Χαρακτηριστικά, τύποι, παραγωγή και χρήσεις βιοπλαστικών



Το βιοπλαστικά Τα πλαστικά είναι πολυμερή υλικά, που λαμβάνονται από πρώτες ύλες βιολογικής προέλευσης, δηλαδή ανανεώσιμη, φυσικούς πόρους όπως άμυλο βιομάζα, κυτταρίνη, γαλακτικό οξύ, λίπη, φυτικές και ζωικές πρωτεΐνες, συμπεριλαμβανομένων.

Ο όρος βιοπλαστικό χρησιμοποιείται για τη διάκριση αυτών των υλικών βιολογικής προέλευσης, από τα πετροπολικά, τα οποία συντίθενται από παράγωγα πετρελαίου.

Τα πλαστικά είναι εύκολα χυτά υλικά που μπορούν να παραμορφωθούν χωρίς να σπάσουν σε ένα περισσότερο ή λιγότερο ευρύ φάσμα συνθηκών. γι 'αυτό είναι υλικά μεγάλης ευελιξίας.

Τα περισσότερα πλαστικά παράγονται από πρώτες ύλες που προέρχονται από πετρέλαιο. Αυτά τα πετροπολικά προϊόντα προέρχονται από την εξόρυξη και τη διύλιση πετρελαίου, η οποία είναι μη ανανεώσιμη, πεπερασμένη και εξαντλητική φυσική πηγή.

Επιπλέον, τα πετροπολικά προϊόντα δεν είναι βιοδιασπώμενα και δημιουργούν σοβαρά περιβαλλοντικά προβλήματα όπως τα λεγόμενα "πλαστικά νησιά και σούπες" στους ωκεανούς. Αυτά προκαλούν τεράστιους θανάτους ψαριών και θαλάσσιων πτηνών, λόγω της ρύπανσης της θάλασσας και του αέρα από τα πλαστικά μικροσωματίδια σε εναιώρημα, από τη φυσική τους υποβάθμιση.

Επιπλέον, η αποτέφρωση των πετροπολαστικών παράγει πολύ τοξικές εκπομπές.

Σε αντίθεση με τα πετροπολαστικά, τα περισσότερα βιοπλαστικά μπορεί να είναι πλήρως βιοαποικοδομήσιμα και μη ρυπογόνα. Μπορούν ακόμη να ευνοήσουν τη δυναμική των οικοσυστημάτων.

Ευρετήριο

  • 1 Χαρακτηριστικά των βιοπλαστικών
    • 1.1 Οικονομική και περιβαλλοντική σημασία των βιοπλαστικών
    • 1.2 Βιοδιασπασιμότητα
    • 1.3 Περιορισμοί των βιοπλαστικών
    • 1.4 Βελτίωση των ιδιοτήτων των βιοπλαστικών
  • 2 Τύποι (ταξινόμηση)
    • 2.1 Ταξινόμηση σύμφωνα με την παρασκευή του
    • 2.2 Ταξινόμηση σύμφωνα με την πρώτη ύλη
  • 3 Βιομηχανική παραγωγή βιοπλαστικών
  • 4 Χρήσεις βιοπλαστικών
    • 4.1 Είδη μιας χρήσης
    • 4.2 Κατασκευή και έργα πολιτικού μηχανικού
    • 4.3 Φαρμακευτικές εφαρμογές
    • 4.4 Ιατρικές εφαρμογές
    • 4.5 Αεροπορικές, θαλάσσιες και χερσαίες μεταφορές και βιομηχανία
    • 4.6 Γεωργία
  • 5 Αναφορές

Χαρακτηριστικά των βιοπλαστικών

Οικονομική και περιβαλλοντική σημασία των βιοπλαστικών

Πρόσφατα έχει προκύψει περισσότερο επιστημονικό και βιομηχανικό ενδιαφέρον για την παραγωγή πλαστικών από ανανεώσιμες πρώτες ύλες και που είναι βιοαποικοδομήσιμα.

Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα παγκόσμια αποθέματα πετρελαίου εξαντλούνται και ότι υπάρχει μεγαλύτερη ευαισθητοποίηση σχετικά με τις σοβαρές περιβαλλοντικές ζημίες που προκαλούνται από τα πετροπολικά..

Με την αυξανόμενη ζήτηση πλαστικών στην παγκόσμια αγορά, η ζήτηση βιοαποικοδομήσιμων πλαστικών αυξάνεται επίσης.

