะหลัง): นำมาแปรรูปเป็นกลูโคสโดยผ่านกระบวนการไฮโดรไลซิส (สำหรับแป้ง) แล้วจึงนำไปหมัก
2. น้ำมันพืช (ปาล์ม, ถั่วเหลือง, ละหุ่ง): สามารถเปลี่ยนเป็นไดออล/กรดได้ผ่านปฏิกิริยาเคมี
3. ของเสียจากลิกโนเซลลูโลส (กากอ้อย ฟาง ขี้เลื่อย): มีความท้าทายมากกว่า เนื่องจากต้องมีการปรับสภาพเบื้องต้นเพื่อให้เซลลูโลส/เฮมิเซลลูโลสแตกตัวเป็นน้ำตาลที่สามารถนำไปหมักได้
จากน้ำตาลที่ได้จากกระบวนการนี้ อุตสาหกรรมสามารถผลิตโมโนเมอร์ที่สำคัญได้ดังนี้:
- กรดแลคติก (สารตั้งต้นของ PLA) เกิดขึ้นจากกระบวนการหมักโดยแบคทีเรียบางชนิด
- กรดซัคซินิกและ 1,4-บิวเทนไดออล (สารตั้งต้นของ PBS) ผ่านกระบวนการหมักหรือกระบวนการทางชีวเคมี
– 3-ไฮดรอกซีบิวทิเรตและโมโนเมอร์ที่คล้ายกันจะถูกประกอบเข้าเป็น PHA โดยตรงภายในเซลล์ของจุลินทรีย์
กระบวนการผลิต PLA (กรดโพลีแลคติก)
PLA เป็นหนึ่งในไบโอโพลีเอสเตอร์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสำหรับการบรรจุภัณฑ์ เนื่องจากมีความโปร่งใส สามารถแปรรูปได้ด้วยเครื่องจักรพลาสติกเช่นเดียวกับพลาสติกทั่วไป และได้มาจากแหล่งทรัพยากรหมุนเวียน โดยทั่วไปแล้วกระบวนการผลิตจะประกอบด้วย:
1. การหมักน้ำตาลให้กลายเป็นกรดแลคติก
กลูโคสจะถูกหมักโดยจุลินทรีย์ (เช่น แลคโตบาซิลลัส) เพื่อผลิตกรดแลคติก ขั้นตอนนี้จำเป็นต้องควบคุมค่า pH อุณหภูมิ สารอาหาร และการทำให้ผลิตภัณฑ์บริสุทธิ์
2. การทำให้กรดแลคติกบริสุทธิ์
ในการผลิตโพลิเมอร์คุณภาพสูง กรดแลคติกต้องได้รับการทำให้บริสุทธิ์จากเกลือ ชีวมวลที่เหลือ และสิ่งเจือปนอื่นๆ โดยทั่วไปแล้ว การทำให้บริสุทธิ์จะใช้วิธีการกรอง การแลกเปลี่ยนไอออน การกลั่น หรือการตกผลึก
3. การก่อตัวของแลคไทด์
กรดแลคติกจะถูกควบแน่นเป็นโอลิโกเมอร์ จากนั้นจึงถูกทำให้เกิดการสลายตัวอย่างเป็นระบบเพื่อสร้างแลคไทด์ (ไดเมอร์แบบวงแหวน) มีไอโซเมอร์หลายชนิด (L-แลคไทด์, D-แลคไทด์) ที่ส่งผลต่อความเป็นผลึกและคุณสมบัติทางกลของ PLA
4. ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบเปิดวงแหวน (ROP)
แลคไทด์ถูกทำให้เกิดพอลิเมอร์โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา (มักเป็นโลหะ เช่น สแตนนัสออกโตเอตในกระบวนการทางอุตสาหกรรมบางอย่าง) ทำให้เกิด PLA ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง น้ำหนักโมเลกุลสูงมีความสำคัญต่อความแข็งแรงและความสามารถในการขึ้นรูป
5. การอัดเม็ดและการผสม
PLA ที่ผลิตเสร็จแล้วจะถูกอัดเป็นเม็ด ในขั้นตอนนี้ มักมีการเติมสารเติมแต่ง เช่น สารทำให้พลาสติกอ่อนตัวเพื่อป้องกันการเปราะ สารเร่งการตกผลึก หรือการผสมกับโพลิเมอร์อื่นๆ เพื่อเพิ่มความทนทานต่อความร้อนและความเหนียว
กระบวนการผลิต PHA (โพลีไฮดรอกซีอัลคาโนเอต)
แตกต่างจาก PLA ซึ่งผลิตขึ้นจากปฏิกิริยาเคมีของโมโนเมอร์ PHA นั้น "ผลิต" โดยจุลินทรีย์เพื่อใช้เป็นแหล่งพลังงานสำรองภายในเซลล์ กระบวนการมีดังนี้:
1. การหมัก
แบคทีเรียจะถูกเลี้ยงด้วยแหล่งคาร์บอน (น้ำตาล น้ำมัน หรือแม้แต่ของเสียอินทรีย์บางชนิด) ภายใต้สภาวะที่มีสารอาหารจำกัด (เช่น ไนโตรเจนจำกัด) เพื่อให้เซลล์สะสม PHA ไว้
