Tworzywo biodegradowalne

Aby uzyskać informacje na temat tworzyw sztucznych pochodzących z surowców odnawialnych (biomasy), zobacz Bioplastik . Aby uzyskać informacje na temat tworzyw sztucznych, które ulegają biodegradacji w ludzkim ciele, zobacz Biodegradowalny polimer .
Jednorazowe kubki plastikowe wykonane z biodegradowalnego tworzywa sztucznego

Tworzywa biodegradowalne to tworzywa sztuczne , które mogą ulec rozkładowi w wyniku działania żywych organizmów, zwykle drobnoustrojów, na wodę, dwutlenek węgla i biomasę. Biodegradowalne tworzywa sztuczne są zwykle produkowane z surowców odnawialnych, mikroorganizmów, produktów petrochemicznych lub kombinacji wszystkich trzech.

Chociaż słowa „bioplastik” i „tworzywo biodegradowalne” są podobne, nie są synonimami. Nie wszystkie biotworzywa (tworzywa sztuczne pochodzące częściowo lub całkowicie z biomasy) są biodegradowalne, a niektóre biodegradowalne tworzywa sztuczne są w pełni oparte na ropie naftowej. Ponieważ coraz więcej firm chce być postrzeganych jako posiadające „zielone” referencje, rozwiązania takie jak wykorzystanie biotworzyw są coraz częściej badane i wdrażane. Jednak jest wielu sceptyków, którzy uważają, że biotworzywa nie rozwiążą problemów, których oczekują inni.

Historia

Polihydroksyalkanian (PHA) został po raz pierwszy zaobserwowany u bakterii w 1888 roku przez Martinusa Beijerincka. W 1926 roku francuski mikrobiolog Maurice Lemoigne zidentyfikował chemicznie polimer po wyekstrahowaniu go z Bacillus megaterium . Dopiero na początku lat 60. położono podwaliny pod produkcję na dużą skalę. Kilka patentów na produkcję i izolację PHB, najprostszego PHA, przyznano WR Grace & Co. (USA), ale w wyniku niskich wydajności, skażonego produktu i wysokich kosztów ekstrakcji operacja została rozwiązana. Kiedy w 1973 r. OPEC wstrzymał eksport ropy do Stanów Zjednoczonych, aby podnieść światowe ceny ropy, więcej firm z tworzyw sztucznych i chemikaliów zaczęło inwestować w biosyntezę zrównoważonych tworzyw sztucznych. W rezultacie firma Imperial Chemical Industries (ICI UK) z powodzeniem wyprodukowała PHB z wydajnością 70% przy użyciu szczepu Alcaligenes latus . Specyficznym PHA wytworzonym w tym przypadku był scl-PHA. Wysiłki produkcyjne spowolniły dramatycznie ze względu na niepożądane właściwości produkowanego PHA i malejące zagrożenie rosnącymi cenami ropy wkrótce potem.

W 1983 roku firma ICI otrzymała fundusze venture capital i założyła firmę Marlborough Biopolymers w celu produkcji pierwszego biodegradowalnego tworzywa sztucznego o szerokim zastosowaniu, PHBV, o nazwie Biopol. Biopol jest kopolimerem składającym się z PHB i PHV, ale nadal był zbyt kosztowny w produkcji, aby zakłócić rynek. W 1996 roku Monsanto odkryło metodę produkcji jednego z dwóch polimerów w roślinach i przejęło Biopol od Zeneca, spin-outu ICI, w wyniku możliwości tańszej produkcji.

W wyniku gwałtownego wzrostu cen ropy naftowej na początku XXI wieku (do prawie 140 USD za baryłkę USD w 2008 r.) przemysł produkcji tworzyw sztucznych w końcu zaczął szukać rozwiązań alternatywnych dla tworzyw ropopochodnych. Od tego czasu jako rozwiązania pojawiły się niezliczone alternatywy, wytwarzane chemicznie lub przez inne bakterie, rośliny, wodorosty i odpady roślinne. Wpływ na ich wykorzystanie mają również czynniki geopolityczne.

Aplikacja

Biodegradowalne tworzywa sztuczne są powszechnie stosowane do produkcji artykułów jednorazowego użytku, takich jak opakowania , sztućce i pojemniki gastronomiczne.

Zasadniczo biodegradowalne tworzywa sztuczne mogłyby zastąpić wiele zastosowań konwencjonalnych tworzyw sztucznych. Wiąże się to jednak z szeregiem wyzwań.

  • Wiele biodegradowalnych tworzyw sztucznych zaprojektowano tak, aby rozkładały się w przemysłowych systemach kompostowania. Wymaga to jednak dobrze zarządzanego systemu gospodarki odpadami, aby zapewnić, że tak się stanie. Jeżeli produkty wykonane z tych tworzyw sztucznych są wyrzucane do konwencjonalnych strumieni odpadów, np. problem zanieczyszczenia tworzywami sztucznymi.
  • Przedmioty z tworzyw sztucznych oznaczone jako „biodegradowalne”, które rozkładają się tylko na mniejsze kawałki, takie jak mikrodrobiny plastiku , lub na mniejsze jednostki, które nie ulegają biodegradacji, nie stanowią ulepszenia w stosunku do konwencjonalnego plastiku.
  • Badanie z 2009 roku wykazało, że stosowanie biodegradowalnych tworzyw sztucznych było opłacalne finansowo tylko w kontekście określonych przepisów, które ograniczają stosowanie konwencjonalnych tworzyw sztucznych. Na przykład biodegradowalne torby plastikowe są obowiązkowe we Włoszech od 2011 r. wraz z wprowadzeniem specjalnego prawa.

typy

Rozwój biodegradowalnych pojemników

Tworzywa sztuczne pochodzenia biologicznego

Opracowanie jadalnej folii kazeinowej w USDA

Biologicznie syntetyzowane tworzywa sztuczne (zwane również biotworzywami lub tworzywami pochodzenia biologicznego) to tworzywa sztuczne pochodzenia naturalnego, takie jak rośliny, zwierzęta lub mikroorganizmy.

