Bio-poliester plastmassani tayyorlash jarayoni va uni ekologik toza qadoqlashda qo'llash
Oziq-ovqat, ichimliklar, kosmetika va logistika sanoatining o'sishi bilan qadoqlashga ehtiyoj ortib bormoqda. Boshqa tomondan, neftga asoslangan plastmassalar yuqori uglerod izi va ishlatilgandan keyin boshqarish qiyinligi tufayli diqqat markazida. Tobora ko'proq rivojlanayotgan alternativalardan biri biopoliester plastmassa bo'lib, xom ashyosi to'liq yoki qisman biologik manbalardan (biomassa) olinadigan va ba'zi turlarida biologik parchalanadigan/kompostlanadigan poliester polimerlar oilasidir. Biopoliester an'anaviy plastmassalarning ishlashi va barqarorlik talablari, ayniqsa qadoqlash ilovalari o'rtasida o'rta yo'lni taklif etadi.
Biopoliester nima?
Kimyoviy jihatdan, poliester asosiy zanjirida takrorlanuvchi efir bog'lanishlariga ega bo'lgan polimerdir. Biopoliester atamasi ikkita narsani anglatishi mumkin: (1) bioasosli poliesterlar, bu yerda monomerlar shakarqamish, makkajo'xori, kassava yoki o'simlik moylari kabi biomassadan olinadi; va/yoki (2) PLA (polilaktik kislota) va PHA (polihidroksialkanatlar) kabi biologik parchalanadigan poliesterlar. Hamma bioasosli plastmassalar ham avtomatik ravishda biologik parchalanmaydi va biologik parchalanadiganlarning hammasi ham biologik parchalanmaydi. Masalan, bioPET (biologik asosli polietilen tereftalat) qayta tiklanadigan xom ashyolardan tayyorlanishi mumkin, ammo strukturaviy jihatdan an'anaviy PETga o'xshash va odatda tez biologik parchalanmaydi; PLA esa bioasosli va sanoat kompostlash zavodlarida nisbatan oson parchalanadi.
Ekologik toza qadoqlash nuqtai nazaridan, eng ko'p muhokama qilinadiganlar PLA, PHA, PBS (polibutilen suksinat), PBAT (ko'pincha moslashuvchanlikni oshirish uchun aralashma sifatida ishlatiladi, garchi odatda to'liq bio-asosli bo'lmasa ham) va agar PET qayta ishlash infratuzilmasi kuchli bo'lsa, shisha qadoqlash uchun bio-PET.
Xom ashyo: biomassadan monomergacha
Biopoliester ishlab chiqarishning dastlabki bosqichi qayta tiklanadigan xom ashyolarni monomerlarga yoki polimer prekursorlariga aylantirish uchun tayyorlashdir. Umumiy biomassa manbalariga quyidagilar kiradi:
1. Shakar va kraxmal (shakarqamish, makkajo'xori, maniok): gidroliz orqali (kraxmal olish uchun) glyukozaga qayta ishlanadi va keyin fermentlanadi.
2. O'simlik moylari (palma, soya, kastor): kimyoviy reaksiyalar orqali diollar/kislotalarga aylantirilishi mumkin.
3. Lignotsellyuloza chiqindilari (bagasse, somon, talaş): qiyinroq, chunki u tsellyuloza/gemitsellyulozani fermentatsiyalanadigan shakarlarga parchalash uchun oldindan ishlov berishni talab qiladi.
Ushbu jarayon natijasida ishlab chiqarilgan shakardan sanoat muhim monomerlarni ishlab chiqarishi mumkin:
– Sut kislotasi (PLA prekursori) ma'lum bakteriyalar tomonidan fermentatsiya orqali.
– Suksin kislotasi va 1,4-butandiol (PBS prekursori) fermentatsiya yoki biokimyoviy yo'llar orqali.
– 3-gidroksibutirat va shunga o'xshash monomerlar mikroorganizmlar hujayralari ichida to'g'ridan-to'g'ri PHA ga yig'iladi.
PLA (polilaktik kislota) ishlab chiqarish jarayoni
PLA qadoqlash uchun eng mashhur biopoliesterlardan biridir, chunki u shaffof, an'anaviy plastmassalarga o'xshash plastik mashinalar bilan ishlov berilishi mumkin va qayta tiklanadigan manbalardan olinadi. Uning jarayon zanjiri odatda quyidagilarni o'z ichiga oladi:
1. Shakarni sut kislotasiga fermentatsiya qilish
Glyukoza mikroorganizmlar (masalan, Lactobacillus) tomonidan fermentlanib, sut kislotasini ishlab chiqaradi. Bu bosqichda pH, harorat, ozuqa moddalari va mahsulotni tozalash nazorati talab etiladi.
