Bioplastika in njeno mesto
Transcription
Bioplastika in njeno mesto
www.plastice.org BIOPLASTIKA Seminar za industrijo Celje, Poslovna stvaba RITS, 20. mar. 2012 Andrej Kržan, Kemijski Inštitut, Ljubljana [email protected] 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!