Polihydroksyalkaniany (PHA)

Polihydroksyalkaniany to klasa biodegradowalnych tworzyw sztucznych naturalnie wytwarzanych przez różne mikroorganizmy (przykład: Cuprividus necator ). Konkretne rodzaje PHA obejmują poli-3-hydroksymaślan (PHB), polihydroksywalerianian (PHV) i polihydroksyheksanian (PHH). Biosynteza PHA jest zwykle napędzana przez pozbawienie organizmów niektórych składników odżywczych (np. brak makroelementów, takich jak fosfor, azot, czy tlen) i dostarczenie nadmiaru źródeł węgla. Granulki PHA są następnie odzyskiwane przez rozbijanie mikroorganizmów.

PHA można dalej podzielić na dwa typy:

  • scl-PHA z hydroksykwasów tłuszczowych o krótkich łańcuchach zawierających od trzech do pięciu atomów węgla jest syntetyzowany przez liczne bakterie, w tym Cupriavidus necator i Alcaligenes latus ( PHB ).
  • mcl-PHA z hydroksykwasów tłuszczowych o średniej długości łańcucha zawierającego od sześciu do 14 atomów węgla, może być wytwarzany na przykład przez Pseudomonas putida .

Kwas polimlekowy (PLA)

Kwas polimlekowy to termoplastyczny alifatyczny poliester syntetyzowany z odnawialnej biomasy, zwykle ze sfermentowanej skrobi roślinnej, takiej jak kukurydza , maniok , trzcina cukrowa lub pulpa buraczana . W 2010 roku PLA zajmował drugie miejsce pod względem wielkości zużycia ze wszystkich bioplastików na świecie.

PLA nadaje się do kompostowania, ale nie ulega biodegradacji zgodnie z normami amerykańskimi i europejskimi, ponieważ nie ulega biodegradacji poza sztucznymi warunkami kompostowania (patrz § Kompostowalne tworzywa sztuczne ).

Mieszanki skrobi

Mieszanki skrobiowe to termoplastyczne polimery wytwarzane przez mieszanie skrobi z plastyfikatorami. Ponieważ same polimery skrobi są kruche w temperaturze pokojowej, plastyfikatory są dodawane w procesie zwanym żelatynizacją skrobi , aby zwiększyć jej krystalizację . Podczas gdy wszystkie skrobie ulegają biodegradacji, nie wszystkie plastyfikatory są. Zatem biodegradowalność plastyfikatora determinuje biodegradowalność mieszanki skrobi.

Biodegradowalne mieszanki skrobi obejmują skrobię/ kwas polimlekowy , skrobię/ polikaprolakton i skrobię/ko-tereftalan adypinianu polibutylenu.

Inne mieszanki, takie jak skrobia/ poliolefina , nie ulegają biodegradacji.

Tworzywa sztuczne na bazie celulozy

celulozowe to głównie estry celulozy (w tym octan celulozy i nitroceluloza ) oraz ich pochodne, w tym celuloid . Celuloza może stać się termoplastyczna po znacznej modyfikacji. Przykładem tego jest octan celulozy , który jest drogi i dlatego rzadko używany do pakowania.

Kompozyty polimerowe na bazie ligniny

Kompozyty polimerowe na bazie ligniny to bioodnawialne naturalne polimery aromatyczne o właściwościach biodegradowalnych. Lignina jest produktem ubocznym ekstrakcji polisacharydów z materiału roślinnego poprzez produkcję papieru, etanolu i innych. Jest ich dużo, a raporty pokazują, że każdego roku przemysł celulozowo-chemiczny wytwarza 50 milionów ton. Lignina jest przydatna ze względu na niską wagę materiału i fakt, że jest bardziej przyjazna dla środowiska niż inne alternatywy. Lignina jest neutralna dla uwalniania CO 2 podczas procesu biodegradacji. Stwierdzono, że inne biodegradowalne procesy wytwarzania tworzyw sztucznych, takie jak politereftalan etylenu (PET), uwalniają CO 2 i wodę jako produkty odpadowe wytwarzane przez degradujące mikroorganizmy.

Lignina ma porównywalne właściwości chemiczne w porównaniu z obecnymi chemikaliami plastycznymi, co obejmuje reaktywne grupy funkcyjne, zdolność formowania w błony, wysoki procent węgla i wykazuje wszechstronność w stosunku do różnych mieszanin chemicznych stosowanych z tworzywami sztucznymi. Lignina jest również stabilna i zawiera pierścienie aromatyczne. Jest zarówno elastyczny, jak i lepki, ale płynnie przepływa w fazie ciekłej. Co najważniejsze, lignina może poprawić obecne standardy tworzyw sztucznych, ponieważ ma charakter przeciwdrobnoustrojowy. Jest produkowany w tak dużych ilościach i jest łatwo dostępny do wykorzystania jako nowy polimer przyjazny dla środowiska.

Tworzywa sztuczne na bazie ropy naftowej

Tworzywa sztuczne na bazie ropy naftowej pochodzą z produktów petrochemicznych, które otrzymuje się z kopalnej ropy naftowej, węgla lub gazu ziemnego. Najszerzej stosowane tworzywa sztuczne na bazie ropy naftowej, takie jak politereftalan etylenu (PET), polietylen (PE), polipropylen (PP) i polistyren (PS) nie ulegają biodegradacji. Jednak wymienione poniżej tworzywa sztuczne na bazie ropy naftowej są.

