Получение биопластика из картофельного крахмала
ART 971108
Авторы:
А.
К. Аракелян, А.
О. Серебренникова
А.
К. Аракелян, А.
О. Серебренникова Библиографическое описание статьи для цитирования:
Аракелян
А.
К.,
Серебренникова
А.
О. Получение биопластика из картофельного крахмала // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2017. – Т. 39. – С.
3906–3910. – URL:
http://e-koncept.ru/2017/971108.htm.
Аннотация. В последние годы биополимеры приобретают все большее значение в сфере производства расходных и упаковочных материалов. Хотя их история ведет свой отсчет с середины XX века, масштабный интерес к этим материалам стал проявляться совсем недавно. В процесс теоретических исследований и прикладного изучения их свойств вовлечены самые разные группы: научно-исследовательские учреждения, производственные предприятия, профессиональные технологи и дизайнеры, средства массовой информации, а также общественные организации, представляющие интересы потребителей. Причин для пристального внимания много: высокая конкуренция на рынке традиционных полимеров из углеводородного сырья, периодические скачки цен на нефтепродукты, общая обеспокоенность вопросами экологии, утилизации отходов, эффективного вторичного использования ресурсов и т. д.
Текст статьи
Аракелян Анжелика Каджиковна, студент «Донского Государственного Технического университета», г.РостовнаДону
Серебренникова Анастасия Олеговна,студент «Донского Государственного Технического университета», г.РостовнаДонуserebrennikova.arakelyan.2017@mail.ru
Научный руководитель: Новикова Анастасия Александровна
Получение биопластика из картофельного крахмала
Аннотация.В последние годы биополимеры приобретают все большее значение в сфере производства расходных и упаковочных материалов. Хотя их история ведет свой отсчет с середины 20го века, масштабный интерес к этим материалам стал проявляться совсем недавно. В процесс теоретических исследований и прикладного изучения их свойств вовлечены самые разные группы: научноисследовательские учреждения, производственные предприятия, профессиональные технологи и дизайнеры, средства массовой информации, а такжеобщественные организации, представляющие интересы потребителей.Причин для пристального внимания много: высокая конкуренция на рынке традиционных полимеров из углеводородного сырья, периодические скачки цен на нефтепродукты, общая обеспокоенность вопросами экологии, утилизации отходов, эффективного вторичного использования ресурсов и т.д.Ключевые слова: биополимерная пленка, вопросы экологии, утилизация.
Большинство известных сегодня полимеров изготавливаются из нефти, угля или газа. Как следствие, при синтезе или переработке выделяется огромное количество углекислоты в качестве побочногопродукта. Огромные выбросы СО2негативно сказываются на общей экологической обстановке на планете, разрушая озон и приводя к увеличению парниковых газов. Параллельно ежегодно увеличивается не только выпуск известных полимеров, но на их основе синтезируются новые материалы, нуждающиеся в не обновляемых ресурсах, так называемый биопластик. Биоразлагаемые пластики можно перерабатывать с помощью большинства стандартных технологий производства пластмасс, включая горячее формование, экструзию, литьевое и выдувное формование. Полностью биоразрушаемые пластики производят также из природного сахаросодержащего сырья. В ходе многочисленных экспериментов по их производству использовали самые разные растения от картофеля, пшеницы, бобовых, подсолнечника, сахарной свеклы до древесины тополя и осины. Одни оказались непригодными, а другие, такие как пшеница, кукуруза, сахарная свекла, весьма перспективными. [1]Двумя основными критериями, положенными в основу первого уровня классификации и разделяющими одни группы материалов от других, являются, вопервых, тип применяемого для их производства сырья (соответственно, возобновляемое сырье и ископаемое), а вовторых, их способность подвергатьсясамопроизвольному распаду в природной среде, то есть биодеградации. Согласно этим критериям все пластики можно разделить на четыре группы.Группа 1.