www.plastice.org BIOPLASTIKA Predstavitev za nevladne organizacije Ljubljana, Okoljski center, 15. feb. 2012 Andrej Kržan, Kemijski Inštitut, Ljubljana andrej.krzan@ki.si 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 CO 2
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? Brez nepotrebne uporabe / samo nujna uporaba Pravilno odlaganje in zbiranje Recikliranje, kontroliran sežig (NE na odlagališča in NE v naravo)
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) (Plastics Europe) Torej: Vir je lahko obnovljiv ali neobnovljiv Material je lahko biorazgradljiv ali nerazgradljiv Bioplastika 0.724 M ton biorazgradljiva plastika (z neobnov) 428.000 ton plastika iz obnovljivih virov (ne biodeg) 296.000 ton (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 -CH 2 -CH 2 -CH 2-100 % 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 poli(esteramidi) poli(aminokisline) Polianhidridi Poliortoestri Polifosfazeni Poliuretani poli(esteruretani) 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 L. Averous, University Strasbourg: www.biodeg.net/biomaterial.html Zbiranje organskih odpadkov, paroprepustna embalaža Mater-bi (Novamont) kap. 60.000 t/a Penjen škrob za emabaliranje
Polimlečna kislina = Polilaktid Alifatski poliester Monomer proizveden s fermentacijo Kemijska polimerizacija - kopolimeri Natureworks (ZDA) kap. 140.000 t/a Purac (NL) Kingfa (Kitajska) Biorazgradljivo O H O H H O C C CH 3 C C O O CH 3 H O C C CH 3 C C O O CH 3 H O O C C C C CH 3 O H O CH 3 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 (O 2 $$)
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 tissue engineering 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 CO 2
Respirometrija Testiranje razgradnje
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/
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 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 CO 2 CO 2 + 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! Pomagajte nam naprej!