2. Sut kislotasini tozalash
Yuqori sifatli polimerlar ishlab chiqarish uchun sut kislotasini tuzlar, qoldiq biomassa va boshqa aralashmalardan tozalash kerak. Tozalash odatda filtrlash, ion almashinuvi, distillash yoki kristallanishni o'z ichiga oladi.
3. Laktidning hosil bo'lishi
Sut kislotasi oligomerlarga kondensatsiyalanadi, so'ngra laktid (siklik dimer) hosil qilish uchun nazorat ostida depolimerizatsiya qilinadi. PLA ning kristalligi va mexanik xususiyatlariga ta'sir qiluvchi bir nechta izomerlar (L-laktid, D-laktid) mavjud.
4. Halqa ochuvchi polimerizatsiya (ROP)
Laktid katalizator (ko'pincha metall asosidagi, masalan, ayrim sanoat jarayonlarida temir oktoat) yordamida polimerlanadi va yuqori molekulyar og'irlikdagi PLA hosil qiladi. Yuqori molekulyar og'irlik mustahkamlik va qayta ishlash uchun muhimdir.
5. Granulalash va aralashtirish
Tayyor PLA granulalanadi. Bu bosqichda ko'pincha qo'shimchalar qo'shiladi: mo'rtlikni oldini olish uchun plastifikatorlar, kristallanishni tartibga solish uchun yadro hosil qiluvchi vositalar yoki issiqlikka chidamlilik va mustahkamlikni oshirish uchun boshqa polimerlar bilan aralashtirish.
PHA (polihidroksialkanoatlar) ishlab chiqarish jarayoni
Monomerlarning kimyoviy reaksiyasi orqali hosil bo'ladigan PLA dan farqli o'laroq, PHA mikroorganizmlar tomonidan hujayralari ichida energiya zaxirasi sifatida "ishlab chiqariladi". Jarayon quyidagicha:
1. Fermentatsiya
Bakteriyalar hujayralar PHA ni saqlashi uchun ozuqa moddalari cheklangan sharoitlarda (masalan, azot cheklangan) uglerod manbalari (shakar, yog'lar, hatto ba'zi organik chiqindilar) bilan o'stiriladi.
2. Biomassani yig'ish va ekstraksiya qilish
Hujayralar fermentatsiya muhitidan ajratiladi, keyin PHA olinadi (erituvchilar yoki ekologik toza erituvchi bo'lmagan usullar yordamida) va keyin tozalanadi.
3. Quritish va granulalash
PHA granulalarga, so'ngra plyonkalarga, somonlarga yoki idishlarga qayta ishlanadi. PHA odatda biologik parchalanadi, hatto ma'lum sharoitlarda dengiz muhitida ham, parchalanish tezligi har xil bo'lsa ham.
PBS va bio-PET ishlab chiqarish jarayoni (qisqacha ma'lumot)
PBS (polibutilen süksinat) süksin kislotasi va 1,4-butandiolning polikondensatsiyasi orqali tayyorlanadi. Ikkala monomer ham biomassa fermentatsiyasidan olinganida, PBS bioasosli bo'lishi mumkin. PBS PLA ga nisbatan moslashuvchanligi va nisbatan issiqlikka chidamliligi bilan mashhur bo'lib, uni paketlar, plyonkalar va ko'p qatlamli qadoqlash uchun mos qiladi.
Bio-PET odatda PET xom ashyosining bir qismini (masalan, etilen glikol) biomanbalar bilan almashtirish orqali ishlab chiqariladi, tereftalik kislota esa ko'pincha qazilmalarga asoslangan (garchi tereftalatga bio-yo'llar ham ishlab chiqilmoqda). Uning afzalligi: u PET bilan bir xil xususiyatlarga ega, bu uni PETni qayta ishlashning o'rnatilgan tizimlari bilan moslashtiradi.
Qadoqlash mahsulotlarini shakllantirish: granulalardan plyonkalar, idishlar va patnislargacha
Bio-poliester granulalarga aylangandan so'ng, keyingi bosqich qadoqlashga aylantirish jarayoni bo'lib, quyidagilarni o'z ichiga oladi:
– Xaltalar va o'ramlar uchun ekstruziya qilingan plyonka (quyma plyonka yoki puflangan plyonka).
– Stakanlar, oziq-ovqat patnislari va pufakchalar tayyorlash uchun termoformlash.
– Qopqoqlar, qoshiqlar, vilkalar yoki ayrim komponentlar uchun inyeksion qoliplash.
– Shishalar uchun puflab qoliplash (odatda bio-PET yoki ma'lum aralashmalarda).