2. การเก็บเกี่ยวและการสกัดชีวมวล
เซลล์จะถูกแยกออกจากตัวกลางการหมัก จากนั้นจะสกัด PHA (โดยใช้ตัวทำละลายหรือวิธีการที่ไม่ใช้ตัวทำละลายซึ่งเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า) แล้วจึงทำการทำให้บริสุทธิ์
3. การอบแห้งและการอัดเม็ด
PHA ถูกแปรรูปเป็นเม็ดแล้วนำไปแปรรูปเป็นฟิล์ม หลอด หรือภาชนะต่างๆ โดยทั่วไปแล้ว PHA สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ แม้ในสภาพแวดล้อมทางทะเลภายใต้เงื่อนไขบางประการ แม้ว่าอัตราการย่อยสลายจะแตกต่างกันไปก็ตาม
กระบวนการผลิต PBS และ bio-PET (ภาพรวมโดยย่อ)
PBS (โพลีบิวทิลีนซัคซิเนต) ผลิตขึ้นโดยกระบวนการพอลิคอนเดนเซชันของกรดซัคซินิกและ 1,4-บิวเทนไดออล เมื่อโมโนเมอร์ทั้งสองได้มาจากการหมักชีวมวล PBS ก็สามารถเป็นวัสดุชีวภาพได้ PBS มีคุณสมบัติเด่นในด้านความยืดหยุ่นและทนความร้อนได้ดีกว่า PLA ทำให้เหมาะสำหรับใช้ในถุงบรรจุภัณฑ์ ฟิล์ม และบรรจุภัณฑ์หลายชั้น
โดยทั่วไปแล้ว Bio-PET ผลิตขึ้นโดยการแทนที่วัตถุดิบตั้งต้นของ PET บางส่วน (เช่น เอทิลีนไกลคอล) ด้วยแหล่งชีวภาพ ในขณะที่กรดเทเรฟทาลิกยังคงมาจากเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นส่วนใหญ่ (แม้ว่ากำลังมีการพัฒนาวิธีการผลิตเทเรฟทาเลตจากแหล่งชีวภาพอยู่ก็ตาม) ข้อดีของมันคือ มีคุณสมบัติเหมือนกับ PET ทำให้สามารถใช้งานร่วมกับระบบรีไซเคิล PET ที่มีอยู่แล้วได้
กระบวนการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์บรรจุภัณฑ์: จากเม็ดพลาสติกสู่ฟิล์ม ขวด และถาด
หลังจากที่ไบโอโพลีเอสเตอร์กลายเป็นเม็ดแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือกระบวนการแปรรูปเป็นบรรจุภัณฑ์ ซึ่งรวมถึง:
– ฟิล์มขึ้นรูป (ฟิล์มหล่อหรือฟิล์มเป่า) สำหรับทำถุงและบรรจุภัณฑ์
- การขึ้นรูปด้วยความร้อนเพื่อทำถ้วย ถาดอาหาร และบรรจุภัณฑ์แบบแผงพลาสติก
- การฉีดขึ้นรูปสำหรับฝาปิด ช้อน ส้อม หรือชิ้นส่วนบางอย่าง
– การขึ้นรูปด้วยการเป่าสำหรับขวด (โดยทั่วไปทำจากไบโอ-PET หรือส่วนผสมบางชนิด)
ความท้าทายที่สำคัญอย่างหนึ่งของไบโอโพลีเอสเตอร์คือเสถียรภาพทางความร้อนและการควบคุมความชื้น ตัวอย่างเช่น PLA มีความไวต่อการไฮโดรไลซิสในระหว่างกระบวนการผลิต ดังนั้นเม็ดพลาสติกจึงจำเป็นต้องทำให้แห้งก่อนการอัดขึ้นรูปหรือการฉีดขึ้นรูป
การประยุกต์ใช้ในบรรจุภัณฑ์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
ไบโอโพลีเอสเตอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์ โดยมีเป้าหมายเพื่อลดการปล่อยมลพิษและ/หรือปรับปรุงการจัดการหลังการใช้งาน
1. บรรจุภัณฑ์อาหารและเครื่องดื่ม
PLA มักใช้สำหรับถ้วยเครื่องดื่มเย็น ฝาปิด ถาดผลไม้ และบรรจุภัณฑ์สลัด เนื่องจากมีลักษณะโปร่งใสและแข็งแรง สำหรับอาหารร้อน PLA จำเป็นต้องมีการปรับปรุง (เช่น การตกผลึกที่สูงขึ้น/CPET) เพื่อให้ทนต่ออุณหภูมิที่สูงขึ้นได้
2. ฟิล์มและถุงที่ย่อยสลายได้