Kwas poliglikolowy (PGA)

Kwas poliglikolowy jest polimerem termoplastycznym i poliestrem alifatycznym. PGA jest często używany w zastosowaniach medycznych, takich jak szwy PGA, ze względu na jego biodegradowalność. Wiązanie estrowe w szkielecie kwasu poliglikolowego nadaje mu niestabilność hydrolityczną. W ten sposób kwas poliglikolowy może ulec degradacji do nietoksycznego monomeru, kwasu glikolowego, w wyniku hydrolizy. Proces ten można przyspieszyć za pomocą esterazy. W organizmie kwas glikolowy może wejść w cykl kwasów trójkarboksylowych, po czym może zostać wydalony w postaci wody i dwutlenku węgla.

Bursztynian polibutylenu (PBS)

Bursztynian polibutylenu to termoplastyczna żywica polimerowa o właściwościach porównywalnych z propylenem . Znajduje zastosowanie w foliach opakowaniowych do żywności i kosmetyków. W rolnictwie PBS jest stosowany jako biodegradowalna folia ściółkowa. PBS może być rozkładany przez Amycolatopsis sp. HT-6 i Penicillium sp. szczep 14-3. Ponadto wykazano, że Microbispora rosea , Excellospora japonica i E. viridilutea zużywają próbki zemulgowanego PBS.

Polikaprolakton (PCL)

Polikaprolakton zyskał na znaczeniu jako wszczepialny biomateriał, ponieważ hydroliza jego wiązań estrowych zapewnia jego właściwości biodegradowalne. Wykazano, że Bacillota i Pseudomonadota mogą degradować PCL. Penicillium sp. szczep 26-1 może degradować PCL o wysokiej gęstości; choć nie tak szybko, jak termotolerancyjny Aspergillus sp. szczep ST-01. Gatunki Clostridium mogą rozkładać PCL w beztlenowych .

Poli(alkohol winylowy) (PVA, PVOH)

Poli(alkohol winylowy) jest jednym z nielicznych biodegradowalnych polimerów winylowych rozpuszczalnych w wodzie. Ze względu na swoją rozpuszczalność w wodzie (niedrogi i nieszkodliwy rozpuszczalnik), PVA ma szeroki zakres zastosowań, w tym opakowania żywności, powlekanie tekstyliów, powlekanie papieru i produkty medyczne.

Politereftalan adypinianu butylenu (PBAT)

Politereftalan adypinianu butylenu (PBAT) jest biodegradowalnym kopolimerem statystycznym.

Tworzywa sztuczne nadające się do kompostowania w domu

Nie ustanowiono żadnej międzynarodowej normy definiującej tworzywa sztuczne nadające się do kompostowania w domu (tj. takie, które nie są uzależnione od przemysłowych instalacji do kompostowania), ale normy krajowe zostały stworzone w Australii (AS 5810 „tworzywa biodegradowalne nadające się do kompostowania w domu”) i we Francji (NF T 51-800 „Specyfikacje tworzyw sztucznych nadających się do kompostowania w domu”). Norma francuska opiera się na „Programie certyfikacji domu OK kompost”, opracowanym przez belgijską jednostkę certyfikującą TÜV Austria Belgium. Poniżej przedstawiono przykłady tworzyw sztucznych, które są zgodne z ustaloną normą krajową dotyczącą kompostowalności w domu:

  • Żywica BioPBS FD92, maksymalna grubość 85 mikronów
  • Żywica BWC BF 90A, maksymalna grubość 81 mikronów
  • Żywica Ecopond Flex 162, maksymalna grubość 65 mikronów
  • Potrójny laminat HCPT-1 o maksymalnej grubości 119 mikronów
  • Laminat HCFD-2 dupleks, maksymalna grubość 69 mikronów
  • Żywica Torise TRBF90, maksymalna grubość 43 mikrony

Czynniki wpływające na biodegradację

Jednym z wyzwań stojących przed projektowaniem i stosowaniem biodegradowalnych tworzyw sztucznych jest to, że biodegradowalność jest „właściwością systemową”. Oznacza to, że to, czy dany przedmiot z tworzywa sztucznego ulegnie biodegradacji, zależy nie tylko od jego wewnętrznych właściwości, ale także od warunków w środowisku, w którym się znajduje. Szybkość biodegradacji tworzyw sztucznych w określonym ekosystemie zależy od szerokiego zakresu warunków środowiskowych, w tym temperatury i obecności określonych mikroorganizmów.

Czynniki wewnętrzne

Skład chemiczny:

  • Od najmniejszej do największej odporności na biodegradację: n-alkany > alkany rozgałęzione > związki aromatyczne o małej masie cząsteczkowej > alkany cykliczne > związki aromatyczne o dużej masie cząsteczkowej = polimery polarne

Właściwości fizyczne:

  • Kształt
  • Odsłonięta powierzchnia
  • Grubość

Czynniki zewnętrzne

Czynniki abiotyczne:

  • Temperatura
  • Atmosferyczne stężenie wody/soli
  • Fotodegradacja
  • Hydroliza

Czynniki biotyczne:

  • Obecność odpowiednich szczepów mikroorganizmów

Spór

Chociaż określenia „kompostowalne”, „biotworzywa” i „ tworzywa oksydegradowalne ” są często używane zamiast „tworzywa biodegradowalne”, terminy te nie są synonimami. Infrastruktura gospodarowania odpadami obecnie poddaje recyklingowi zwykłe odpady z tworzyw sztucznych, spala je lub umieszcza na składowisku.Wmieszanie biodegradowalnych tworzyw sztucznych do zwykłej infrastruktury odpadowej stwarza pewne zagrożenia dla środowiska.Dlatego kluczowe jest określenie, w jaki sposób prawidłowo rozkładać alternatywne tworzywa sztuczne.