Небиоразлагаемые пластики из ископаемого сырья. Это, собственно, все «традиционные» крупнотоннажные полимеры, хорошо знакомые в нефтехимии: полиэтилены, полипропилен, ПВХ, полиэтилентерефталат, полистиролы, полибутилентерефталат, поликарбонаты, полиуретаны и т. п.Группа 2.Биоразлагаемые пластики изископаемого сырья. Это полностью синтетические материалы, получаемые традиционными методами нефтехимической промышленности из вполне классического углеводородного сырья, однако способные в силу своих структурных особенностей подвергаться биодеградации. Это в первую очередь полибутираты (если точнее, сополимеры адипиновой кислоты, диметилтерефталата и 1,4бутандиола; общепринятая аббревиатура PBAT), полибутиленсукцинаты (PBS), поливиниловый спирт (PVAL), поликапролактоны (PCL) и полигликолевая кислота (PGA). К этой группе с очень большими оговорками можно отнести традиционные пластики, модифицированные с помощью промоторов деполимеризации (Группа 2а), либо полученные с введением нестойких к гидролизу сополимеров (Группа 2б). Эта подгруппа в настоящее время почти полностью представлена модифицированным ПЭТФ, где в качестве сополимера используется, например, PBAT.Группа 3. Небиоразлагаемые пластики из природного сырья. В эту группу включаются главным образом «классические» пластики типа полиэтиленов, ПВХ или терефталевых полиэфиров (ПЭТФ или ПБТФ), сырье для которых полностью или частично получается из биомассы. Это биоэтилен и производимый из него биомоноэтиленгликоль, а также био1,4бутандиол и моноэтиленгликоль прямого брожения сахаров. Сюда же можно отнести такой материал, как полиамид11, который производится из растительного масла, но не является биоразлагаемым.Группа 4. Биоразлагаемыепластики из природного сырья. Сюда относятся «стопроцентные» биопластики. Однако эта группа оказывается слишком обширной и запутанной структурно без введения дополнительного разграничивающего критерия. В нашей системе классификации таким дополнительным критерием является способ получения полимера. В соответствии с этим параметров мы выделяем следующие подгруппы (далее для простоты изложения называемые группами):Подгруппа 4а. Биоразлагаемые пластики из природного сырья; полимерная цепь образуется в природебез участия человека. Эта группа охватывает такие вещества, которые являются полимерами «от природы», а задачи их производства сводятся или к выделению таких полимеров из биосырья, или модификации их структуры без сборки полимерной цепи. Яркие представители этой группы —биополимеры на основе крахмала, модифицированной целлюлозы.Подгруппа 4б. Биоразлагаемые пластики из природного сырья; полимерная цепь образуется в ходе жизнедеятельности микроорганизмов в контролируемой среде. Эта группа включает целое семейство полимеров с общим названием полигидроксиалканоаты (PHA), которые образуются в ходе жизнедеятельности бактерий.Подгруппа 4в. Биоразлагаемые пластики из природного сырья; в ходе биологического процесса образуется мономер, а сборка полимера осуществляется химическим путем. Яркий пример веществ этой группы —хорошо известная полимолочная кислота (PLA).
Наиболее логичный путь к получению биоразлагаемых пластиков для человека —предоставить природе возможность самой их производить. Таким образом получаются биопластики группы 4а.[6]По комплексу свойств биоразлагаемыепластики в целом малопригодны для изготовления деталей, испытывающих ударные нагрузки и вообще эксплуатируемых под напряжением. К числу основных применений биоразлагаемых пластмасс относится упаковка пищевых продуктов. Контейнеры, пленки и пеноматериалы, изготовленные из таких полимеров, используются для упаковки мяса, молочных продуктов, выпечки и других продуктов. Другим наиболее распространенным применением являются одноразовые бутылки и стаканчики для воды, молока, соков и прочих напитков, тарелки, миски и поддоны. Еще одним рынком сбыта для таких материалов является производство мешков для сбора и компостирования пищевых отходов, а также пакетов для супермаркетов. Развивающимся применением этих полимеров является рынок сельскохозяйственных пленок, применяемых в том числе для мульчирования почвы.[5]
Рис. 1. Объемы производства биоразлагаемых полимеров стремительно выросли за последние годы.
