Bioplastika in njeno mesto

www.plastice.org
BIOPLASTIKA
Seminar za industrijo
Celje, Poslovna stvaba RITS, 20. mar. 2012
Andrej Kržan, Kemijski Inštitut, Ljubljana
andrej.krzan@ki.si
This project is implemented through the CENTRAL EUROPE programme co-financed by the ERDF
Polimer vs. Plastika
• Polimer je snov z
- Visoko molsko maso
- Sestavljena iz ponavljajočih se enot
(monomer)
• Plastika je material
- Formuliran in pripravljen za uporabo.
- Poglavitna sestavina so polimeri.
Plastika
• Zelo raznolika skupina industrijsko pomembnih materialov
• Letna svetovna proizvodnja 265 M ton (2010, Plastics Europe)
• Uporabe na vseh področjih - skoraj nenadomestljivi
• Osnova sodobnega življenja:
varnost, hrana, zdravje, bivališča, zabava
Trend: Plastika povsod
• Polimeri nadaljujejo vstop v nove uporabe…
(biomedicina, elektronika, tehnika, energija, gradbeništvo)
…in dajejo odgovore na pomembne izzive
• Polimeri = nižanje izpustov CO2
Težava s plastiko
1. Skoraj v celoti na osnovi neobnovljivih, fosilnih virov
2. Umetni materiali s katerimi narava ne zna “ravnati”
• izpusti (mehčala, monomeri, katalizatorji itd npr BPA)
• razpad materiala - kaj bo z njim?
Težava s Plastiko
• Ni vse v statistiki
• Plastika vstopa v naravna okolja
Mote Marine Lab
Plastika – kako?
• Prehod na bolj trajnostno plastiko
• Trajnostna uporaba (Brez nepotrebne uporabe / samo nujna uporaba)
• Pravilno odlaganje in zbiranje
• Recikliranje, kontroliran sežig (NE na odlagališča in NE v naravo)
Potrebno koordinirano informiranje javnosti o koristih plastike in
odgovorno ravnanje s strani proizvajalcev in potrošnikov
Bioplastika
Bioplastika = Biorazgradljiva plastika in/ali plastika iz naravnih surovin
(definicija European Bioplastics – v uporabi v industriji)
Bio
razgradljiva
plastika
Plastika iz
obnovljivih
virov
Plastika = 265 M ton (2010) (Vir: Plastics Europe)
Bioplastika
0.724 M ton
biorazgradljiva plastika (z neobnov)
428.000 ton
plastika iz obnovljivih virov (ne biodeg)
296.000 ton
(Vir: European Bioplastics)
Torej:
Vir je lahko
obnovljiv ali neobnovljiv
Material je lahko biorazgradljiv ali nerazgradljiv
Obnovljiv vir - nerazgradljivo
Zgodovinsko so bile vse plastike narejene iz obnovljivih virov
(ni bilo petrokemijske industrije)
Namen je bil narediti tembolj obstojen material
• 1869 Nitroceluloza: Hyattove krogle za biljard
• 1897-1900 Galalit (kazein + formaldehid)
Razlogi danes:
Enostavno dostopni osnovni gradniki
Primer: poliamid 11 iz undekanojske kisline
(iz ricinusovega olja)
Uporaba obnovljivega vira
Bio Polietilen
Obnovljiv vir, nerazgradljivo
•Ekvivalent PE iz fosilnih virov
-CH2-CH2-CH2-
• 100 % na osnovi obnovljivih virov
(ASTM 6866)
• Ni biorazgradljiv
• Braskem 2009, 200.000 t/a
• Dow 2011, 350,000 t/a
• Učinkovitost fermentacije do etanola?
Sladkorni trs
 fermentacija, destilacija
Etanol
 dehidracija
Etilen
 polimerizacija
PE
Biorazgradljiva plastika
• Uporabnost umetnih polimerov
• V določenem času in pod določenimi pogoji
razpadejo na okolju nenevarne spojine.
• Razpad vključuje biorazgradnjo!
Biorazgradnja pomeni da (mikro)organizmi BP presnovijo.
Zato je smiselno uporabljati naravne ali slične gradnike
Glede na vir ločimo
•
naravni polimeri (škrob, kolagen, hitosan...)
•
modificirani naravni polimeri (viskoza, metil celuloza..)
•
umetni polimeri (PGA, PLA, PCL ...)
Biorazgradljivi polimeri
Umetni BP po kemijski strukturi:
• Poliestri
• alifatski
• aromatski
• kopoliestri
• Poli(vinilalkohol)
• Poliamidi
• kopoliamidi
• Polianhidridi
• Poliortoestri
• Polifosfazeni
• Poliuretani
• poli(esteruretani)
• poli(esteramidi)
• poli(aminokisline)
• Poliolefini (?)
LAHKO IZ OBNOVLJIVIH ALI FOSILNIH SUROVIN!
Termoplastični škrob
Polimerna struktura škroba ohranjena
medtem ko je granularna struktura
uničena pod vplivom toplote, mešanja in
plastifikatorjev (npr. voda, glikoli)
Uporaba v kompozitih, mešanicah in
večplastnih materialih
Zmesi z PCL, PHA itd.