Kompostowalne tworzywa sztuczne

Zarówno tworzywa sztuczne nadające się do kompostowania, jak i tworzywa sztuczne ulegające biodegradacji to materiały, które rozkładają się na składniki organiczne; jednak kompostowanie niektórych nadających się do kompostowania tworzyw sztucznych wymaga ścisłej kontroli czynników środowiskowych, w tym wyższych temperatur, ciśnienia i stężenia składników odżywczych, a także określonych proporcji chemicznych. Warunki te można odtworzyć jedynie w przemysłowych kompostowniach, których jest bardzo mało. W związku z tym niektóre tworzywa sztuczne nadające się do kompostowania mogą ulegać degradacji tylko w wysoce kontrolowanych środowiskach. Ponadto kompostowanie zwykle odbywa się w środowisku tlenowym, podczas gdy biodegradacja może zachodzić w środowisku beztlenowym. Polimery pochodzenia biologicznego, pozyskiwane z materiałów niekopalnych, mogą rozkładać się naturalnie w środowisku, podczas gdy niektóre produkty z tworzyw sztucznych wykonane z polimerów ulegających biodegradacji wymagają pomocy beztlenowych komór fermentacyjnych lub jednostek kompostujących, aby rozłożyć materiał syntetyczny podczas organicznych procesów recyklingu.

Wbrew powszechnemu przekonaniu, nieulegające biodegradacji kompostowalne tworzywa sztuczne rzeczywiście istnieją. Te tworzywa sztuczne ulegną biodegradacji w warunkach kompostowania, ale nie zaczną się rozkładać, dopóki nie zostaną spełnione. Innymi słowy, te tworzywa sztuczne nie mogą być uznane za „biodegradowalne” (zgodnie z definicją zarówno w normach amerykańskich, jak i europejskich) ze względu na fakt, że nie mogą ulegać naturalnej biodegradacji w biosferze. Przykładem nieulegającego biodegradacji kompostowalnego tworzywa sztucznego jest kwas polimlekowy (PLA).

Standardowa definicja ASTM określa, że ​​nadające się do kompostowania tworzywo sztuczne musi stać się „nierozróżnialne wizualnie” w takim samym tempie, jak coś, co zostało już ustalone jako nadające się do kompostowania zgodnie z tradycyjną definicją.

Biotworzywa

Tworzywo sztuczne jest uważane za bioplastik , jeśli zostało wyprodukowane częściowo lub w całości z polimerów pochodzenia biologicznego. Tworzywo sztuczne jest uważane za biodegradowalne, jeśli może rozłożyć się na wodę, dwutlenek węgla i biomasę w określonych ramach czasowych (w zależności od różnych norm). Zatem terminy nie są synonimami. Nie wszystkie biotworzywa ulegają biodegradacji. Przykładem nieulegającego biodegradacji bioplastiku jest PET pochodzenia biologicznego. PET jest petrochemicznym tworzywem sztucznym pochodzącym z paliw kopalnych. PET pochodzenia biologicznego to ten sam plastik, ale syntetyzowany przez bakterie. Biopochodzący z PET ma identyczne właściwości techniczne jak jego odpowiednik z paliw kopalnych.

Tworzywa oksydegradowalne

Ponadto oksydegradowalne tworzywa sztuczne są powszechnie postrzegane jako biodegradowalne. Są to jednak po prostu konwencjonalne tworzywa sztuczne z dodatkami zwanymi prodegradantami, które przyspieszają proces utleniania. Podczas gdy oksydegradowalne tworzywa sztuczne szybko rozkładają się pod wpływem światła słonecznego i tlenu, pozostają raczej w postaci ogromnych ilości mikrodrobin plastiku niż jakiegokolwiek materiału biologicznego.

Tworzywa oksydegradowalne nie mogą być sklasyfikowane jako biodegradowalne zgodnie z normami amerykańskimi i europejskimi, ponieważ rozkładają się zbyt długo i pozostawiają fragmenty plastiku nienadające się do spożycia przez mikroorganizmy. Chociaż mają na celu ułatwienie biodegradacji, oksydegradowalne tworzywa sztuczne często nie ulegają optymalnej fragmentacji do trawienia przez drobnoustroje.

Etykietowanie konsumenckie i greenwashing

Główny artykuł: Greenwashing

Wszystkie materiały są z natury biodegradowalne, niezależnie od tego, czy rozpad na materię organiczną i mineralizację zajmuje kilka tygodni, czy milion lat. Dlatego produkty, które są sklasyfikowane jako „ulegające biodegradacji”, ale których ograniczenia czasowe i środowiskowe nie są wyraźnie określone, wprowadzają konsumentów w błąd i są nieprzejrzyste. Zwykle wiarygodne firmy przekazują określone warunki biodegradacji swoich produktów, podkreślając, że ich produkty są w rzeczywistości biodegradowalne zgodnie z normami krajowymi lub międzynarodowymi. Ponadto firmy, które oznaczają tworzywa sztuczne z dodatkami oksybiodegradowalnymi jako całkowicie biodegradowalne, przyczyniają się do dezinformacji. Podobnie niektóre marki mogą twierdzić, że ich tworzywa sztuczne są biodegradowalne, podczas gdy w rzeczywistości są to biotworzywa nieulegające biodegradacji.