Биоразложение –это распад химических соединений (из которых состоит любое вещество) вследствие жизнедеятельности микроорганизмов на более простые устойчивые элементы –воду, углекислый газ, метан, минеральные соли и т.п. Эти процессы могут происходить какв присутствие, так и в отсутствие кислорода. В процессе биоразложения упаковочные пакеты, мешки, стрейчпленка и пищевая пленка разрушаются, а вместо нее образуются простые химические соединения и новая биомасса.[4]Биологический распад, как правило, протекает при определенных условиях: температуре, влажности, наличии в окружающей среде активных химических элементов и т.д. Разработаны соответствующие методики для исследования процессов разложения биополимеров. Это имеет большое практическое значение, ведь пакеты, скотч и пищевая пленка далеко не всегда централизованно утилизируется в специально отведенных местах (последствия в виде спонтанно возникших свалок можно увидеть и в городе, и на природе). Современные биополимеры вместо загрязнения природы должны способствовать удобрению почвы. В европейских странах, США, Японии (а с недавних пор и в России) действуют специальные стандарты, регламентирующие вопросы биоразложения пластиковых упаковки. В течение полугодового срока упаковочные материалы должны трансформироваться в воду, углекислый газ и обычный гумус (основной компонент почвы). В компосте должны отсутствовать опасные химические соединения и тяжелые металлы, а содержание исходного пластика не может превышать 10%. При соблюдении этих условий материал сертифицируется как биоразлагаемый (пригодный для компостирования).[2]Основные преимущества биополимеров:Сохранение природных ресурсов.Возможность безопасной переработки и вторичного использования (в том числе для получения энергии и высококачественного компоста).Снижение углеродного следа в мировом масштабе.Отсутствие зависимости от стратегических ресурсов –нефти и природного газа.В перспективе жизненного цикла биоразлагаемые полимеры обладают значительными возможностями для извлечения прибыли, отвлекая отходы с мусорных свалок, куда сегодня свозится около 80% пластиковых отходов, на производство полностью возобновляемых ресурсов в форме энергии или удобрений, которые в дальнейшем также могут быть переработаны в земле и промышленных установках, закрывая тем самым углеродный цикл.По данным европейский исследований, полимеры на основе крахмала обеспечивают экономию энергии и выбросов от 12 до 40 Дж на тонну пластика и 0,83,2 тонны выбросов СО2на каждую тонну пластика в сравнении с одной тонной полиэтилена, полученного из органического топлива. В отношении альтернативных пластиков на основе масляных зерен, экономия выбросов парниковых газов в эквиваленте СО2оценивается в размере 1,5 тонн на тонну полиола, изготовленного из рапсового масла. Национальный институт стандартов (NIST) недавно завершил работу по изучению материальнопроизводственных запасов жизненного цикла двух новых соевых полиолов (одного из основных компонентов главной цепи полиуретановых полимеров). Полиолы на соевой основе проявили лишь четвертую часть экологического эффекта, который оказывают полиолы на основе нефти. Было зарегистрировано значительное снижение уровня глобального потепления, образования смога, экологической токсичности и сокращение органического топлива.[3]Главным драйвером для развития в мире биоразлагаемой упаковки служит законодательная база, которая и стимулирует производителей пищевых продуктов и ретейлеров использовать эту упаковку. В нашей стране производственная отрасль, а также продажи биоразлагаемой упаковки всё ещё находится на начальном этапе. Только немногие производственные фирмы, которые специализируются на производстве упаковки, предлагают сегодня в России биоразлагаемый полиэтилен. При условии, что перспективы участники рынка оценивают хорошо, и строят большие планы относительно его освоения. Спрос на биологичекую упаковку в стране формируют розничные сети сегмента, преследуя этим имиджевые цели.
