BIOPLASTICE: MODUL ÎN CARE SUNT PRODUSE, TIPURI, AVANTAJE, DEZAVANTAJE - MEDIU INCONJURATOR - 2025

De Bioplasticul sunt orice material maleabil pe bază de polimeri de origine petrochimică sau biomasă , care sunt biodegradabile. Similar cu materialele plastice tradiționale sintetizate din petrol, acestea pot fi modelate în diverse obiecte.

În funcție de originea lor, bioplasticele pot fi obținute din biomasă (biobase) sau pot fi de origine petrochimică. Pe de altă parte, în funcție de nivelul lor de descompunere, există bioplastice biodegradabile și non-biodegradabile.

Tacâmuri confecționate din poliester de amidon biodegradabil. Sursa: Scott Bauer

Creșterea bioplasticelor apare ca răspuns la inconvenientele generate de materialele plastice convenționale. Acestea includ acumularea de materiale plastice ne biodegradabile în oceane și depozite.

Pe de altă parte, materialele plastice convenționale au o amprentă ridicată în carbon și un conținut ridicat de elemente toxice. În schimb, bioplasticele prezintă mai multe avantaje, deoarece nu produc elemente toxice și sunt în general biodegradabile și reciclabile.

Printre principalele dezavantaje ale bioplastelor se numără costul lor ridicat de producție și rezistența mai mică. Mai mult, unele dintre materiile prime utilizate sunt produse alimentare potențiale, ceea ce prezintă o problemă economică și etică.

Unele exemple de obiecte bioplastice sunt pungi biodegradabile, precum și piese pentru vehicule și telefon mobil.

Caracteristicile bioplastice

Importanța economică și de mediu a bioplasticelor

Diverse obiecte utilitare realizate cu bioplastice. Sursa: Hwaja Götz, prin Wikimedia Commons

Recent, a existat un interes științific și industrial mai mare în producerea de materiale plastice din materii prime regenerabile și care sunt biodegradabile.

Acest lucru se datorează faptului că rezervele de petrol din lume sunt epuizate și există o mai mare conștientizare a daunelor grave aduse mediului cauzate de petroplastice.

Odată cu creșterea cererii de materiale plastice pe piața mondială, cererea de materiale plastice biodegradabile crește și ea.

biodegradabilitate

Deșeurile bioplastice biodegradabile pot fi tratate ca deșeuri organice, cu degradare rapidă și nepoluante. De exemplu, ele pot fi utilizate ca modificări ale solului în compostare, deoarece sunt reciclate în mod natural prin procese biologice.

Bioplastice cu nenumărate utilizări comerciale. Sursa: F. Kesselring, FKuR Willich, prin Wikimedia Commons

Limitările bioplastice

Fabricarea de bioplastice biodegradabile se confruntă cu provocări mari, deoarece bioplasticele au proprietăți inferioare petroplastice, iar aplicarea lor, deși este în creștere, este limitată.

Îmbunătățirea proprietăților bioplastice

Pentru a îmbunătăți proprietățile bioplastice, se dezvoltă amestecuri de biopolimeri cu diferite tipuri de aditivi, cum ar fi nanotuburile de carbon și fibrele naturale modificate chimic.

În general, aditivii aplicați pe bioplastice îmbunătățesc proprietăți precum:

• Rigiditate și rezistență mecanică.
• Proprietăți de barieră împotriva gazelor și apei.
• Termoresistență și termostabilitate.

Aceste proprietăți pot fi realizate în bioplastic prin metode de preparare și prelucrare chimică.

Cum se produc bioplastice?

Bioplastic pentru ambalare din amidon termoplastic. Sursa: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

-Scurt istoric

Bioplasticele sunt predate din materiale sintetice convenționale derivate din petrol. Utilizarea polimerilor de materii vegetale sau animale pentru a produce material plastic datează din secolul al XVIII-lea odată cu utilizarea cauciucului natural (latex de la Hevea brasiliensis).

Primul bioplastic, deși nu i s-a dat acest nume, a fost dezvoltat în 1869 de John Wesley Hyatt Jr., care a produs un plastic derivat din celuloza de bumbac ca substitut pentru fildeș. De asemenea, la sfârșitul secolului al XIX-lea, cazina din lapte a fost folosită pentru producerea de bioplastice.

În anii 40, compania Ford a explorat alternative pentru utilizarea materiilor prime vegetale pentru a face piese pentru mașinile sale. Această linie de cercetare a fost determinată de restricții privind utilizarea oțelului de către război.