W 2021 r. mechanizm doradztwa naukowego Komisji Europejskiej przeprowadził przegląd dowodów dotyczących biodegradowalnych tworzyw sztucznych i stwierdził, że:

Oznaczanie przedmiotów z tworzyw sztucznych jako „ulegających biodegradacji” bez wyjaśnienia, jakie warunki są potrzebne do ich biodegradacji, powoduje zamieszanie wśród konsumentów i innych użytkowników. Może to prowadzić do zanieczyszczenia strumieni odpadów i zwiększonego zanieczyszczenia lub zaśmiecania. Potrzebne jest jasne i dokładne etykietowanie, aby konsumenci mieli pewność, czego mogą oczekiwać od przedmiotów z tworzyw sztucznych oraz jak je właściwie używać i utylizować.

W odpowiedzi Grupa Głównych Doradców Naukowych Komisji Europejskiej zaleciła w 2021 r. opracowanie „spójnych standardów badań i certyfikacji biodegradacji tworzyw sztucznych w środowisku otwartym”, w tym „programów badań i certyfikacji oceniających rzeczywistą biodegradację tworzyw biodegradowalnych w kontekście ich zastosowania w określonym odbiorczym środowisku otwartym”.

Wpływ na środowisko

Korzyści dla środowiska

Degradacja mikrobiologiczna: Głównym celem biodegradowalnych tworzyw sztucznych jest zastąpienie tradycyjnych tworzyw sztucznych, które utrzymują się na wysypiskach śmieci i szkodzą środowisku. Dlatego zdolność mikroorganizmów do rozkładania tych tworzyw sztucznych jest niesamowitą korzyścią dla środowiska. Degradacja mikrobiologiczna odbywa się w 3 etapach: kolonizacja powierzchni tworzywa sztucznego, hydroliza i mineralizacja. Po pierwsze, mikroorganizmy zasiedlają odsłonięte tworzywa sztuczne. Następnie bakterie wydzielają enzymy, które wiążą się ze źródłem węgla lub substratami polimerowymi, a następnie rozszczepiają wiązania węglowodorowe. W wyniku procesu powstaje H 2 O i CO 2 . Pomimo uwalniania CO 2 do środowiska, biodegradowalne tworzywa sztuczne pozostawiają mniejszy ślad niż tworzywa ropopochodne, które gromadzą się na wysypiskach śmieci i powodują duże zanieczyszczenie, dlatego są badane jako alternatywa dla tradycyjnych tworzyw sztucznych.

Stałe odpady komunalne: Według raportu Agencji Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych (EPA) z 2010 r. Stany Zjednoczone miały 31 milionów ton odpadów z tworzyw sztucznych, co stanowi 12,4% wszystkich stałych odpadów komunalnych. Z tego odzyskano 2,55 miliona ton. Ten odzysk wynoszący 8,2% był znacznie niższy niż ogólny procent odzysku wynoszący 34,1% w przypadku stałych odpadów komunalnych.

Niskie wskaźniki odzysku tworzyw sztucznych można przypisać temu, że konwencjonalne tworzywa sztuczne często mieszają się z odpadami organicznymi (resztkami jedzenia, mokrym papierem i płynami), co prowadzi do gromadzenia się odpadów na wysypiskach i w siedliskach naturalnych. Z drugiej strony kompostowanie tych mieszanych substancji organicznych (resztek żywności, ścinków ogrodowych i mokrego, nienadających się do recyklingu papieru) jest potencjalną strategią odzyskiwania dużych ilości odpadów i radykalnego zwiększania celów recyklingu społeczności. Od 2015 r. Resztki żywności i mokry, nienadający się do recyklingu papier stanowią odpowiednio 39,6 mln i 67,9 mln ton stałych odpadów komunalnych .

Tworzywa biodegradowalne mogą zastąpić tworzywa sztuczne nieulegające degradacji w tych strumieniach odpadów, co sprawia, że ​​kompostowanie komunalne jest znaczącym narzędziem do kierowania dużych ilości odpadów, których inaczej nie da się odzyskać, ze składowisk. Kompostowalne tworzywa sztuczne łączą w sobie użyteczność tworzyw sztucznych (lekkość, odporność, relatywnie niski koszt) z możliwością całkowitego i pełnego kompostowania w kompostowni przemysłowej. Zamiast martwić się o recykling stosunkowo niewielkiej ilości zmieszanych tworzyw sztucznych, zwolennicy argumentują, że certyfikowane biodegradowalne tworzywa sztuczne można łatwo mieszać z innymi odpadami organicznymi, umożliwiając w ten sposób kompostowanie znacznie większej części nienadających się do odzysku odpadów stałych.

Kompostowanie komercyjne dla wszystkich mieszanych substancji organicznych staje się wtedy opłacalne i zrównoważone ekonomicznie. Więcej gmin może skierować znaczne ilości odpadów z przeciążonych składowisk, ponieważ cały strumień odpadów jest teraz biodegradowalny, a zatem łatwiejszy w obróbce. To odejście od wykorzystywania składowisk odpadów może pomóc złagodzić problem zanieczyszczenia tworzywami sztucznymi .

Stosowanie biodegradowalnych tworzyw sztucznych jest zatem postrzegane jako umożliwiające całkowity odzysk dużych ilości stałych odpadów komunalnych (poprzez kompostowanie tlenowe i surowce), których dotychczas nie można było odzyskać innymi sposobami niż składowanie na wysypiskach lub spalanie.