Biopoliesterlar bilan bog'liq asosiy qiyinchilik issiqlik barqarorligi va namlikni nazorat qilishdir. Masalan, PLA qayta ishlash jarayonida gidrolizga sezgir, shuning uchun granulalarni ekstruziya yoki in'ektsiya qilishdan oldin quritish kerak.
Ekologik toza qadoqlashda qo'llanilishi
Biopoliester chiqindilarni kamaytirish va/yoki foydalanishdan keyingi boshqaruvni yaxshilash maqsadida qadoqlashda keng qo'llaniladi.
1. Oziq-ovqat va ichimliklarni qadoqlash
PLA ko'pincha sovuq ichimliklar stakanlari, qopqoqlar, mevali idishlar va salat qadoqlash uchun ishlatiladi, chunki u shaffof va qattiq ko'rinadi. Issiq ovqatlar uchun PLA yuqori haroratga bardosh berish uchun modifikatsiyalarni (masalan, yuqori kristallanish/CPET) talab qiladi.
2. Kompostlanadigan plyonkalar va paketlar
Biologik parchalanadigan biopoliester aralashmalari (masalan, PBAT yoki PBS bilan PLA) organik chiqindilar paketlari va qishloq xo'jaligi mulch plyonkalari uchun keng qo'llaniladi, chunki ular kompost inshootlarida yoki tuproqda parchalanish qobiliyatiga qaratilgan (standartlar va formulaga qarab).
3. Kosmetik qadoqlash va chakana mahsulotlar
Bio-PET yoki PLA brendning qayta tiklanadigan xom ashyolarga yo'naltirilgan strategiyasining bir qismi sifatida shishalar, bankalar yoki blisterlar uchun tanlanadi. Bu yerda estetika va qattiqlik asosiy e'tiborga olinadi.
4. Aralash tolali qadoqlash (qog'oz-plastik gibrid)
Biopoliester suv/moyga chidamliligini oshirish uchun qog'ozga qoplama sifatida ishlatilishi mumkin. Biroq, ajratish qiyin bo'lgan materiallarning murakkab aralashmasini yaratmaslik uchun dizayn qayta ishlash yoki kompostlash qobiliyatini hisobga olishi kerak.
Atrof-muhit jihatlari va amalga oshirishdagi qiyinchiliklar
Biopoliester istiqbolli bo'lsa-da, bu yagona yechim emas. Bir nechta muhim jihatlar mavjud:
– Yaroqlilik muddati tugagan infratuzilma: PLA odatda harorat va namlik nazorat ostida sanoat kompostlashni talab qiladi. Agar atrof-muhitda ishlov berilmasa, uning parchalanishi sekinlashishi mumkin.
– Qayta ishlash: Bio-PET PET bilan qayta ishlanishi mumkin, PLA esa aralashtirilganda PET sifatiga putur yetkazmaslik uchun alohida qayta ishlash oqimini talab qiladi.
– Biomassa manbalari va yerlardan foydalanish: Xom ashyo tanlashda oziq-ovqat, suvdan foydalanish va qishloq xo'jaligi ta'siri bilan raqobatni hisobga olish kerak. Lignotsellyuloza chiqindilaridan foydalanish barqarorlikni oshirishning muhim yo'nalishi hisoblanadi.
– Material xususiyatlari: ba'zi biopoliesterlar ma'lum qazilma plastmassalarga qaraganda mo'rtroq yoki kamroq issiqlikka chidamli bo'lishga moyil bo'lib, ko'pincha aralashmalar/qo'shimchalar yoki qadoqlashni qayta loyihalashni talab qiladi.
Yopish
Biopoliester plastmassa ishlab chiqarish jarayoni asosan uchta dunyoni birlashtiradi: biomassa ishlab chiqarish, biotexnologiya (fermentatsiya) va polimer muhandisligi (polimerizatsiya va mahsulot hosil qilish). PLA va PHA qayta tiklanadigan xom ashyolarni qanday qilib funktsional plastmassaga aylantirish mumkinligini namoyish etadi, PBS va bio-PET esa uglerod izini kamaytirish yoki qayta ishlashga moslashish strategiyalari bilan an'anaviy plastmassalarga yaqinroq ishlash imkoniyatlarini taklif qiladi. Chinakam barqaror qadoqlashga erishish uchun bio-poliesterni tanlash tegishli qadoqlash dizayni, yig'ish tizimi va aniq foydalanish muddati tugagan variantlar bilan birga bo'lishi kerak - xoh qayta ishlash, kompostlash yoki boshqa qayta ishlash usullari. Yaxlit yondashuv bilan bio-poliester qadoqlash sanoatida aylanma iqtisodiyotga o'tishning asosiy qismi bo'lishi mumkin.