Drept urmare, în anul 1941 compania a dezvoltat un model de mașină cu o caroserie construită din instrumente derivate din soia. Cu toate acestea, după încheierea războiului, această inițiativă nu a fost continuată.

Prin 1947 a fost produs primul bioplastic tehnic, Polyamide 11 (Rilsan ca marcă comercială). Mai târziu, în anii 90, au apărut PLA (acid polilactic), PHA (polihidroxialcanoate) și amidonuri plastifiate.

-Materii prime

Bioplasticele biobase sunt cele care sunt fabricate din biomasă vegetală. Cele trei surse de bază de materie primă pentru biobase sunt următoarele.

Polimeri naturali ai biomasei

Pot fi folosiți polimeri naturali obținuți direct de plante, precum amidonul sau zaharurile. De exemplu, „Cartof plastic” este un bioplastic biodegradabil obținut din amidon de cartofi.

Polimeri sintetizați din monomeri de biomasă

O a doua alternativă este sintetizarea polimerilor din monomeri extrasi din surse vegetale sau animale. Diferența dintre această rută și cea anterioară este că aici este necesară o sinteză chimică intermediară.

De exemplu, Bio-PE sau polietilenă verde este produs din etanol obținut din trestia de zahăr.

Bioplasticele pot fi, de asemenea, produse din surse animale, cum ar fi glicozaminoglicani (GAGs), care sunt proteine ​​cu coji de ouă. Avantajul acestei proteine ​​este că permite obținerea de bioplastice mai rezistente.

Biotehnologie bazată pe culturi bacteriene

Un alt mod de a produce polimeri pentru bioplastice este prin biotehnologie prin culturi bacteriene. În acest sens, multe bacterii sintetizează și stochează polimeri care pot fi extrași și prelucrați.

Pentru aceasta, bacteriile sunt cultivate masiv în medii de cultură adecvate și apoi prelucrate pentru a purifica polimerul specific. De exemplu, PHA (polidroxialcanoate) este sintetizat de diferite genuri bacteriene care cresc într-un mediu cu exces de carbon și fără azot sau fosfor.

Bacteriile depozitează polimerul sub formă de granule din citoplasmă, care sunt extrase prin procesarea maselor bacteriene. Un alt exemplu este PHBV (PolyhydroxyButylValerate), care este obținut din bacteriile alimentate cu zaharuri obținute din resturile vegetale.

Cea mai mare limitare a bioplasticelor obținute în acest fel este costul de producție, în principal datorită mediilor de cultură necesare.

Combinația de polimer natural și polimer biotehnologic

Universitatea Ohio a dezvoltat un bioplastic destul de puternic prin combinarea cauciucului natural cu bioplasticul PHBV, peroxidul organic și triacrilatul de trimetilolpropan (TMPTA).

-Proces de producție

Bioplasticele sunt obținute prin diferite procese, în funcție de materia primă și de proprietățile dorite. Bioplasticele pot fi obținute prin procese elementare sau procese industriale mai complexe.

Procesul de bază

Poate fi gătit și turnat în cazul utilizării de polimeri naturali, cum ar fi amidonul sau porumbul sau amidonul din cartofi.

Astfel, o rețetă elementară pentru a produce un bioplastic este să amesteci amidon de porumb sau amidon de cartof cu apă, adăugând glicerină. Ulterior, acest amestec se gătește până se îngroașă, se modelează și se lasă să se usuce.

Procese de complexitate medie

În cazul bioplasticelor produse cu polimeri sintetizați din monomeri de biomasă, procesele sunt ceva mai complexe.

De exemplu, Bio-PE obținut din etanolul cananei de zahăr necesită o serie de etape. Primul lucru este extragerea zahărului din trestie pentru a obține etanol prin fermentare și distilare.

Apoi etanolul este deshidratat și se obține etilenă, care trebuie polimerizată. În cele din urmă, folosind mașini de termoformare, obiectele sunt fabricate pe baza acestui bioplastic.

Procese complexe și mai scumpe

Când ne referim la bioplastice produse din polimeri obținuți prin biotehnologie, complexitatea și costurile cresc. Acest lucru se datorează faptului că sunt implicate culturi bacteriene care necesită medii de cultură specifice și condiții de creștere.

Acest proces se bazează pe faptul că anumite bacterii produc polimeri naturali pe care sunt capabili să le depoziteze în interior. Prin urmare, începând cu elementele nutritive adecvate, aceste microorganisme sunt cultivate și prelucrate pentru a extrage polimerii.