Βιοδιασπασιμότητα

Τα απόβλητα βιοαποικοδομήσιμων βιοπλαστικών μπορούν να αντιμετωπίζονται ως οργανικά απόβλητα, με ταχεία και μη ρυπογόνα υποβάθμιση. Για παράδειγμα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως τροποποιήσεις εδάφους στη λιπασματοποίηση, καθώς ανακυκλώνονται φυσιολογικά με βιολογικές διεργασίες.

Περιορισμοί των βιοπλαστικών

Η παραγωγή βιοαποικοδομήσιμων βιοπλαστικών αντιμετωπίζει μεγάλες προκλήσεις, επειδή τα βιοπλαστικά έχουν κατώτερες ιδιότητες στα πετροπολικά και η εφαρμογή τους, αν και αυξάνεται, είναι περιορισμένη.

Βελτίωση των ιδιοτήτων των βιοπλαστικών

Για να βελτιωθούν οι ιδιότητες των βιοπλαστικών, αναπτύσσονται μείγματα βιοπολυμερών με διάφορους τύπους προσθέτων, όπως νανοσωλήνες άνθρακα και φυσικές ίνες τροποποιημένες με χημικές διεργασίες.

Γενικά, τα πρόσθετα που εφαρμόζονται στα βιοπλαστικά βελτιώνουν ιδιότητες όπως:

  • Ανθεκτικότητα και μηχανική αντοχή.
  • Ιδιότητες φραγμού έναντι αερίων και νερού.
  • Θερμοανθεκτικότητα και θερμοσταθερότητα.

Αυτές οι ιδιότητες μπορούν να σχεδιαστούν στο βιοπλαστικό μέσω χημικών μεθόδων παρασκευής και επεξεργασίας.

Τύποι (ταξινόμηση)

Ταξινόμηση σύμφωνα με το παρασκεύασμά σας

Τα βιοπλάσματα μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με τον τρόπο παρασκευής τους:

  • Βιοπλαστικά, των οποίων η σύνθεση είναι κατασκευασμένη από πολυμερή πρώτη ύλη που εξάγεται απευθείας από βιομάζα.
  • Τα βιοπλάσματα που λαμβάνονται μέσω της σύνθεσης με βιοτεχνολογικές οδούς (χρησιμοποιώντας φυσικούς ή γενετικά τροποποιημένους μικροοργανισμούς).
  • Τα βιοπλαστικά που λαμβάνονται με κλασσική χημική σύνθεση, ξεκινώντας από τα βιολογικά μονομερή (που θα είναι τα τούβλα που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τους).

Ταξινόμηση σύμφωνα με την πρώτη ύλη

Επίσης τα βιοπλαστικά μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα με την προέλευση της πρώτης ύλης τους:

Βιοπλαστικά με βάση το άμυλο

Το άμυλο είναι ένα βιοπολυμερές ικανό να απορροφά νερό και για αυτά τα βιοπλαστικά είναι λειτουργικά, προστίθενται πλαστικοποιητές που παρέχουν ευκαμψία (όπως σορβιτόλη ή γλυκερίνη).

Επιπλέον, αναμιγνύονται με βιοαποικοδομήσιμους πολυεστέρες, πολυγαλακτικό οξύ, πολυκαπρολακτόνες, μεταξύ άλλων, για να βελτιώσουν τις μηχανικές τους ιδιότητες και την αντοχή τους στην αποικοδόμηση με νερό..

Το βιοπλαστικό που επεξεργάζεται από το άμυλο ως οικονομική πρώτη ύλη, άφθονη και ανανεώσιμη, αποκαλεί "θερμοπλαστικό αμύλου".

Είναι παραμορφώσιμα υλικά σε θερμοκρασία δωματίου, τήκονται όταν θερμαίνονται και σκληραίνονται σε κατάσταση υαλώδη όταν ψύχεται. Μπορούν να επαναθερμανθούν και να αναδιαμορφωθούν, αλλά υποβάλλονται σε αλλαγές στις φυσικές και χημικές τους ιδιότητες με αυτές τις διαδικασίες.

Είναι ο πλέον χρησιμοποιούμενος βιοπλαστικός τύπος και αποτελούν το 50% των βιοπλαστικών στην αγορά.

Βιοπλαστικά με βάση την κυτταρίνη

Η κυτταρίνη είναι η πλέον άφθονη οργανική ένωση στην χερσαία βιομάζα, δομικό συστατικό των τοιχωμάτων των φυτικών κυττάρων. Είναι αδιάλυτο σε νερό, αιθανόλη και αιθέρα.

