Получение биоразлагаемого полимера из картофельного крахмала
ART 971113
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 биоразлагаемого полимера из картофельного крахмала // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2017. – Т. 39. – С.
3931–3935. – URL:
http://e-koncept.ru/2017/971113.htm.
Аннотация. В настоящее время разработка и создание композиционных полимерных материалов (КПМ) – одно из наиболее перспективных направлений современного полимерного материаловедения. Биоразлагаемые полимеры, особенно те, которые производятся из биологического сырья, составляют достаточно небольшую долю мирового рынка пластмасс. Согласно заключению недавнего отчета по разлагаемым материалам на биологической основе, выпущенного Институтом перспективных технологических исследований Европейской комиссии, доля этих материалов на рынке полимеров Европы будет составлять около 5% к 2020 г.
Текст статьи
Серебренникова Анастасия Олеговна,
студент «Донского Государственного Технического университета», г.РостовнаДону
Аракелян Анжелика Каджиковна,студент «Донского Государственного Технического университета», г.РостовнаДонуserebrennikova.arakelyan.2017@mail.ru
Научный руководитель:Новикова Анастасия Александровна,кандидат химических наук, доцент кафедры «химия» «Донского Государственного Технического университета», г.РостовнаДону
Получение биоразлагаемого полимера из картофельного крахмала
Аннотация.В настоящее время разработка и создание композиционных полимерных материалов (КПМ) –одно из наиболее перспективных направлений современного полимерного материаловедения.Биоразлагаемыеполимеры, особенно те, которые производятся из биологического сырья, составляют достаточно небольшую долю мирового рынка пластмасс. Согласно заключению недавнего отчета по разлагаемым материалам на биологической основе, выпущенного Институтом Перспективных Технологических Исследований Европейской Комиссии, доля этих материалов на рынке полимеров Европы будет составлять около 5 % к 2020 г.[2]Ключевые слова:биополимеры,экология, биотехнологии,пластик.
Биотехнологии –комплексный термин, в который обычно включают три основных направления: биомедицину, промышленные биотехнологиии и агробиотехнологии. В биомедицинском направлении можно выделить разработку новых фармацевтических препаратов, вакцин, молекулярную диагностику, клеточные технологии. Промышленные биотехнологии включают в себя промышленные процессы с использованием биологических реакторов, микробную переработку отходов, а также производство биотоплива, биодеградируемых полимеров.[7]Девяносто процентов всей пластмассы, которая когда –либо существовала на планетеЗемля, до сих пор существует, а вечное накопление мусора продолжается полным ходом. Это наносит сильный вред природе и окружающей среде, ухудшая тем самым и так плачевное положение сегодняшней экологии. Полимерная упаковка, которая выбрасывается в бытовые отходы, либо попадает на полигон и мусорные свалки, либо просто сжигается специальными мусороперерабатывающими предприятиями. Так свалки постепенно разрастаются, отнимаю площадь лесов и сельскохозяйственных угодий, а сжигание полиэтилена чрезвычайно вредно для человеческого здоровья. Всё это наносит непоправимый вред природе, а также оказывает губительное влияние на экологию и климат планеты, что в дальнейшем может стать причиной погодных аномалий и природных катастроф.[3]Существует много технологий создания биоразлагаемых полимеров. Одной из них являетсяметод получении биопластика на основе картофельного крахмала, которая позволяет полимерам распадаться в течение короткого времени на углекислый газ и воду. Она безопасна для окружающей средыи человека.Биоразлагаемая полиэтиленовая пленка может применяться для изготовления:пакетов для различных нужд;упаковок для различных продуктов питания, косметических средств;медицинских одноразовых перчаток;пленок для упаковки одежды, сигарет, книг;различных обложек на тетради, паспортаи т.п.;пленок для мульчирования в агротехнике.