Biopolymery:

Biopolymery jsou přirozeně se vyskytující polymery, které jsou produkovány živými organismy. Liší se od syntetických biologicky odbouratelných polymerů.

Roste znepokojení nad negativními dopady znečištění životního prostředí fosilními palivy a odpady z petrochemických výrobků. Mnoho výzkumů se zaměřilo na zkoumání jiných alternativ k produktům na bázi ropy, které by byly obnovitelné i biologicky odbouratelné a představovaly tak menší riziko pro životní prostředí. Biopolymery jsou jedním z možných řešení tohoto problému, protože se obvykle jedná o biologicky odbouratelné materiály získané z obnovitelných surovin. Je však třeba poznamenat, že ne všechny biologicky rozložitelné polymery jsou biopolymery (tj. vyrobené z obnovitelných zdrojů). Jak se dalo očekávat, existují problémy spojené s biopolymery, jako je omezená míra jejich výroby, náklady na výrobu a vhodnost jejich vlastností.

Mezi první moderní biomateriály vyrobené z přírodních biopolymerů patří kaučuk, linoleum, celuloid a celofán. Poslední dva jmenované se vyrábějí z celulózy, která je nejrozšířenějším přírodním biopolymerem a nejrozšířenějším organickým materiálem na Zemi, neboť tvoří třetinu veškeré rostlinné hmoty. Od poloviny 20. století byly tyto lidmi vyrobené biopolymery prakticky všechny nahrazeny materiály na bázi petrochemie. Vzhledem k rostoucím ekologickým obavám se však biopolymery těší obnovenému zájmu vědecké komunity, průmyslového sektoru a dokonce i v politice .

V tomto článku se dozvíte o:

• Vlastnosti biopolymerů
• Výroba a zpracování biopolymerů
• Použití biopolymerů
• Příklady biopolymerů
• Příklady biopolymerů
• . budoucnost biopolymerů

Vlastnosti biopolymerů

Hlavním zájmem biopolymerů je nahradit mnoho předmětů denní potřeby, které se vyrábějí z ropných produktů. To znamená, že se od nich bude vyžadovat, aby vykazovaly podobné, ne-li lepší vlastnosti než materiály, které nahrazují, aby byly vhodné pro různé aplikace, k nimž se budou používat. Velká část měření vlastností biopolymerů má odchylky způsobené faktory, jako je stupeň polymerizace, typ a koncentrace přísad a přítomnost zpevňujících materiálů. Informace o vlastnostech biopolymerů nejsou tak rozsáhlé jako u tradičních polymerů, ale přesto existuje značná hloubka zkoumání jejich fyzikálních, mechanických a tepelných vlastností .

U některých biopolymerů bylo zjištěno, že mají elektronickou a iontovou vodivost, a proto byly označeny jako elektroaktivní biopolymery (EABP). Díky tomu mají potenciál nahradit jiné syntetické materiály. Tyto biopolymery, mezi něž patří škrob, celulosa, chitosan a pektin, vykazují široký rozsah elektrické vodivosti mezi 10-3 a 10-14 S/cm .

Tabulka 1. Fyzikální, mechanické a tepelné vlastnosti některých komerčních biopolymerů.

(Tyto materiály můžete také vizuálně porovnat na srovnávací stránce Matmatch)

Biopolymer	Hustota při 20 °C	Pevnost v tahu při 20 °C	Modul pružnosti v ohybu při 20 °C	Teplota tání	Prodloužení při 20 °C
PLA Luminy® LX530	1.24 g/cm³	50 MPa	N/A	165 °C	5 %
TYÜP BMF 990	1.26 – 1.3 g/cm³	40 MPa	N/A	110 -. 120 °C	300 %
NuPlastiQ®BC 27240	1.3 g/cm³	12MPa	0.24 GPa	140 – 160 °C	272 %
Vlákna z extrudovaného dřeva	1.23 g/cm³	40 MPa	3.2 GPa	150 – 170 °C	N/A
EVO 719	1.3 g/cm³	40 MPa	2 GPa	140 °C	30 %
Injicera CHX 0113	1.11 g/cm³	14 MPa	0.48 GPa	165 °C	59 %
CR1 1013	1,1 g/cm³	9 MPa	4.43 GPa	132 °C	89 %

Výroba a zpracování biopolymerů

K výrobě biopolymerů se používá mnoho různých metod a technik. Vzhledem k tomu, že většina těchto polymerů již existuje v přírodě nebo je vyráběna přírodními organismy, jsou tyto procesy často záležitostí extrakce a následné syntézy. Mohou zahrnovat kombinaci některé z těchto metod: fermentace, filtrace, slučování/granulace, hydrolýza, esterifikace, polykondenzace, oxidace a dehydratace. Níže je uveden příklad výrobního procesu zapojeného do výroby polybutylensukcinátu (PBS).

Obrázek 1. Procesní cesta výroby polybutylensukcinátu (PBS) s kyselinou jantarovou na biologické bázi (PBS bb SCA) .