Biorazgradljiv
Zbiranje organskih odpadkov,
paroprepustna embalaža
Mater-bi (Novamont) kap. 60.000 t/a
Penjen škrob za emabaliranje
L. Averous, University Strasbourg:
www.biodeg.net/biomaterial.html
Polimlečna kislina = Polilaktid
Alifatski poliester
Monomer proizveden s
fermentacijo
Kemijska polimerizacija
- kopolimeri
H
O
Natureworks (ZDA)
kap. 140.000 t/a
Purac (NL)
Kingfa (Kitajska)
O
C
C
C
C
H
LL-Laktid
CH3
O
(mp 97 C)
O
CH3
H
O
O
C
C
C
C
H
CH3
O
O
LD-Laktid
(mp 52 C)
CH3
Biorazgradljivo
H
O
O
C
C
C
C
H
O
CH3
CH3
O
DD-Laktid
(mp 97C)
Polihidroksialkanoati
• Naravni alifatski biopoliester, ki ga proizvajajo
bakterije - plastomer
• Monomer: β-hidroksi kisline
 Velika raznolikost struktur
- Poli(β-hidroksi butirat)
- Poli(β-hidroksi butirat-ko-valerat)
- Poli(β-hidroksi butirat-ko-heksanoat) itd
• Trenutna proizvodnja temelji na sladkorju,
glukozi
• Razvita metodologija uporabe odpadnih virov
- sirotka (laktoza, slanica)
- glicerol
- kostna in mesna moka (N vir)
- živalske maščobe
Telles (ZDA) kap. 50.000 t/a
Tianjin (Kitajska)
Ostali
Poliestri – hidroliza estrske vezi
(kondenzacijski polimeri)
Alifatski poliestri (ni aromatskih skupin) kot PHA
PBS polibutilen succinat
PBSA polibuti lsukcinat adipat
PCL polikaprolakton
Alifatsko aromatski poliestri
Modifikacija PET
PBAT polibutilen adipat tereftalat
PBMAT
(Ecoflex BASF, Eastar bio)
Vodotopni polimeri
PVOH polivinilalkohol
EVOH etilenvinil alkohol (O2 $$)
Uporaba I
Kot nadomestek običajnih vrst plastike
(velike količine / nizka cena)
• embalaža
•vreče za smeti
•hrana
• kmetijstvo
•folije
• izdelki za enkratno uporabo
•tkanine
•jedilne potrebščine
• Vodotopni BP
•detergenti, kozmetika...
Uporaba II
Za biomedicinske namene
•
•
•
•
•
kontrolirano doziranje zdravilnih učinkovin
vijaki
suture
tkivni inženiring
stomatologija
• boljše zdravljenje
• ni potrebna operacija za odstranitev
• majhne količine/ visoke cene
Biorazgradnja
• Razgradnja mora biti popolna
• Vplivajo abiotski in biotski faktorji
• Prva stopnja: Fragmentacija
makroskopski razpad in pretvorba do oligomerov
• Druga stopnja: Mineralizacija
presnova pod vplivom mikroorganizmov
Kemijski mehanizmi
•
hidroliza
•
oksidacija
(oboje lahko encimsko)
Razgradnja
• biodegradacija
• fotodegradacija
• oksidacija
• termična degradacija
• degrad. zaradi stresa
...itd
Naravni krogotok snovi
Merjenje
• "Kar narava ustvari lahko tudi razgradi" ?
• Razgradljivost je vprašanje hitrosti
>> potreba po določanju okvirov
>> standardi
Osnovni princip
• pretvorba ogljika iz polimera v CO2
Testiranje razgradnje
• Respirometrija
Certificiranje
• Zagotovila potrošnikom
• Dovoljenje za uporabo oznak
• Medsebojno priznavanje
Primeri certifikacijskih sistemov:
•
Biodegradable Products Institute / ZDA
• DIN-CERTCO / Nemčija
• Biodegradable plastics society / Japonska
http://www.bpiworld.org/
http://www.dincertco.de/
http://www.bpsweb.net/
Prednost Bioplastike
Pri nastanku: uporaba obnovljivih virov
CO2 nevtralno
Pri izginotju: biološka pretvorba v naravne snovi
ni tujka v naravi
Skupaj: plastika je del naravnega kroženja snovi
CO2
P
P
CO2
NARAVA
NARAVA
Oksorazgradljiva plastika
Agresivno promovirani materiali, ki se pojavljajo na trgu
Princip:
• Nerazgradljivi plastiki (PE, PP) primešan katalizator,
ki katalizira oksidacijo.
• Termična in/ali foto aktivacija katalizatorja.
Nedvomna fragmentacija ✔
Ni dokazana končna biorazgradnja ✗
Primeren standard: ASTM D6954-04
(ŠE) NI BIORAZGRADLJIVO, NI KOMPOSTIRNO, JE NA TRGU
JE ZAVAJUJOČE OZNAČENO!
Izzivi prihodnosti
• Visoke cene
- plastika: PLA 2 Euro/kg, TPS 3-5 Euro/kg, PHA 4 Euro/kg
• Prehod s kompostiranja na sežig
CO2
CO2 + energija
•Prehod s primarnih na sekundarne obn. vire?
saharidi, olja
odpadek
• Genetske spremembe (ZDA) npr. PHA v listih trav?
• Dolgoročna trajnost - postopna izguba ogljika iz zemlje
M. Patel, Utrecht University
Hvala za pozornost!
Izboljšajmo ugled plastike!