W zakresie ochrony środowiska

Oxo-biodegradacja: Istnieją zarzuty, że biodegradowalne torby plastikowe mogą uwalniać metale, a ich degradacja może wymagać dużo czasu w pewnych okolicznościach oraz że tworzywa sztuczne OBD (oksy-biodegradowalne) mogą wytwarzać małe fragmenty plastiku, które nie ulegają dalszej degradacji w jakąkolwiek zauważalną stawkę, niezależnie od środowiska. Odpowiedzią stowarzyszenia Oxo-biodegradable Plastics Association (www.biodeg.org) jest to, że tworzywa OBD nie zawierają metali. [ potrzebne źródło ] Zawierają sole metali, które nie są zabronione przez prawo, aw rzeczywistości są niezbędne jako pierwiastki śladowe w diecie człowieka. Okso-biodegradacja polietylenu małej gęstości zawierającego zastrzeżony dodatek na bazie soli manganu wykazała 91% biodegradacji w środowisku glebowym po 24 miesiącach.

Wpływ na zaopatrzenie w żywność: toczy się również wiele dyskusji na temat całkowitego zużycia węgla, paliw kopalnych i wody w produkcji biodegradowalnych biotworzyw z materiałów naturalnych oraz czy mają one negatywny wpływ na zaopatrzenie ludzi w żywność. Aby wyprodukować 1 kg (2,2 funta) kwasu polimlekowego, najpopularniejszego kompostowalnego tworzywa sztucznego, potrzebne jest 2,65 kg (5,8 funta) kukurydzy. Ponieważ od 2010 r. Każdego roku wytwarza się około 270 milionów ton plastiku, zastąpienie konwencjonalnego plastiku kwasem polimlekowym pochodzącym z kukurydzy spowodowałoby usunięcie 715,5 miliona ton ze światowych zasobów żywności w czasie, gdy globalne ocieplenie zmniejsza produktywność gospodarstw tropikalnych.

Uwalnianie metanu: istnieje obawa, że ​​inny gaz cieplarniany, metan , może zostać uwolniony, gdy jakikolwiek materiał biodegradowalny, w tym prawdziwie biodegradowalne tworzywa sztuczne, ulegnie degradacji w beztlenowym środowisku składowiska . Produkcja metanu z 594 zarządzanych środowisk składowisk jest wychwytywana i wykorzystywana do produkcji energii; niektóre składowiska spalają to w procesie zwanym spalaniem w pochodniach, aby ograniczyć uwalnianie metanu do środowiska . W Stanach Zjednoczonych większość obecnie składowanych materiałów trafia na składowiska, gdzie wychwytuje metanowy biogaz do wykorzystania w czystej, niedrogiej energii. Spalanie nieulegających biodegradacji tworzyw sztucznych również uwalnia dwutlenek węgla. Utylizacja nieulegających biodegradacji tworzyw sztucznych wykonanych z materiałów naturalnych w środowiskach beztlenowych (wysypiska śmieci) spowoduje, że plastik przetrwa setki lat.

Biodegradacja w oceanie: Biodegradowalne tworzywa sztuczne, które nie uległy całkowitej degradacji, są usuwane do oceanów przez zakłady gospodarki odpadami przy założeniu, że tworzywa sztuczne ostatecznie rozłożą się w krótkim czasie. Jednak ocean nie jest optymalny do biodegradacji, ponieważ proces ten sprzyja ciepłym środowiskom z dużą ilością mikroorganizmów i tlenu. Pozostałe mikrowłókna, które nie uległy biodegradacji, mogą szkodzić organizmom morskim.

Koszty energii do produkcji

Różni badacze przeprowadzili szeroko zakrojone oceny cyklu życia biodegradowalnych polimerów, aby określić, czy materiały te są bardziej energooszczędne niż polimery wytwarzane konwencjonalnymi metodami opartymi na paliwach kopalnych. Badania przeprowadzone przez Gerngrossa i in. szacuje, że energia paliw kopalnych wymagana do wyprodukowania kilograma polihydroksyalkanianu (PHA) wynosi 50,4 MJ/kg, co pokrywa się z innymi szacunkami Akiyamy i in. , którzy szacują wartość na 50-59 MJ/kg. Informacje te nie uwzględniają energii surowca, którą można uzyskać metodami opartymi na paliwach innych niż paliwa kopalne. polilaktyd (PLA) ma koszt energii z paliw kopalnych na poziomie 54-56,7 z dwóch źródeł, ale ostatnie zmiany w komercyjnej produkcji PLA przez NatureWorks wyeliminowały pewną zależność od energii opartej na paliwach kopalnych, zastępując ją energią wiatrową i biomasą -strategie kierowane. Zgłaszają, że wyprodukowanie kilograma PLA wymaga zaledwie 27,2 MJ energii z paliw kopalnych i przewiduje, że liczba ta spadnie do 16,6 MJ/kg w ich elektrowniach następnej generacji. Z kolei polipropylen i polietylen o dużej gęstości wymagają odpowiednio 85,9 i 73,7 MJ/kg, ale wartości te obejmują energię wbudowaną surowca, ponieważ jest on oparty na paliwie kopalnym.

Gerngross podaje, że do wyprodukowania jednego kilograma PHA potrzeba 2,65 kg całkowitego ekwiwalentu energii z paliw kopalnych (FFE), podczas gdy polietylen wymaga tylko 2,2 kg FFE. Gerngross ocenia, że ​​decyzja o kontynuacji prac nad jakimkolwiek alternatywnym polimerem biodegradowalnym będzie musiała uwzględniać priorytety społeczeństwa w odniesieniu do energii, środowiska i kosztów ekonomicznych.

Ponadto ważne jest uświadomienie młodzieży alternatywnych technologii. Na przykład technologia produkcji PHA jest nadal rozwijana, a zużycie energii można jeszcze bardziej zmniejszyć, eliminując etap fermentacji lub wykorzystując odpady żywnościowe jako surowiec. Oczekuje się , że wykorzystanie alternatywnych upraw innych niż kukurydza , takich jak trzcina cukrowa z Brazylii, zmniejszy zapotrzebowanie na energię. Na przykład „produkcja PHA poprzez fermentację w Brazylii cieszy się korzystnym systemem zużycia energii, w którym bagassa jest wykorzystywana jako źródło energii odnawialnej”.