Použití biopolymerů

Biopolymery se používají v mnoha průmyslových aplikacích a také v potravinářských obalech, kosmetice a lékařství . V mnoha aplikacích mohou nahradit tradiční plasty na bázi ropy. Některé biopolymery se také používají pro specifická použití, pro která by jiné plasty nebyly vhodné, například při vytváření umělých tkání. Tyto aplikace mohou vyžadovat biokompatibilní a biologicky odbouratelné materiály s citlivostí na změny pH i fyzikálně-chemické a tepelné výkyvy .

Biopolymery obecně často vykazují ve srovnání se syntetickými polymery špatné mechanické vlastnosti, chemickou odolnost a zpracovatelnost. Aby byly vhodnější pro konkrétní aplikace, lze je vyztužit plnivy, která tyto vlastnosti výrazně zlepšují. Takto vyztužené biopolymery se nazývají biopolymerní kompozity. V následující tabulce je uveden přehled některých běžných biopolymerních kompozitů, jejich vlastností a průmyslových odvětví, v nichž jsou již široce používány.

Tabulka 2. Shrnutí způsobů výroby biopolymerních kompozitů, jejich vlastností a použití .

.

Matrice/plnivo	Výrobní metoda	Vlastnosti	Aplikace
PLA/PEG/Chit	Extruze	Nízká tuhost/ . Vysoká pružnost	Kostní & zubní implantáty obaly na potraviny
PLA/celulóza	Extruze/vstřikování	Zlepšená tuhost &biologická rozložitelnost	Obaly, automobilový průmysl
PLA/bramborová vláknina	Extruze/vstřikování	Nízká tuhost & tvárnost, dobrá zpracovatelnost	Obaly na potraviny
PLA/MgO	Lití do roztoku	Zvýšená stabilita a bioaktivita	Lékařské implantáty, tkáňové inženýrství, ortopedické pomůcky
PHB/vlákna z dřevěných pilin	Extruze	Zlepšená degradace v půdě	Zemědělství nebo rostlinné školky
PHBV/TPU/celulóza	Extruze/vstřikování	Vyvážená tepelná odolnost, tuhost, a houževnatost	Tkáňové inženýrství pro balení potravin
Nanocelulóza/CNT	Lévání	Dobrá elektrická vodivost	Superkondenzátor, senzory
Pryž/bramborový škrob	Válcové míchání	Urychlené tepelné stárnutí	Vibrační izolátory, držáky nárazů, elektrické součástky
Bramborový škrob/pšeničný lepek	Tlakové lisování	Zvýšená maximální roztažnost &	Vývoj bio-na bázi plastů
Alginátový/skořicový olej	Lití do roztoku	Dobrá antibakteriální aktivita	Aktivní obalové materiály
PVA/Chitosan	Elektro-zvlákňování	Dobrá chemická stabilita	Obaly na potraviny
PPC/TPU	Složení taveniny	Dobrá tepelná stabilita &. tuhost	Použití v elektronických obalech

Příklady biopolymerů

Biopolymery lze obecně rozdělit do tří kategorií na základě jejich monomerních jednotek a struktury:

• Polynukleotidy: DNA (deoxyribonukleová kyselina) a RNA (ribonukleová kyselina)
• Polysacharidy: celulóza, chitosan, chitin atd.
• Polypeptidy: kolagen, želatina, lepek, syrovátka atd.

Biopolymery lze rozdělit také podle dalších kritérií, jako jsou jejich základní materiály (živočišné, rostlinné nebo mikrobiální), jejich biologická rozložitelnost, způsob syntézy, použití nebo vlastnosti.

Mezi příklady některých komerčně vyráběných biopolymerů patří např:

• Polyestery na biologické bázi, jako je kyselina polymléčná (PLA), polyhydroxybutyrát (PHB), polybutylensukcinát (PBS), polybutylensukcinát adipát (PBSA), polytrimethylen tereftalát (PTT)
• Polyolefiny na bázi bio, jako je polyethylen (Bio-PE)
• Polyamidy na bázi bio (Bio-PA), jako jsou homopolyamidy (Bio-PA 6, Bio-PA 11) a kopolyamidy (Bio-PA 4.10 – Bio-PA 5.10 – Bio-PA 6.10, Bio-PA 10.10)
• Polyuretany, jako je Bio-PUR
• Polysacharidové polymery, jako jsou polymery na bázi celulózy (regenerovaná celulóza, diacetát celulózy) a polymery na bázi škrobu (termoplastický škrob, škrobové směsi)

Budoucnost biopolymerů

Níže uvedený obrázek ukazuje nárůst výroby polymerů na bázi bio mezi rokem 2017 a tím, co se odhaduje v roce 2022. Dále se předpokládá, že biologicky odbouratelné biopolymery budou v příštích letech tvořit větší procento výroby biopolymerů. Je zřejmé, že výroba biopolymerů je na vzestupné trajektorii. I když má před sebou ještě dlouhou cestu, pokud má převzít úlohu ropných produktů, předpokládá se, že se výroba zvýší z 2,27 milionu tun v roce 2017 na 4,31 milionu tun v roce 2022. To je přinejmenším částečně důsledkem poptávky veřejnosti a vládních nařízení, která budou mít i nadále významný vliv.

Obrázek 2. Výrobní kapacity bioplastů v nové ekonomice podle typu materiálu .