Ссылки на источники1.Суворова, А. И. Биоразлагаемыеполимерные материалы на основе крахмала/ А. И. Суворова, И. С. Тюкова, Е. И. Труфанова // Успехи химии. –2000. –Т. 69,№ 5. –С. 494–504.2.Лешина, А. Пластики биологического происхождения / А. Лешина // Химия и жизнь. –2012. –№ 9. –Режим доступа: http://elementy.ru/lib/431802. –Дата доступа: 03.03.2015.3.Власова, Г. Биоразлагаемые пластики в индустрии упаковки / Г. Власова, А. Макаревич. –Режим доступа: http://www. himhelp.ru/section30 section125/1109.html. –Дата доступа: 03.03.2015.4.Averous, L. Biodegradable Multiphase Systems Based on Plasticized Starch: Review/ L. Averous // J. Macromolecular Science. –2004. –Vol. 44, № 4. –P. 231–274.5.Wang, X.L. Properties of Starch Blends With Biodegradable Polymers / X.L.Wang,K.K.Yang, Y.Zh. Wang // Macromolecular Science. –2003. –Vol. 43, № 3. –P. 385–409.6.http://revolution.allbest.ru/ecology/00539585_0.html
Серебренникова Анастасия Олеговна,студент «Донского Государственного Технического университета», г.РостовнаДонуserebrennikova.arakelyan.2017@mail.ru
Научный руководитель: Новикова Анастасия Александровна
Получение биопластика из картофельного крахмала
Аннотация.В последние годы биополимеры приобретают все большее значение в сфере производства расходных и упаковочных материалов. Хотя их история ведет свой отсчет с середины 20го века, масштабный интерес к этим материалам стал проявляться совсем недавно. В процесс теоретических исследований и прикладного изучения их свойств вовлечены самые разные группы: научноисследовательские учреждения, производственные предприятия, профессиональные технологи и дизайнеры, средства массовой информации, а такжеобщественные организации, представляющие интересы потребителей.Причин для пристального внимания много: высокая конкуренция на рынке традиционных полимеров из углеводородного сырья, периодические скачки цен на нефтепродукты, общая обеспокоенность вопросами экологии, утилизации отходов, эффективного вторичного использования ресурсов и т.д.Ключевые слова: биополимерная пленка, вопросы экологии, утилизация.
Большинство известных сегодня полимеров изготавливаются из нефти, угля или газа. Как следствие, при синтезе или переработке выделяется огромное количество углекислоты в качестве побочногопродукта. Огромные выбросы СО2негативно сказываются на общей экологической обстановке на планете, разрушая озон и приводя к увеличению парниковых газов. Параллельно ежегодно увеличивается не только выпуск известных полимеров, но на их основе синтезируются новые материалы, нуждающиеся в не обновляемых ресурсах, так называемый биопластик. Биоразлагаемые пластики можно перерабатывать с помощью большинства стандартных технологий производства пластмасс, включая горячее формование, экструзию, литьевое и выдувное формование. Полностью биоразрушаемые пластики производят также из природного сахаросодержащего сырья. В ходе многочисленных экспериментов по их производству использовали самые разные растения от картофеля, пшеницы, бобовых, подсолнечника, сахарной свеклы до древесины тополя и осины. Одни оказались непригодными, а другие, такие как пшеница, кукуруза, сахарная свекла, весьма перспективными. [1]Двумя основными критериями, положенными в основу первого уровня классификации и разделяющими одни группы материалов от других, являются, вопервых, тип применяемого для их производства сырья (соответственно, возобновляемое сырье и ископаемое), а вовторых, их способность подвергатьсясамопроизвольному распаду в природной среде, то есть биодеградации. Согласно этим критериям все пластики можно разделить на четыре группы.Группа 1.Небиоразлагаемые пластики из ископаемого сырья. Это, собственно, все «традиционные» крупнотоннажные полимеры, хорошо знакомые в нефтехимии: полиэтилены, полипропилен, ПВХ, полиэтилентерефталат, полистиролы, полибутилентерефталат, поликарбонаты, полиуретаны и т. п.Группа 2.