Wiele biodegradowalnych polimerów pochodzących z surowców odnawialnych (np. na bazie skrobi , PHA, PLA) konkuruje również z produkcją żywności , ponieważ obecnie podstawowym surowcem jest kukurydza. Aby Stany Zjednoczone mogły zaspokoić swoją obecną produkcję tworzyw sztucznych za pomocą BP, potrzebowałyby 1,62 metra kwadratowego na wyprodukowany kilogram.

Przepisy/normy

Aby zapewnić integralność produktów oznaczonych jako „biodegradowalne”, ustanowiono następujące normy:

Stany Zjednoczone

ASTM International określa metody testowania biodegradowalnych tworzyw sztucznych, zarówno beztlenowych , jak i tlenowych , a także w środowisku morskim. Specyficzna odpowiedzialność podkomitetu za nadzorowanie tych norm spoczywa na komitecie D20.96 ds. tworzyw sztucznych ulegających degradacji środowiskowej i produktów pochodzenia biologicznego. Obecne normy ASTM są zdefiniowane jako standardowe specyfikacje i standardowe metody badań. Standardowe specyfikacje tworzą scenariusz pozytywny lub negatywny, podczas gdy standardowe metody testowe określają określone parametry testowe w celu ułatwienia określonych ram czasowych i toksyczności biodegradowalnych testów na tworzywach sztucznych.

Warunki beztlenowe

ASTM D5511-18 - Standardowa metoda testowa do określania biodegradacji beztlenowej materiałów z tworzyw sztucznych w warunkach fermentacji beztlenowej o wysokiej zawartości substancji stałych

ASTM D5526-18 - Standardowa metoda testowa do określania biodegradacji beztlenowej materiałów z tworzyw sztucznych w przyspieszonych warunkach składowania

Obie powyższe normy wskazują, że minimum 70% materiału powinno ulec biodegradacji w ciągu 30 dni (ASTM D5511-18) lub czasu trwania procedury testowej (ASTM D5526-18), aby można było uznać, że materiał ulega biodegradacji w warunkach beztlenowych.

Warunki tlenowe

ASTM D6400 — Standardowa specyfikacja dotycząca etykietowania tworzyw sztucznych przeznaczonych do kompostowania tlenowego w obiektach komunalnych lub przemysłowych

ASTM D6868 — Standardowa specyfikacja dotycząca etykietowania elementów końcowych zawierających tworzywa sztuczne i polimery jako powłoki lub dodatki do papieru i innych podłoży przeznaczonych do kompostowania tlenowego w obiektach komunalnych lub przemysłowych

Obie powyższe normy przedstawiają procedury badania i znakowania biodegradowalności w warunkach kompostowania tlenowego. Tworzywa sztuczne można sklasyfikować jako biodegradowalne w środowisku tlenowym, gdy 90% materiału jest w pełni zmineralizowane do CO2 w ciągu 180 dni (~6 miesięcy).

Normy Unii Europejskiej

Warunki beztlenowe

EN 13432:2000 – Opakowania: wymagania dotyczące opakowań nadających się do odzysku poprzez kompostowanie i biodegradację

Podobnie jak normy amerykańskie, norma europejska wymaga, aby 90% fragmentów polimeru uległo pełnej mineralizacji do CO 2 w ciągu 6 miesięcy.

Warunki tlenowe

EN 14046:2004 - Ocena ostatecznej biodegradowalności tlenowej i rozpadu materiałów opakowaniowych w kontrolowanych warunkach kompostowania.

Przyszłe standardy europejskie

W 2021 r. Mechanizm Doradztwa Naukowego Komisji Europejskiej zalecił Komisji opracowanie nowych standardów certyfikacji i badań biodegradacji tworzyw sztucznych w środowisku otwartym, w tym:

  • ocena rzeczywistej wydajności biodegradacji i ocena zagrożeń dla środowiska w określonych środowiskach otwartych, takich jak gleby, rzeki i oceany
  • badania biodegradacji w warunkach laboratoryjnych i symulowanych środowiskowych
  • opracowanie katalogu materiałów i względnych wskaźników biodegradacji w różnych środowiskach
  • „jasne i skuteczne oznakowanie” dla konsumentów, producentów i sprzedawców w celu zapewnienia właściwej utylizacji biodegradowalnych tworzyw sztucznych.

standardy brytyjskie

W październiku 2020 r. British Standards opublikowało nowe normy dotyczące biodegradowalnych tworzyw sztucznych. Aby spełnić normy, biodegradowalne tworzywo sztuczne musi w ciągu dwóch lat rozłożyć się do wosku, który nie zawiera mikroplastików ani nanoplastików. Rozkład tworzyw sztucznych może zostać wywołany przez wystawienie na działanie promieni słonecznych, powietrza i wody. Dyrektor naczelny Polymateria , Niall Dunne , powiedział, że jego firma stworzyła folię polietylenową, która rozkładała się w ciągu 226 dni i plastikowe kubki, które rozkładały się w ciągu 336 dni.

Rola inżynierii genetycznej i biologii syntetycznej

W związku z rosnącym zainteresowaniem środowiskowymi konsekwencjami odpadów z tworzyw sztucznych naukowcy badają zastosowanie inżynierii genetycznej i biologii syntetycznej do optymalizacji produkcji biodegradowalnych tworzyw sztucznych. Obejmuje to zmianę endogennego składu genetycznego lub innych systemów biologicznych organizmów.