Bioplasticele pot fi obținute și din unele alge, cum ar fi Botryococcus braunii. Aceasta microalga este capabila sa produca si chiar sa excrete hidrocarburi in mediu, din care se obtin combustibili sau bioplastice.

-Fabricarea produselor pe bază de bioplastice

Principiul de bază este modelarea obiectului, datorită proprietăților plastice ale acestui compus folosind presiune și căldură. Prelucrarea se face prin extrudare, injecție, injecție și suflare, suflare preformată și termoformare și în final este supusă răcirii.

Tipuri

Ambalaj din acetat de celuloză. Sursa: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

Abordările privind clasificarea bioplasticelor sunt diverse și nu sunt lipsite de controverse. În orice caz, criteriile utilizate pentru definirea diferitelor tipuri sunt originea și nivelul de descompunere.

-Origine

Conform unei abordări generalizate, bioplazele pot fi clasificate după originea lor ca fiind biobanate sau non-biobanate. În primul caz, polimerii sunt obținuți din biomasă vegetală, animală sau bacteriană și sunt, prin urmare, resurse regenerabile.

Pe de altă parte, bioplasticele non-bazate sunt cele produse cu polimeri sintetizați din ulei. Cu toate acestea, întrucât provin dintr-o resursă care nu este regenerabilă, unii specialiști consideră că nu trebuie tratate ca bioplastice.

-Nivel de descompunere

În ceea ce privește nivelul de descompunere, bioplasticele pot fi biodegradabile sau nu. Cele biodegradabile se descompun în perioade relativ scurte de timp (zile până la câteva luni) atunci când sunt supuse unor condiții adecvate.

La rândul lor, bioplasticele ne biodegradabile se comportă ca materiale plastice convenționale de origine petrochimică. În acest caz, perioada de decădere se măsoară în decenii și chiar secole.

Există, de asemenea, controverse cu privire la acest criteriu, deoarece unii cercetători consideră că un adevărat bioplastic trebuie să fie biodegradabil.

-Origină și biodegradare

Atunci când cele două criterii anterioare sunt combinate (originea și nivelul de descompunere), bioplasticele pot fi clasificate în trei grupe:

1. Provine din materii prime regenerabile (biobase) și biodegradabile.
2. Cele obținute din materiile prime regenerabile (bazate pe bio), dar nu sunt biodegradabile.
3. Obținute din materii prime de origine petrochimică, dar care sunt biodegradabile.

Este important de menționat că, pentru a considera un polimer drept bioplastic, trebuie să introducă una dintre aceste trei combinații.

Biobased-biodegradabile

Printre bioplasticele biobase și biodegradabile avem acidul polilactic (PLA) și polihidroxialkanoatul (PHA). PLA este unul dintre cele mai utilizate bioplastice și este obținut în principal din porumb.

Acest bioplastic are proprietăți similare cu polietilen tereftalatul (PET, un plastic convențional de tip poliester), deși este mai puțin rezistent la temperaturi ridicate.

La rândul său, PHA are proprietăți variabile în funcție de polimerul specific care îl constituie. Este obținut din celule vegetale sau prin biotehnologie din culturi bacteriene.

Aceste bioplastice sunt foarte sensibile la condițiile de prelucrare și costul lor este de până la zece ori mai mare decât materialele plastice convenționale.

Un alt exemplu al acestei categorii este PHBV (PolyhydroxyButylValerate), care este obținut din resturile vegetale.

Biobased-non-biodegradabile

În acest grup avem bio-polietilenă (BIO-PE), cu proprietăți similare cu cele ale polietilenei convenționale. La rândul său, Bio-PET are caracteristici similare cu polietilen tereftalatul.

Ambele bioplastice sunt obișnuite fabricate din trestie de zahăr, obținând bioetanol ca produs intermediar.

Din această categorie aparține și bio-poliamida (PA), care este un bioplastic reciclabil cu proprietăți excelente de izolare termică.

-Non-Biobased-biodegradabil

Biodegradabilitatea are legătură cu structura chimică a polimerului și nu cu tipul de materie primă utilizată. Prin urmare, materialele plastice biodegradabile pot fi obținute din petrol cu ​​o prelucrare corectă.

Un exemplu de acest tip de bioplastice sunt policaprolactonele (PCL), care sunt utilizate la fabricarea poliuretanilor. Acesta este un bioplastic obținut din derivați de petrol cum este polibutilenul succinat (PBS).