Биополимеры на основе крахмала имеютряд преимуществ, как в экономике страны, так и в защите окружающейсреды :Стоимостьданной продукции значительно уступает в цене нароссийском рынкебиополимеров на основемолочной кислоты, триглицеридыи т.п.Конкурентное преимущество (инновационный продукт);Разлагается без вреда для почвы ;Свойства материала и конечного изделия (прозрачность, водонепроницаемость, окрашиваемость, прочность и т. д.) сохраняются.Для потребителей тоже есть ряд плюсов в создании биоразлагаемой пленки. Вопервых, у них не возникнет необходимость отказываться от привычной упаковки в случае введения запрета на использование неразлагаемых полимеров. Вовторых, предоставляется возможность внести свой вклад в защиту экологии. Для экологии преимущества тоже очевидны. Первичное разложение происходит при любых условиях (свет, тепло, нагрузка, наличие воздуха и т. д.). Продукты разложения (углекислый газ, вода, гумус) абсолютно безопасны для человека и окружающей среды. Разлагаемая упаковка безопасна для будущих поколений.[4]1.Эксперемнтальная часть1.1 Метод получения пластиковой пленки из раствора соляной кислотыВ стакан емкостью 150 мл добавили 13 мл дистиллированной воды и 1,25 г картофельного крахмала. Затем в данный раствор добавили 0,5 мл глицерина и 2 мл 0,1 М раствора HCl. Тщательно перемешиваем и нагреваем на водяной бане 510 минут до образования вязкой массы. Далее добавляем 2 мл 0,1 М NaOH и используя индикаторную бумагупроверяем, чтобы наш образец являлся основным. Затем используем стеклянную палочку и выливаем наш образецв чашку Петри. Удаляем пузырьки воздухаи оставляем наш образец сушиться на лабораторном столе в течение нескольких дней до полного высыхания.1.2 Метод получения пластиковой пленки из раствора уксусной кислотыВ стакан емкостью 150 мл добавили 60 мл дистиллированной воды и 6 г картофельного крахмала. Затем в данный раствор добавили 5мл глицерина и 5 мл концентрированной уксусной кислоты. Тщательно перемешиваем и нагреваем на водяной бане 510 минут до образования вязкой массы. Далее добавляем 2 мл 0,1 М NaOH и используя индикаторную бумагупроверяем, чтобы наш образец являлся основным. Затем используем стеклянную палочку и выливаем наш образецв чашку Петри. Удаляем пузырьки воздухаи оставляем наш образец сушиться на лабораторном столе в течение нескольких дней до полного высыхания.2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ 2.1 Технологические параметры эксперимента.Все образцы были получены при определенных технологических параметрах. В ходе выполнения данной работы исследовалась прочность полученного нами биопластика.В результате проведения экспериментов было выявлено, что метод с соляной кислотой не является практичным, так как полученная основа для биопластика не достигла нужной консистенции, в ходе чего данный образец не был допущен для дальнейших испытаний. Это могло быть связано с концентрацией данных растворов и их объемом .2.2 Результаты, полученные методом пластиковой пленки из раствора уксусной кислоты.Крахмал состоит в основном из двух видов полисахаридов: линейной амилозы и ветвистого амилопектина.
Участок молекулы амилозы.
Участок молекулы амилопектина.
Для получения пластика намного лучше подходят линейные молекулы, именно поэтому в данном опыте присутствует уксусная кислота. Ионы в растворе способствуют гидролизу связей, соединяющих ветви амилопектина, разрывая его на множество более коротких цепочек амилозы. Эти длинные молекулы перепутываются и образуют прочные связи.[1]Такие крепкие переплетения приводят к образованию достаточно твёрдого и жёсткого пластика, Для того, чтобы обеспечить некоторое скольжение между цепочками и сделать материал достаточногибким, мы добавляем глицерин. Он выполняет роль смазки в структуре полученного пластика и делает его мягким и гибким.Преимущество уксусной кислоты в том, что она в безводном состоянии плавиться при +16,6 °С. Что приводит наш раствор к более крепкому скреплению. Обычная техническая уксусная кислота имеет концентрацию 70–80%. Температура кипения 100%й уксусной кислоты –118 °C.[5]