Τα βιοπλαστικά με βάση την κυτταρίνη είναι γενικά οι εστέρες κυτταρίνης (οξική κυτταρίνη και νιτροκυτταρίνη) και τα παράγωγά τους (κυτταρινικά). Μέσω χημικών τροποποιήσεων της κυτταρίνης, μπορεί να γίνει θερμοπλαστικό.

Η κυτταρίνη, που είναι πολύ λιγότερο υδρόφιλη (παρόμοια με το νερό) από το άμυλο, παράγει βιοπλαστικά με βελτιωμένες ιδιότητες μηχανικής αντοχής, χαμηλότερη διαπερατότητα αερίου και μεγαλύτερη αντοχή στην αποικοδόμηση του νερού..

Βιοπλαστικά με βάση πρωτεΐνες

Είναι δυνατή η παρασκευή βιοπλαστικών με χρήση πρωτεϊνών όπως γάλα καζεΐνης, γλουτένη σίτου, πρωτεΐνη σόγιας, μεταξύ άλλων.

Συγκεκριμένα, το βιοπλαστικό από πρωτεΐνη σόγιας είναι πολύ ευαίσθητο στην αποικοδόμηση από το νερό και είναι οικονομικά ακριβό να παράγεται. Η επεξεργασία μειγμάτων που είναι φθηνότερα και πιο ανθεκτικά, συνεπάγεται σήμερα μια πρόκληση.

Βιοπλάστες που προέρχονται από λιπίδια

Τα βιοπλαστικά (πολυουρεθάνες, πολυεστέρες και εποξικές ρητίνες) έχουν συντεθεί από φυτικά και ζωικά λίπη, με ιδιότητες παρόμοιες με εκείνες των πετροπολαστικών.

Η παραγωγή φυτικών ελαίων και ελαίων χαμηλού κόστους από μικροαλλάκη θα μπορούσε να αποτελέσει έναν πολύ ευνοϊκό παράγοντα για την παραγωγή αυτού του τύπου βιοπλαστικών.

Για παράδειγμα, το βιοπλαστικό πολυαμίδιο 410 (PA 410), παράγεται με 70% έλαιο από τον καρπό του φυτού καστορέλαιο (Ricinus comunis). Αυτό το βιοπλαστικό έχει υψηλό σημείο τήξης (250 ° C)oC), χαμηλή απορρόφηση νερού και αντοχή σε διάφορους χημικούς παράγοντες.

Ένα άλλο παράδειγμα είναι το πολυαμίδιο 11 (PA 11), το οποίο παράγεται από φυτικά έλαια αλλά δεν είναι βιοαποικοδομήσιμο.

Πολυϋδροξυαλκανοϊκά (ΡΗΑ)

Μια μεγάλη ποικιλία βακτηριακών ειδών ζυμώνει τα σάκχαρα και τα λιπίδια, παράγοντας ως υποπροϊόντα που ονομάζονται ενώσεις πολυυδροξυαλκανοϊκά (PHA), τα οποία αποθηκεύονται ως πηγή άνθρακα και ενέργειας.

Τα PHA είναι αδιάλυτα στο νερό, βιοαποικοδομήσιμα και μη τοξικά.

Τα βιοπλαστικά του τύπου PHA παράγουν αρκετά άκαμπτες πλαστικές ίνες που είναι βιοαποικοδομήσιμες. Αντιπροσωπεύουν μια πολύ ελπιδοφόρα εναλλακτική λύση, όσον αφορά τη χρήση πετρελαιοπολυμερών, για την παραγωγή ιατρικών συσκευών.

Πολυγαλακτικό οξύ (PLA)

Το πολυγαλακτικό οξύ (PLA) είναι ένα διαφανές βιοπλαστικό που παράγεται από καλαμπόκι ή δεξτρόζη ως πρώτη ύλη.

Για την παραγωγή του, το άμυλο πρέπει να εκχυλίζεται πρώτα από καλαμπόκι ή άλλη πηγή φυτικής προέλευσης. Στη συνέχεια λαμβάνεται από αυτό το γαλακτικό οξύ, χάρη στη δράση των μικροοργανισμών και τέλος εφαρμόζεται μια χημική διαδικασία (πολυμερισμός του γαλακτικού οξέος) για να ληφθεί το βιοπλαστικό.