Биоразлагаемые пластики изископаемого сырья. Это полностью синтетические материалы, получаемые традиционными методами нефтехимической промышленности из вполне классического углеводородного сырья, однако способные в силу своих структурных особенностей подвергаться биодеградации. Это в первую очередь полибутираты (если точнее, сополимеры адипиновой кислоты, диметилтерефталата и 1,4бутандиола; общепринятая аббревиатура PBAT), полибутиленсукцинаты (PBS), поливиниловый спирт (PVAL), поликапролактоны (PCL) и полигликолевая кислота (PGA). К этой группе с очень большими оговорками можно отнести традиционные пластики, модифицированные с помощью промоторов деполимеризации (Группа 2а), либо полученные с введением нестойких к гидролизу сополимеров (Группа 2б). Эта подгруппа в настоящее время почти полностью представлена модифицированным ПЭТФ, где в качестве сополимера используется, например, PBAT.Группа 3. Небиоразлагаемые пластики из природного сырья. В эту группу включаются главным образом «классические» пластики типа полиэтиленов, ПВХ или терефталевых полиэфиров (ПЭТФ или ПБТФ), сырье для которых полностью или частично получается из биомассы. Это биоэтилен и производимый из него биомоноэтиленгликоль, а также био1,4бутандиол и моноэтиленгликоль прямого брожения сахаров. Сюда же можно отнести такой материал, как полиамид11, который производится из растительного масла, но не является биоразлагаемым.Группа 4. Биоразлагаемыепластики из природного сырья. Сюда относятся «стопроцентные» биопластики. Однако эта группа оказывается слишком обширной и запутанной структурно без введения дополнительного разграничивающего критерия. В нашей системе классификации таким дополнительным критерием является способ получения полимера. В соответствии с этим параметров мы выделяем следующие подгруппы (далее для простоты изложения называемые группами):Подгруппа 4а. Биоразлагаемые пластики из природного сырья; полимерная цепь образуется в природебез участия человека. Эта группа охватывает такие вещества, которые являются полимерами «от природы», а задачи их производства сводятся или к выделению таких полимеров из биосырья, или модификации их структуры без сборки полимерной цепи. Яркие представители этой группы —биополимеры на основе крахмала, модифицированной целлюлозы.Подгруппа 4б. Биоразлагаемые пластики из природного сырья; полимерная цепь образуется в ходе жизнедеятельности микроорганизмов в контролируемой среде. Эта группа включает целое семейство полимеров с общим названием полигидроксиалканоаты (PHA), которые образуются в ходе жизнедеятельности бактерий.Подгруппа 4в. Биоразлагаемые пластики из природного сырья; в ходе биологического процесса образуется мономер, а сборка полимера осуществляется химическим путем. Яркий пример веществ этой группы —хорошо известная полимолочная кислота (PLA).
Наиболее логичный путь к получению биоразлагаемых пластиков для человека —предоставить природе возможность самой их производить. Таким образом получаются биопластики группы 4а.[6]По комплексу свойств биоразлагаемыепластики в целом малопригодны для изготовления деталей, испытывающих ударные нагрузки и вообще эксплуатируемых под напряжением. К числу основных применений биоразлагаемых пластмасс относится упаковка пищевых продуктов. Контейнеры, пленки и пеноматериалы, изготовленные из таких полимеров, используются для упаковки мяса, молочных продуктов, выпечки и других продуктов. Другим наиболее распространенным применением являются одноразовые бутылки и стаканчики для воды, молока, соков и прочих напитков, тарелки, миски и поддоны. Еще одним рынком сбыта для таких материалов является производство мешков для сбора и компостирования пищевых отходов, а также пакетов для супермаркетов. Развивающимся применением этих полимеров является рынок сельскохозяйственных пленок, применяемых в том числе для мульчирования почвы.[5]
Рис. 1. Объемы производства биоразлагаемых полимеров стремительно выросли за последние годы.