Avantaj

Înveliș de bomboane din PLA (acid polilactic). Sursa: F. Kesselring, FKuR Willich

Sunt biodegradabile

Deși nu toate bioplasticele sunt biodegradabile, adevărul este că pentru multe persoane aceasta este caracteristica lor fundamentală. De fapt, căutarea acestei proprietăți este unul dintre motoarele fundamentale ale boomului bioplastic.

Materialele plastice convenționale pe bază de petrol și non-biodegradabile necesită sute și chiar mii de ani pentru a se descompune. Această situație reprezintă o problemă gravă, deoarece depozitele de deșeuri și oceanele se umplu de materiale plastice.

Din acest motiv, biodegradabilitatea este un avantaj foarte relevant, deoarece aceste materiale se pot descompune în săptămâni, luni sau câțiva ani.

Nu poluează mediul înconjurător

Deoarece sunt materiale biodegradabile, bioplasticele nu mai ocupă spațiul ca gunoi. În plus, au avantajul suplimentar că, în majoritatea cazurilor, nu conțin elemente toxice pe care le pot elibera în mediu.

Au o amprentă de carbon mai mică

Atât în ​​procesul de producție de bioplastice, cât și în descompunerea lor, se eliberează mai puțin CO2 decât în ​​cazul materialelor plastice convenționale. În multe cazuri, nu eliberează metan sau fac acest lucru în cantități mici și, prin urmare, au un impact redus asupra efectului de seră.

De exemplu, bioplasticele obținute din etanol din trestia de zahăr reduc emisiile de CO2 cu până la 75% în comparație cu cele derivate din petrol.

Mai sigur pentru a transporta mâncare și băuturi

În general, în elaborarea și compoziția bioplasticelor nu se folosesc substanțe toxice. Prin urmare, ele reprezintă un risc mai mic de contaminare pentru produsele alimentare sau băuturile conținute în ele.

Spre deosebire de materialele plastice convenționale care pot produce dioxine și alte componente poluante, bioplasticele biobase sunt inofensive.

Dezavantaje

Dezavantajele sunt legate în principal de tipul de bioplastic utilizat. Printre altele avem următoarele.

Mai puțină rezistență

Una dintre limitările pe care cele mai multe bioplastice le-au comparat cu materialele plastice convenționale este rezistența lor mai mică. Cu toate acestea, această proprietate este ceea ce este asociat cu capacitatea sa de biodegradare.

Cost mai mare

În unele cazuri, materiile prime utilizate pentru producerea de bioplastice sunt mai scumpe decât cele din petrol.

Pe de altă parte, producția unor bioplastice implică costuri mai mari de procesare. În special, aceste costuri de producție sunt mai mari la cele produse prin procese biotehnologice, inclusiv cultivarea în masă a bacteriilor.

Conflict de utilizare

Bioplasticele produse din materiile prime alimentare concurează cu nevoile umane. Prin urmare, întrucât este mai rentabil să dedici culturilor producției de bioplastice, acestea sunt eliminate din circuitul de producție a alimentelor.

Cu toate acestea, acest dezavantaj nu se aplică acelor bioplastice obținute din deșeuri necomestibile. Printre aceste deșeuri avem resturi de cultură, alge necomestibile, lignină, coji de ouă sau exoscheleturi de homar.

Nu sunt ușor de reciclat

Bioplasticul PLA este foarte similar cu plasticul PET convențional (polietilen tereftalat), dar nu este reciclabil. Prin urmare, dacă ambele tipuri de plastic sunt amestecate într-un recipient de reciclare, acest conținut nu poate fi reciclat.

În acest sens, există temeri că utilizarea din ce în ce mai mare a PLA ar putea împiedica eforturile existente de reciclare a materialelor plastice.

Exemple și utilizări ale acestora produse cu bioplastice

Recipient de vin realizat cu bioplastic din deșeuri agricole și micelii. Sursa: Mycobond

-Obiecte expuse sau de unică folosință

Elementele care generează cele mai multe deșeuri sunt containere, ambalaje, farfurii și tacâmuri legate de fast-food și pungi de cumpărături. Prin urmare, în acest domeniu un rol relevant joacă bioplastele biodegradabile.

Prin urmare, diverse produse pe bază de bioplastice au fost dezvoltate pentru a influența reducerea producerii deșeurilor. Printre altele avem punga biodegradabilă fabricată cu Ecovio BASF sau flaconul din plastic din PLA obținut din porumb de Safiplast în Spania.