W 1995 roku artykuł zatytułowany „Production of Polyhydroksyalkanoates, a Family of Biodegradable Plastics and Elastomers, in Bacteria and Plants” opisuje wykorzystanie biologii syntetycznej do zwiększenia wydajności polihydroksyalkanianów (PHA), szczególnie w roślinach Arabidopsis . Podobnie w badaniu przeprowadzonym w 1999 r. zbadano, w jaki sposób można zmodyfikować genetycznie rzepak w celu wytworzenia PHBV. Chociaż nie uzyskano wysokiej wydajności, świadczy to o wczesnym zastosowaniu inżynierii genetycznej do produkcji biodegradowalnych tworzyw sztucznych.

Nadal podejmowane są wysiłki w kierunku produkcji biodegradowalnych tworzyw sztucznych poprzez wytwarzanie genetyczne i przeprojektowanie. Artykuł opublikowany w 2014 roku zatytułowany „Inżynieria genetyczna zwiększa wydajność biodegradowalnego tworzywa sztucznego z cyjanobakterii” przedstawia procedury stosowane w celu uzyskania wyższej wydajności PHB, która jest porównywalna przemysłowo. Wcześniejsze badania wskazywały, że zarówno białka Rre37, jak i SigE są oddzielnie odpowiedzialne za aktywację produkcji PHB w szczepie sinic Synechocystis . Tak więc w tym badaniu szczep Synechocystis zmodyfikowano w celu nadekspresji białek Rre37 i SigE razem w warunkach ograniczonych azotem.

Obecnie grupa badawcza prowadzona przez studentów na University of Virginia (Virginia iGEM 2019) jest w trakcie inżynierii genetycznej Escherichia coli w celu przekształcenia styrenu (monomeru polistyrenu) w P3HB (rodzaj PHA). Projekt ma na celu wykazanie, że odpadowy polistyren może być skutecznie wykorzystywany jako źródło węgla do produkcji biodegradowalnych tworzyw sztucznych, rozwiązując zarówno problemy związane z gromadzeniem się odpadów polistyrenowych na składowiskach, jak i wysokimi kosztami produkcji PHA.

Biodegradowalne polimery przewodzące w medycynie

Biodegradowalne polimery przewodzące (CP) to materiał polimerowy przeznaczony do zastosowań w organizmie człowieka. Ważnymi właściwościami tego materiału są jego przewodnictwo elektryczne porównywalne z tradycyjnymi przewodnikami oraz biodegradowalność. Zastosowania medyczne biodegradowalnych CP są atrakcyjne dla specjalności medycznych, takich jak inżynieria tkankowa i medycyna regeneracyjna. W inżynierii tkankowej główny nacisk kładziony jest na dostarczanie uszkodzonym narządom wskazówek fizykochemicznych do uszkodzonych narządów w celu naprawy. Osiągnięto to dzięki zastosowaniu rusztowań nanokompozytowych. Zastosowania medycyny regeneracyjnej mają na celu regenerację komórek wraz z usprawnieniem procesu naprawczego organizmu. Wykorzystanie biodegradowalnych CP można również wdrożyć do obrazowania biomedycznego wraz z implantami i nie tylko.

Projektowanie biodegradowalnych CP rozpoczęto od zmieszania biodegradowalnych polimerów, w tym polilaktydów, polikaprolaktonu i poliuretanów. Ten projekt zapoczątkował innowacje w tym, co jest opracowywane od roku 2019. Obecne biodegradowalne CP mają zastosowanie w dziedzinie biomedycyny. Architektura kompozycyjna obecnych biodegradowalnych CP obejmuje właściwości przewodnictwa biodegradowalnych polimerów na bazie oligomerów wprowadzonych do kompozycji formacji liniowych, gwiaździstych lub hiperrozgałęzionych. Inną implementacją poprawiającą biodegradowalną architekturę CP jest użycie monomerów i sprzężonych wiązań, które ulegają degradacji. Biodegradowalne polimery stosowane w zastosowaniach biomedycznych zazwyczaj składają się z ulegających hydrolizie estrów i hydrazonów. Cząsteczki te, pod wpływem zewnętrznej stymulacji, są dalej rozszczepiane i rozkładane. Proces aktywacji rozszczepiania można osiągnąć stosując środowisko kwaśne, zwiększając temperaturę lub stosując enzymy. Ze względu na skład chemiczny określono trzy kategorie biodegradowalnych kompozytów CP. Pierwsza kategoria obejmuje częściowo biodegradowalne mieszanki CP przewodzących i biodegradowalnych materiałów polimerowych. Druga kategoria obejmuje przewodzące oligomery biodegradowalnych CP. Trzecią kategorią są modyfikowane i degradowalne jednostki monpmeru wraz z wykorzystaniem degradowalnych wiązań sprzężonych do stosowania w biodegradowalnych polimerach CP.

Zobacz też

Dalsza lektura

  • Biodegradowalne tworzywa sztuczne i odpady morskie
  •   Kubowicz, Stefan; Booth, Andy M. (7 listopada 2017). „Biodegradowalność tworzyw sztucznych: wyzwania i nieporozumienia”. Nauka o środowisku i technologia . 51 (21): 12058–12060. Bibcode : 2017EnST...5112058K . doi : 10.1021/acs.est.7b04051 . PMID 29022342 .
  •    Stevens, Eugeniusz (2002). Ekologiczne tworzywa sztuczne: wprowadzenie do nowej nauki o biodegradowalnych tworzywach sztucznych . Princeton: Princeton University Press. ISBN 978-0-691-04967-0 . OCLC 47162140 .
  • Biodegradowalność tworzyw sztucznych w otwartym środowisku (kompleksowy przegląd dowodów przez Unię Europejską, 2021)
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Biodegradable_plastic&oldid=1138262022 ”