Τα βιολογικά πλαστικά PLA είναι διαφανή, έχουν χαμηλή αντίσταση στις κρούσεις, έχουν θερμική αντοχή και ιδιότητες φραγής, εμποδίζοντας την είσοδο αέρα. Επιπλέον, είναι βιοδιασπώμενα.

Τα βιοπλαστικά με βάση το πολυ-3-υδροξυβουτυρικό (PHB)

Το πολυ-3-υδροξυβουτυρικό (PHB) είναι ένας χημικός τύπος πολυεστέρα, που παράγεται από μερικά βακτήρια που μεταβολίζουν τη γλυκόζη και το άμυλο αραβοσίτου.

Το PHB έχει ιδιότητες παρόμοιες με το πετροπολικό πολυπροπυλένιο (εμπορικά ευρέως χρησιμοποιούμενο), αλλά το κόστος παραγωγής του είναι εννέα φορές υψηλότερο, δεδομένου ότι περιλαμβάνει την παραγωγή βιομάζας με ακριβές πηγές άνθρακα.

Αυτό το βιοπλαστικό μπορεί να παράγει διαφανείς μεμβράνες, έχει σημείο τήξης 130 ° CoC και είναι απολύτως βιοαποικοδομήσιμο.

Βιο-προερχόμενο πολυαιθυλένιο

Το πολυαιθυλένιο έχει μονομερές αιθυλενίου ως δομική μονάδα. που μπορεί να ληφθεί με χημική σύνθεση ξεκινώντας από την αιθανόλη ως πρώτη ύλη.

Η αιθανόλη παράγεται σε αλκοολική ζύμωση από μικροοργανισμούς που μεταβολίζουν ζαχαροκάλαμο, καλαμπόκι ή άλλα.

Έτσι, συνδυάζοντας την αλκοολική ζύμωση και τη χημική σύνθεση του αιθυλενίου και του πολυαιθυλενίου, μπορεί να ληφθεί βιοπλαστικό που ονομάζεται βιο-παράγωγο πολυαιθυλένιο.

Αυτό το βιοπλαστικό πολυαιθυλένιο είναι χημικά και φυσικά ταυτόσημο με το πετροπολικό. Δεν είναι βιοαποικοδομήσιμο αλλά μπορεί να ανακυκλωθεί.

Πολυϋδροξυ ουρεθάνες

Πρόσφατα, υπήρξε μεγάλο ενδιαφέρον για την παραγωγή βιοπλαστικών πολυουρεθανών, απαλλαγμένων από μια πολύ τοξική ένωση που ονομάζεται ισοκυανικού.

Το ισοκυανικό χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανική παραγωγή διαδικασίες συνθετικά πολυμερή (πολυουρεθάνες εφαρμόζεται σε αφρώδη πλαστικά, άκαμπτα αφρώδη, επιχρίσματα, εντομοκτόνα, κόλλες, εκρηκτικά, κλπ), τόσο στη γεωργία και στην ιατρική.

Υπάρχει μια χημική μέθοδος που ονομάζεται Διασταυρούμενος πολυμερισμός πολυυδροξυουρεθανών, που παράγει πλήρως ανακυκλώσιμα και ελεύθερα βιοπλαστικά ισοκυανικού.

Βιομηχανική παραγωγή βιοπλαστικών

Η βιομηχανική παραγωγή βιοπλαστικών περιλαμβάνει 4 θεμελιώδη βήματα:

  1. Η απόκτηση της πρώτης ύλης (βιομάζα).
  2. Σύνθεση πολυμερούς.
  3. Τροποποίηση του πολυμερούς σε λειτουργία ώστε να έχει τις επιθυμητές ιδιότητες σύμφωνα με το τελικό προϊόν που πρόκειται να επεξεργαστεί.
  4. Μορφοποιημένο από το βιοπλαστικό με μεθόδους υψηλής ή χαμηλής πίεσης, για να ληφθεί η απαιτούμενη τελική μορφή.

Χρήσεις βιοπλαστικών

Σήμερα υπάρχουν λίγες εμπορικές εφαρμογές βιοπλαστικών, καθώς το οικονομικό κόστος της παραγωγής τους και η βελτίωση των ιδιοτήτων τους εξακολουθούν να αποτελούν προβλήματα για την επίλυση.

Είδη μιας χρήσεως

Ωστόσο, τα βιοπλαστικά χρησιμοποιούνται ήδη στην κατασκευή πολλών ειδών μιας χρήσης όπως πλαστικές σακούλες, δοχεία συσκευασίας και περιτυλίγματα τροφίμων, μαχαιροπίρουνα, γυαλιά και βρώσιμα πλαστικά πιάτα.