Capsule de apă

Compania Ooho a creat capsule biodegradabile din alge marine cu apă, în loc de sticle tradiționale. Această propunere a fost foarte inovatoare și de succes și a fost deja testată în maratonul de la Londra.

agricultură

În unele culturi precum căpșunile, o practică obișnuită este acoperirea solului cu o foaie de plastic pentru a controla buruienile și a evita înghețarea. În acest sens, placajele bioplastice precum Agrobiofilm au fost dezvoltate pentru a înlocui materialele plastice convenționale.

-Obiecte pentru aplicații durabile

Utilizarea bioplasticelor nu se limitează la obiecte de utilizare și eliminare, ci poate fi folosită în obiecte mai durabile. De exemplu, compania Zoë b Organic produce jucării de plajă.

Componentele echipamentelor complexe

Toyota folosește bioplastice în unele piese auto, precum componente pentru aparate de aer condiționat și panouri de control. Pentru aceasta, folosește bioplastice precum Bio-PET și PLA.

La rândul său, Fujitsu folosește bioplastice pentru a face șoareci de calculator și părți de tastatură. În cazul companiei Samsung, unele telefoane mobile au carcase realizate în mare parte din bioplastic.

-Construcție și construcții civile

Bioplazele de amidon au fost utilizate ca materiale de construcție și bioplastice consolidate cu nanofibră în instalațiile electrice.

În plus, au fost utilizate la producerea lemnelor de mobilier bioplastic, care nu sunt atacate de insectele xilofage și nu putrezesc cu umiditate.

-Aplicatii farmaceutice

Au fost fabricate cu capsule bioplastice care conțin medicamente și vehicule medicamentoase, care sunt eliberate lent. Astfel, biodisponibilitatea medicamentelor este reglementată în timp (doza pe care o primește pacientul într-un timp dat).

-Aplicatii medicale

Bioplasticele de celuloză aplicabile în implanturi, ingineria țesuturilor, chitina și bioplasticele chitosanului au fost fabricate pentru protecția rănilor, inginerie de țesuturi osoase și regenerarea pielii umane.

Bioplasticele de celuloză au fost, de asemenea, fabricate pentru biosenzori, amestecuri cu hidroxiapatită pentru fabricarea de implanturi dentare, fibre bioplastice în catetere, printre altele.

-Transport aerian, maritim și terestru și industrie

Au fost utilizate spume rigide pe bază de uleiuri vegetale (bioplastice), atât în ​​dispozitive industriale, cât și în transport; piese auto și piese aerospațiale.

Componentele electronice ale telefoanelor mobile, calculatoarelor, dispozitivelor audio și video au fost, de asemenea, produse din bioplastic.

-Farming

Hidrogelurile bioplastice, care absorb și rețin apa și o pot elibera încet, sunt utile ca pături de protecție pentru solul cultivat, menținând umiditatea acestuia și favorizând creșterea plantațiilor agricole în regiunile uscate și în anotimpurile ploioase.

Referințe

1. Álvarez da Silva L (2016). Bioplastice: obținerea și aplicarea polihidroxialcanoatelor. Facultatea de Farmacie, Universitatea din Sevilla. Licență în farmacie. 36 p.
2. Bezirhan-Arikan E și H Duygu-Ozsoy (2015). O revizuire: investigarea bioplasticelor. Journal of Civil Engineering and Architecture 9: 188-192. De Almeida A, JA Ruiz, NI López și MJ Pettinari (2004). Bioplastice: o alternativă ecologică. Chimie vie, 3 (3): 122-133.
3. El-Kadi S (2010). Producție bioplastică din surse ieftine. ISBN 9783639263725; VDM Verlag Dr. Müller Publishing, Berlin, Germania. 145 p.
4. Labeaga-Viteri A (2018). Polimeri biodegradabili. Importanță și aplicații potențiale. Universitatea Națională de Învățământ la Distanță. Facultatea de Științe, Departamentul de Chimie Anorganică și Inginerie Chimică. Master în Știință și Tehnologie Chimică. 50 p.
5. Ruiz-Hitzky E, FM Fernandes, MM Reddy, S Vivekanandhan, M Misra, SK Bhatia și AK Mohanty (2013). Materiale plastice biobionate și bionanocompozite: starea actuală și oportunitățile viitoare. Prog. Polym. Sci 38: 1653-1689.
6. Satish K (2017). Bioplastice - clasificare, producție și aplicațiile lor alimentare potențiale. Journal of Hill Agriculture 8: 118-129.