Биоразложение –это распад химических соединений (из которых состоит любое вещество) вследствие жизнедеятельности микроорганизмов на более простые устойчивые элементы –воду, углекислый газ, метан, минеральные соли и т.п. Эти процессы могут происходить какв присутствие, так и в отсутствие кислорода. В процессе биоразложения упаковочные пакеты, мешки, стрейчпленка и пищевая пленка разрушаются, а вместо нее образуются простые химические соединения и новая биомасса.[4]Биологический распад, как правило, протекает при определенных условиях: температуре, влажности, наличии в окружающей среде активных химических элементов и т.д. Разработаны соответствующие методики для исследования процессов разложения биополимеров. Это имеет большое практическое значение, ведь пакеты, скотч и пищевая пленка далеко не всегда централизованно утилизируется в специально отведенных местах (последствия в виде спонтанно возникших свалок можно увидеть и в городе, и на природе). Современные биополимеры вместо загрязнения природы должны способствовать удобрению почвы. В европейских странах, США, Японии (а с недавних пор и в России) действуют специальные стандарты, регламентирующие вопросы биоразложения пластиковых упаковки. В течение полугодового срока упаковочные материалы должны трансформироваться в воду, углекислый газ и обычный гумус (основной компонент почвы). В компосте должны отсутствовать опасные химические соединения и тяжелые металлы, а содержание исходного пластика не может превышать 10%. При соблюдении этих условий материал сертифицируется как биоразлагаемый (пригодный для компостирования).[2]Основные преимущества биополимеров:Сохранение природных ресурсов.Возможность безопасной переработки и вторичного использования (в том числе для получения энергии и высококачественного компоста).Снижение углеродного следа в мировом масштабе.Отсутствие зависимости от стратегических ресурсов –нефти и природного газа.В перспективе жизненного цикла биоразлагаемые полимеры обладают значительными возможностями для извлечения прибыли, отвлекая отходы с мусорных свалок, куда сегодня свозится около 80% пластиковых отходов, на производство полностью возобновляемых ресурсов в форме энергии или удобрений, которые в дальнейшем также могут быть переработаны в земле и промышленных установках, закрывая тем самым углеродный цикл.По данным европейский исследований, полимеры на основе крахмала обеспечивают экономию энергии и выбросов от 12 до 40 Дж на тонну пластика и 0,83,2 тонны выбросов СО2на каждую тонну пластика в сравнении с одной тонной полиэтилена, полученного из органического топлива. В отношении альтернативных пластиков на основе масляных зерен, экономия выбросов парниковых газов в эквиваленте СО2оценивается в размере 1,5 тонн на тонну полиола, изготовленного из рапсового масла. Национальный институт стандартов (NIST) недавно завершил работу по изучению материальнопроизводственных запасов жизненного цикла двух новых соевых полиолов (одного из основных компонентов главной цепи полиуретановых полимеров). Полиолы на соевой основе проявили лишь четвертую часть экологического эффекта, который оказывают полиолы на основе нефти. Было зарегистрировано значительное снижение уровня глобального потепления, образования смога, экологической токсичности и сокращение органического топлива.[3]Главным драйвером для развития в мире биоразлагаемой упаковки служит законодательная база, которая и стимулирует производителей пищевых продуктов и ретейлеров использовать эту упаковку. В нашей стране производственная отрасль, а также продажи биоразлагаемой упаковки всё ещё находится на начальном этапе. Только немногие производственные фирмы, которые специализируются на производстве упаковки, предлагают сегодня в России биоразлагаемый полиэтилен. При условии, что перспективы участники рынка оценивают хорошо, и строят большие планы относительно его освоения. Спрос на биологичекую упаковку в стране формируют розничные сети сегмента, преследуя этим имиджевые цели.
Ссылки на источники1.Суворова, А. И. Биоразлагаемыеполимерные материалы на основе крахмала/ А. И. Суворова, И. С. Тюкова, Е. И. Труфанова // Успехи химии. –2000. –Т. 69,№ 5. –С. 494–504.2.Лешина, А. Пластики биологического происхождения / А. Лешина // Химия и жизнь. –2012. –№ 9. –Режим доступа: http://elementy.ru/lib/431802. –Дата доступа: 03.03.2015.3.Власова, Г. Биоразлагаемые пластики в индустрии упаковки / Г. Власова, А. Макаревич. –Режим доступа: http://www. himhelp.ru/section30 section125/1109.html. –Дата доступа: 03.03.2015.4.Averous, L. Biodegradable Multiphase Systems Based on Plasticized Starch: Review/ L. Averous // J. Macromolecular Science. –2004. –Vol. 44, № 4. –P. 231–274.5.Wang, X.L. Properties of Starch Blends With Biodegradable Polymers / X.L.Wang,K.K.Yang, Y.Zh. Wang // Macromolecular Science. –2003. –Vol. 43, № 3. –P. 385–409.6.http://revolution.allbest.ru/ecology/00539585_0.html