วัสดุผสมโพลีเอสเตอร์ชีวภาพที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ (เช่น PLA ผสมกับ PBAT หรือ PBS) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับถุงใส่ขยะอินทรีย์และฟิล์มคลุมดินทางการเกษตร เนื่องจากมีคุณสมบัติในการย่อยสลายได้ในโรงหมักปุ๋ยหรือดิน (ขึ้นอยู่กับมาตรฐานและสูตรการผลิต)
3. บรรจุภัณฑ์เครื่องสำอางและผลิตภัณฑ์สำหรับจำหน่ายปลีก
พลาสติกไบโอ-PET หรือ PLA ถูกเลือกใช้สำหรับขวด โถ หรือบรรจุภัณฑ์แบบแผงพลาสติก เพื่อเป็นส่วนหนึ่งของกลยุทธ์ของแบรนด์ในการใช้วัตถุดิบหมุนเวียน โดยคำนึงถึงความสวยงามและความแข็งแรงเป็นสำคัญ
4. บรรจุภัณฑ์เส้นใยผสม (กระดาษ-พลาสติกผสม)
ไบโอโพลีเอสเตอร์สามารถใช้เป็นสารเคลือบผิวบนกระดาษเพื่อเพิ่มความทนทานต่อน้ำและน้ำมันได้ อย่างไรก็ตาม การออกแบบต้องคำนึงถึงความสามารถในการรีไซเคิลหรือการย่อยสลายได้ เพื่อหลีกเลี่ยงการสร้างส่วนผสมของวัสดุที่ซับซ้อนซึ่งยากต่อการแยกออกจากกัน
แง่มุมด้านสิ่งแวดล้อมและความท้าทายในการดำเนินการ
แม้ว่าไบโอโพลีเอสเตอร์จะดูมีแนวโน้มที่ดี แต่ก็ไม่ใช่ทางออกเดียวที่สมบูรณ์แบบ ยังมีปัจจัยสำคัญอีกหลายประการ:
– โครงสร้างพื้นฐานสำหรับการจัดการเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน: โดยทั่วไปแล้ว PLA ต้องใช้กระบวนการย่อยสลายทางชีวภาพในระดับอุตสาหกรรม โดยควบคุมอุณหภูมิและความชื้น หากปล่อยทิ้งไว้โดยไม่ได้รับการจัดการในสภาพแวดล้อม การย่อยสลายอาจเป็นไปอย่างช้าๆ
– การรีไซเคิล: Bio-PET สามารถรีไซเคิลร่วมกับ PET ได้ ในขณะที่ PLA ต้องใช้กระบวนการรีไซเคิลแยกต่างหาก เพื่อหลีกเลี่ยงการลดคุณภาพของ PET เมื่อนำมาผสมกัน
– แหล่งชีวมวลและการใช้ที่ดิน: การเลือกวัตถุดิบต้องคำนึงถึงการแข่งขันกับอาหาร การใช้น้ำ และผลกระทบต่อภาคเกษตรกรรม การใช้ของเสียจากลิกโนเซลลูโลสเป็นแนวทางสำคัญเพื่อความยั่งยืนที่มากขึ้น
– คุณสมบัติของวัสดุ: โพลีเอสเตอร์ชีวภาพบางชนิดมีแนวโน้มที่จะเปราะกว่าหรือทนความร้อนได้น้อยกว่าพลาสติกที่ผลิตจากเชื้อเพลิงฟอสซิลบางชนิด ดังนั้นจึงมักจำเป็นต้องมีการผสม/เติมสาร หรือการออกแบบบรรจุภัณฑ์ใหม่
ปิด
กระบวนการผลิตพลาสติกไบโอโพลีเอสเตอร์เชื่อมโยงสามโลกเข้าด้วยกัน ได้แก่ การผลิตชีวมวล เทคโนโลยีชีวภาพ (การหมัก) และวิศวกรรมพอลิเมอร์ (การพอลิเมอไรเซชันและการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์) PLA และ PHA แสดงให้เห็นว่าวัตถุดิบหมุนเวียนสามารถเปลี่ยนเป็นพลาสติกที่มีคุณสมบัติใช้งานได้ ในขณะที่ PBS และไบโอ-PET นำเสนอทางเลือกด้านประสิทธิภาพที่ใกล้เคียงกับพลาสติกทั่วไป พร้อมกลยุทธ์ในการลดคาร์บอนฟุตพริ้นท์หรือความเข้ากันได้กับการรีไซเคิล เพื่อให้ได้บรรจุภัณฑ์ที่ยั่งยืนอย่างแท้จริง การเลือกใช้ไบโอโพลีเอสเตอร์ต้องควบคู่ไปกับการออกแบบบรรจุภัณฑ์ที่เหมาะสม ระบบการรวบรวม และทางเลือกในการจัดการเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งานที่ชัดเจน ไม่ว่าจะเป็นการรีไซเคิล การทำปุ๋ยหมัก หรือวิธีการแปรรูปอื่นๆ ด้วยแนวทางแบบองค์รวม ไบโอโพลีเอสเตอร์สามารถเป็นส่วนสำคัญของการเปลี่ยนผ่านไปสู่เศรษฐกิจหมุนเวียนในอุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์ได้