2.3 Испытание прочности на растяжение Аккуратно отделяем пленку от чашки Петри без создания какихлибо повреждений. Вырезаемшаблон прямоугольной формы размером 80х35 мм.Определяем цифровым штангенциркулем толщину и ширину образца в миллиметрах. Используем штатив для закрепления на верхнем конце прямоугольного образца. На нижний конец прикрепляем крюк пружинных весов и тянем вниз очень медленно до разрушения образца. Записываем показания в таблицу данных.Данный образец выдержал нагрузку в 2,4 кг. Переводим полученную массу из (кг) в (Н). gускорение свободного падения =9,8 Н/кг.2,4 кг * 9,8Н/кг=23,52 Н.Рассчитываем площадь поперечного сечения в квадратных метрах путем преобразования толщины и ширины от миллиметров до метров. Рассчитываем прочность на растяжение: �=��(МПа);Fрастягивающая нагрузка при испытании на растяжение, Н;Sплощадь Записываем в таблицу 1. S=35*80=2800�=23,520,7∗10−3∗35∗10−3= 0,94*106МПаТаблица 1
ЦветФормаРазмерыммВес,гПрочность на растяжениеМПаСинийПрямоугольнаяШиринаДлинаТолщина2,10,94*106
35800,51
Полученный биополимер будет применяться в различных отраслях ,от упаковок сельскохозяйственной продукциидо пищевых пленок. В перспективе мыбудем проводить следующие испытания:Проба плавления Температура размягченияТемпература текучести Проба на сгоранияИсследование продукта на разложенияХимическая стойкостьЭти исследования помогут нам с точность определить для каких продуктов ,без сомнения ,подойдет наш биополимер ,и не принесет вреда людям . В России, к сожалению, биополимеры пока не производятся и не применяются. Основные тому причины: ограниченная платежеспособность как предприятий, так и конечных потребителей (неготовность платить за уникальную, экологически чистую, но дорогую упаковку), недостаточное внимание к экологическим проблемам со стороны законодательных властей и неготовность вкладывать в развитие новых технологий производства полимерных материалов.[6]Наш же биопластик является дешевым , и стоит на ровне полимера на основе нефти , но биополимер в отличии от пластика не приносит вред окружающей среде ,что позволит защитить нашу планетуот ненужных химических веществ и защитить животныхот смерти, а океаны от загрязнения. Ведь по данным Комитета ООН по охране природы, ежегодно пластиковые отходы становятся причиной смерти 1 миллиона птиц, 100 тысяч морских млекопитающих и неисчислимого количества рыб.Примерно 6 миллионов 300 тысяч тонн мусора, большую часть которого составляет пластик, ежегодно сбрасывается в мировой океан.[8]
Ссылки на источники1.Ленинджер А. Основы биохимии: В 3х т. Т. 1 пер с англ. М.: Мир, 1985. 367 с., ил.2.В. П. Кушнер Биопластики.: Издательство Академии наук СССР.: 1965 г.3.Подробнее на livelib.ru:4.https://www.livelib.ru/author/550198/topvpkushner5.http://encdic.com/enc_sovet/Biopolimer112153/6.http://mirznanii.com/a/325924/biopolimery7.http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=16098.http://nsportal.ru/ap/library/drugoe/2014/11/09/issledovatelskayarabotapoekologiizhiznbezpolietilenovykhpaketov
студент «Донского Государственного Технического университета», г.РостовнаДону
Аракелян Анжелика Каджиковна,студент «Донского Государственного Технического университета», г.РостовнаДонуserebrennikova.arakelyan.2017@mail.ru
Научный руководитель:Новикова Анастасия Александровна,кандидат химических наук, доцент кафедры «химия» «Донского Государственного Технического университета», г.РостовнаДону
Получение биоразлагаемого полимера из картофельного крахмала
Аннотация.В настоящее время разработка и создание композиционных полимерных материалов (КПМ) –одно из наиболее перспективных направлений современного полимерного материаловедения.Биоразлагаемыеполимеры, особенно те, которые производятся из биологического сырья, составляют достаточно небольшую долю мирового рынка пластмасс. Согласно заключению недавнего отчета по разлагаемым материалам на биологической основе, выпущенного Институтом Перспективных Технологических Исследований Европейской Комиссии, доля этих материалов на рынке полимеров Европы будет составлять около 5 % к 2020 г.[2]Ключевые слова:биополимеры,экология, биотехнологии,пластик.