Κατασκευές και έργα πολιτικού μηχανικού

Τα βιοπλαστικά αμύλου έχουν χρησιμοποιηθεί ως οικοδομικά υλικά και βιοπλαστικά ενισχυμένα με νανοΐνες σε ηλεκτρικές εγκαταστάσεις.

Επιπλέον, έχουν χρησιμοποιηθεί στην προετοιμασία του βιοπλαστικά ξύλα για έπιπλα, τα οποία δεν προσβάλλονται από ξυλοφάγα έντομα και δεν σβήνουν με υγρασία.

Φαρμακευτικές εφαρμογές

Έχουν κατασκευαστεί με κάψουλες βιοπλαστικής που περιέχουν φάρμακα και φάρμακα που απελευθερώνονται αργά. Έτσι, η βιοδιαθεσιμότητα των φαρμάκων ρυθμίζεται με την πάροδο του χρόνου (η δόση που λαμβάνεται από τον ασθενή σε ορισμένο χρόνο).

Ιατρικές εφαρμογές

Τα βιοπλαστικά κυτταρίνης που χρησιμοποιούνται στα εμφυτεύματα, η μηχανική ιστών, τα βιοπλαστικά χιτίνης και η χιτοζάνη έχουν κατασκευαστεί για την προστασία των πληγών, την τεχνική των οστικών ιστών και την αναγέννηση του ανθρώπινου δέρματος..

Τα βιοπλαστικά κυτταρίνης έχουν επίσης κατασκευαστεί για βιοαισθητήρες, μίγματα με υδροξυαπατίτη για την κατασκευή οδοντικών εμφυτευμάτων, βιοπλαστικές ίνες σε καθετήρες, μεταξύ άλλων..

Αεροπορικές, θαλάσσιες και χερσαίες μεταφορές και βιομηχανία

Έχουν χρησιμοποιηθεί άκαμπτοι αφροί βασισμένοι σε φυτικά έλαια (βιοπλαστικά), τόσο σε βιομηχανικές όσο και σε μεταφορικές συσκευές. εξαρτήματα αυτοκινήτων και τμήματα αεροδιαστημικής.

Τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα των κινητών τηλεφώνων, των υπολογιστών, των συσκευών ήχου και εικόνας έχουν επίσης παραχθεί από βιοπλαστικά.

Γεωργία

Οι βιοπλαστικές υδρογέλες, οι οποίες απορροφούν και συγκρατούν το νερό και μπορούν να απελευθερώσουν αργά, είναι χρήσιμες ως προστατευτικές επικαλύψεις καλλιεργούμενου εδάφους, διατηρώντας την υγρασία τους και ευνοώντας την ανάπτυξη των γεωργικών φυτειών σε ξηρές περιοχές και σε σπάνιες εποχές βροχών.

Αναφορές

  1. Chen, G. και Patel, Μ. (2012). Πλαστικά που προέρχονται από βιολογικούς πόρους: Παρόν και μέλλον. Μια τεχνική και περιβαλλοντική ανασκόπηση. Χημικές ανασκοπήσεις. 112 (4): 2082-2099. doi: 10.1021 / cr.20162d
  2. Εγχειρίδιο βιοπλαστικών και βιοσυσσωρευμάτων. (2011). Srikanth Pilla Editor. Salem, USA: Scrivener Publishing LLC. Δημοσιεύθηκε από τον John Wiley και τους γιους.
  3. Lampinen, J. (2010). Τάσεις σε βιοπλαστικά και βιοσυμπόρια. Σημειώσεις έρευνας VTT. Κέντρο Τεχνικής Έρευνας της Φινλανδίας. 2558: 12-20.
  4. Shogren, R.L., Fanta, G. and Doane, W. (1993). Ανάπτυξη πλαστικών με βάση το άμυλο: Επανεξέταση επιλεγμένων συστημάτων πολυμερών σε ιστορική προοπτική. Άμυλο 45 (8): 276-280. doi: 10.1002 / star.19930450806
  5. Vert, Μ. (2012). Ορολογία για βιολογικά πολυμερή και εφαρμογές (συστάσεις της IUPAC). Καθαρή και Εφαρμοσμένη Χημεία. 84 (2): 377-410. doi: 10.1351 / PAC-REC-10-12-04