This project is implemented through the CENTRAL EUROPE programme co-financed by the ERDF

www.plastice.org

BIOPLASTIKA

Seminar za industrijo Celje, Poslovna stvaba RITS, 20. mar. 2012

Andrej Kržan, Kemijski Inštitut, Ljubljana

andrej.krzan@ki.si

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

Torej:

Vir je lahko obnovljiv ali neobnovljiv

Material je lahko biorazgradljiv ali nerazgradljiv

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)

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 ...)

Umetni BP po kemijski strukturi:

• Poliestri

• alifatski

• aromatski

• kopoliestri

• Poli(vinilalkohol)

• Poliamidi

• kopoliamidi

• poli(esteramidi)

• poli(aminokisline)

LAHKO IZ OBNOVLJIVIH ALI FOSILNIH SUROVIN!

• Polianhidridi

• Poliortoestri

• Polifosfazeni

• Poliuretani

• poli(esteruretani)

• Poliolefini (?)

Biorazgradljivi polimeri

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

Natureworks (ZDA)

kap. 140.000 t/a

Purac (NL)

Kingfa (Kitajska)

Biorazgradljivo

C

C

O

C

C

O

O

O

H

H

CH3

CH3

C

C

O

C

C

O

O

O

H

H

CH3

CH3

C

C

O

C

C

O

O

O

H

H

CH3

CH3

LL-Laktid

(mp 97 C)

LD-Laktid

(mp 52 C)

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...

• kontrolirano doziranje zdravilnih učinkovin

• vijaki

• suture

• tkivni inženiring

• stomatologija

• boljše zdravljenje

• ni potrebna operacija za odstranitev

• majhne količine/ visoke cene

Za biomedicinske namene

Uporaba II

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)

• biodegradacija

• fotodegradacija

• oksidacija

• termična degradacija

• degrad. zaradi stresa

...itd

Naravni krogotok snovi

Razgradnja

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 http://www.bpiworld.org/

• DIN-CERTCO / Nemčija http://www.dincertco.de/ • Biodegradable plastics society / Japonska 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

NARAVA

P

NARAVA

P CO2

CO2

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!