Биотехнологии –комплексный термин, в который обычно включают три основных направления: биомедицину, промышленные биотехнологиии и агробиотехнологии. В биомедицинском направлении можно выделить разработку новых фармацевтических препаратов, вакцин, молекулярную диагностику, клеточные технологии. Промышленные биотехнологии включают в себя промышленные процессы с использованием биологических реакторов, микробную переработку отходов, а также производство биотоплива, биодеградируемых полимеров.[7]Девяносто процентов всей пластмассы, которая когда –либо существовала на планетеЗемля, до сих пор существует, а вечное накопление мусора продолжается полным ходом. Это наносит сильный вред природе и окружающей среде, ухудшая тем самым и так плачевное положение сегодняшней экологии. Полимерная упаковка, которая выбрасывается в бытовые отходы, либо попадает на полигон и мусорные свалки, либо просто сжигается специальными мусороперерабатывающими предприятиями. Так свалки постепенно разрастаются, отнимаю площадь лесов и сельскохозяйственных угодий, а сжигание полиэтилена чрезвычайно вредно для человеческого здоровья. Всё это наносит непоправимый вред природе, а также оказывает губительное влияние на экологию и климат планеты, что в дальнейшем может стать причиной погодных аномалий и природных катастроф.[3]Существует много технологий создания биоразлагаемых полимеров. Одной из них являетсяметод получении биопластика на основе картофельного крахмала, которая позволяет полимерам распадаться в течение короткого времени на углекислый газ и воду. Она безопасна для окружающей средыи человека.Биоразлагаемая полиэтиленовая пленка может применяться для изготовления:пакетов для различных нужд;упаковок для различных продуктов питания, косметических средств;медицинских одноразовых перчаток;пленок для упаковки одежды, сигарет, книг;различных обложек на тетради, паспортаи т.п.;пленок для мульчирования в агротехнике.Биополимеры на основе крахмала имеютряд преимуществ, как в экономике страны, так и в защите окружающейсреды :Стоимостьданной продукции значительно уступает в цене нароссийском рынкебиополимеров на основемолочной кислоты, триглицеридыи т.п.Конкурентное преимущество (инновационный продукт);Разлагается без вреда для почвы ;Свойства материала и конечного изделия (прозрачность, водонепроницаемость, окрашиваемость, прочность и т. д.) сохраняются.Для потребителей тоже есть ряд плюсов в создании биоразлагаемой пленки. Вопервых, у них не возникнет необходимость отказываться от привычной упаковки в случае введения запрета на использование неразлагаемых полимеров. Вовторых, предоставляется возможность внести свой вклад в защиту экологии. Для экологии преимущества тоже очевидны. Первичное разложение происходит при любых условиях (свет, тепло, нагрузка, наличие воздуха и т. д.). Продукты разложения (углекислый газ, вода, гумус) абсолютно безопасны для человека и окружающей среды. Разлагаемая упаковка безопасна для будущих поколений.[4]1.Эксперемнтальная часть1.1 Метод получения пластиковой пленки из раствора соляной кислотыВ стакан емкостью 150 мл добавили 13 мл дистиллированной воды и 1,25 г картофельного крахмала. Затем в данный раствор добавили 0,5 мл глицерина и 2 мл 0,1 М раствора HCl. Тщательно перемешиваем и нагреваем на водяной бане 510 минут до образования вязкой массы. Далее добавляем 2 мл 0,1 М NaOH и используя индикаторную бумагупроверяем, чтобы наш образец являлся основным. Затем используем стеклянную палочку и выливаем наш образецв чашку Петри. Удаляем пузырьки воздухаи оставляем наш образец сушиться на лабораторном столе в течение нескольких дней до полного высыхания.1.2 Метод получения пластиковой пленки из раствора уксусной кислотыВ стакан емкостью 150 мл добавили 60 мл дистиллированной воды и 6 г картофельного крахмала. Затем в данный раствор добавили 5мл глицерина и 5 мл концентрированной уксусной кислоты. Тщательно перемешиваем и нагреваем на водяной бане 510 минут до образования вязкой массы. Далее добавляем 2 мл 0,1 М NaOH и используя индикаторную бумагупроверяем, чтобы наш образец являлся основным. Затем используем стеклянную палочку и выливаем наш образецв чашку Петри. Удаляем пузырьки воздухаи оставляем наш образец сушиться на лабораторном столе в течение нескольких дней до полного высыхания.2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ 2.1 Технологические параметры эксперимента.Все образцы были получены при определенных технологических параметрах. В ходе выполнения данной работы исследовалась прочность полученного нами биопластика.В результате проведения экспериментов было выявлено, что метод с соляной кислотой не является практичным, так как полученная основа для биопластика не достигла нужной консистенции, в ходе чего данный образец не был допущен для дальнейших испытаний. Это могло быть связано с концентрацией данных растворов и их объемом .2.2 Результаты, полученные методом пластиковой пленки из раствора уксусной кислоты.Крахмал состоит в основном из двух видов полисахаридов: линейной амилозы и ветвистого амилопектина.
Участок молекулы амилозы.
Участок молекулы амилопектина.
Для получения пластика намного лучше подходят линейные молекулы, именно поэтому в данном опыте присутствует уксусная кислота. Ионы в растворе способствуют гидролизу связей, соединяющих ветви амилопектина, разрывая его на множество более коротких цепочек амилозы. Эти длинные молекулы перепутываются и образуют прочные связи.[1]Такие крепкие переплетения приводят к образованию достаточно твёрдого и жёсткого пластика, Для того, чтобы обеспечить некоторое скольжение между цепочками и сделать материал достаточногибким, мы добавляем глицерин. Он выполняет роль смазки в структуре полученного пластика и делает его мягким и гибким.Преимущество уксусной кислоты в том, что она в безводном состоянии плавиться при +16,6 °С. Что приводит наш раствор к более крепкому скреплению. Обычная техническая уксусная кислота имеет концентрацию 70–80%. Температура кипения 100%й уксусной кислоты –118 °C.[5]
2.3 Испытание прочности на растяжение Аккуратно отделяем пленку от чашки Петри без создания какихлибо повреждений. Вырезаемшаблон прямоугольной формы размером 80х35 мм.Определяем цифровым штангенциркулем толщину и ширину образца в миллиметрах. Используем штатив для закрепления на верхнем конце прямоугольного образца. На нижний конец прикрепляем крюк пружинных весов и тянем вниз очень медленно до разрушения образца. Записываем показания в таблицу данных.Данный образец выдержал нагрузку в 2,4 кг. Переводим полученную массу из (кг) в (Н). gускорение свободного падения =9,8 Н/кг.2,4 кг * 9,8Н/кг=23,52 Н.Рассчитываем площадь поперечного сечения в квадратных метрах путем преобразования толщины и ширины от миллиметров до метров. Рассчитываем прочность на растяжение: �=��(МПа);Fрастягивающая нагрузка при испытании на растяжение, Н;Sплощадь Записываем в таблицу 1. S=35*80=2800�=23,520,7∗10−3∗35∗10−3= 0,94*106МПаТаблица 1
ЦветФормаРазмерыммВес,гПрочность на растяжениеМПаСинийПрямоугольнаяШиринаДлинаТолщина2,10,94*106
35800,51
Полученный биополимер будет применяться в различных отраслях ,от упаковок сельскохозяйственной продукциидо пищевых пленок. В перспективе мыбудем проводить следующие испытания:Проба плавления Температура размягченияТемпература текучести Проба на сгоранияИсследование продукта на разложенияХимическая стойкостьЭти исследования помогут нам с точность определить для каких продуктов ,без сомнения ,подойдет наш биополимер ,и не принесет вреда людям . В России, к сожалению, биополимеры пока не производятся и не применяются. Основные тому причины: ограниченная платежеспособность как предприятий, так и конечных потребителей (неготовность платить за уникальную, экологически чистую, но дорогую упаковку), недостаточное внимание к экологическим проблемам со стороны законодательных властей и неготовность вкладывать в развитие новых технологий производства полимерных материалов.[6]Наш же биопластик является дешевым , и стоит на ровне полимера на основе нефти , но биополимер в отличии от пластика не приносит вред окружающей среде ,что позволит защитить нашу планетуот ненужных химических веществ и защитить животныхот смерти, а океаны от загрязнения. Ведь по данным Комитета ООН по охране природы, ежегодно пластиковые отходы становятся причиной смерти 1 миллиона птиц, 100 тысяч морских млекопитающих и неисчислимого количества рыб.Примерно 6 миллионов 300 тысяч тонн мусора, большую часть которого составляет пластик, ежегодно сбрасывается в мировой океан.[8]
Ссылки на источники1.Ленинджер А. Основы биохимии: В 3х т. Т. 1 пер с англ. М.: Мир, 1985. 367 с., ил.2.В. П. Кушнер Биопластики.: Издательство Академии наук СССР.: 1965 г.3.Подробнее на livelib.ru:4.https://www.livelib.ru/author/550198/topvpkushner5.http://encdic.com/enc_sovet/Biopolimer112153/6.http://mirznanii.com/a/325924/biopolimery7.http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=16098.http://nsportal.ru/ap/library/drugoe/2014/11/09/issledovatelskayarabotapoekologiizhiznbezpolietilenovykhpaketov
