Biopolymerer: Egenskaber, forarbejdning og anvendelser

Biopolymerer er naturligt forekommende polymerer, som produceres af levende organismer. De adskiller sig fra syntetiske bionedbrydelige polymerer.

Der har været stigende bekymring over de negative virkninger af miljøforurening fra fossile brændstoffer og affald fra petrokemiske produkter. Der er blevet forsket meget i andre alternativer til oliebaserede produkter, som er fornyelige og biologisk nedbrydelige og dermed udgør en mindre risiko for miljøet. Biopolymerer er en af disse mulige løsninger på problemet, fordi de typisk er biologisk nedbrydelige materialer, der er fremstillet af fornyelige råmaterialer. Det skal dog bemærkes, at det ikke er alle bionedbrydelige polymerer, der er biopolymerer (dvs. fremstillet af vedvarende ressourcer). Som man kan forvente, er der udfordringer i forbindelse med biopolymerer, f.eks. deres begrænsede produktionshastighed, produktionsomkostningerne og deres egenskabers egnethed.

Nogle af de første moderne biomaterialer fremstillet af naturlige biopolymerer omfatter gummi, linoleum, celluloid og cellofan. De to sidstnævnte er fremstillet af cellulose, som er det mest naturligt forekommende biopolymer og det mest forekommende organiske materiale på Jorden, idet det udgør en tredjedel af alt plantemateriale. Siden midten af det 20. århundrede er disse menneskeskabte biopolymerer stort set alle blevet erstattet med petrokemisk baserede materialer. På grund af voksende økologiske bekymringer nyder biopolymerer imidlertid fornyet interesse fra det videnskabelige samfund, industrisektoren og endda i politik .

I denne artikel vil du lære om:

• Biopolymerers egenskaber
• Produktion og forarbejdning af biopolymerer
• Anvendelsesmuligheder for biopolymerer
• Eksempler på biopolymerer
• Den fremtiden for biopolymerer

Biopolymerers egenskaber

Den største interesse for biopolymerer er at erstatte mange af de dagligdags produkter, der er fremstillet af olieprodukter. Det betyder, at de skal udvise lignende, hvis ikke bedre egenskaber end de materialer, de erstatter, for at gøre dem egnede til de forskellige anvendelser, som de skal bruges til. En stor del af målingerne af biopolymerers egenskaber varierer på grund af faktorer som f.eks. polymerisationsgrad, type og koncentration af additiver og tilstedeværelsen af forstærkningsmaterialer. Oplysningerne om biopolymerers egenskaber er ikke så omfattende som for traditionelle polymerer, men der findes stadig en betydelig dybdegående undersøgelse af deres fysiske, mekaniske og termiske egenskaber.

Visse biopolymerer er blevet identificeret som værende i besiddelse af elektronisk og ionisk ledningsevne og er derfor blevet kaldt elektroaktive biopolymerer (EABP). Dette har givet dem potentiale til at erstatte andre syntetiske materialer. Disse biopolymerer, som omfatter stivelse, cellulose, chitosan og pektin, udviser en bred elektrisk ledningsevne på mellem 10-3 og 10-14 S/cm .

Tabel 1. Fysiske, mekaniske og termiske egenskaber for nogle kommercielle biopolymerer.

(Du kan også sammenligne disse materialer visuelt på Matmatch-sammenligningssiden)

Biopolymer	Densitet ved 20 °C	Trækstyrke ved 20 °C	Fleksionsmodul ved 20 °C	Smeltepunkt	Længdeforlængelse ved 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 %
Extrudr Træfilamenter	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 %

Produktion og forarbejdning af biopolymerer

Der findes mange forskellige metoder og teknikker, der anvendes til fremstilling af biopolymerer. Da de fleste af disse polymerer allerede findes i naturen eller produceres af naturlige organismer, er disse processer ofte et spørgsmål om udvinding efterfulgt af syntese. De kan omfatte en kombination af fermentering, filtrering, sammensætning/granulering, hydrolyse, esterificering, polykondensering, oxidation og dehydrering. Nedenfor er vist et eksempel på den produktionsproces, der indgår i fremstillingen af polybutylensuccinat (PBS).

Figur 1. Procesvej til fremstilling af polybutylensuccinat (PBS) med biobaseret succinsyre (PBS bb SCA) .

Anvendelser af biopolymerer

Biopolymerer anvendes i mange industrielle anvendelser samt til fødevareemballage, kosmetik og medicin . De kan erstatte traditionelle oliebaserede plastmaterialer i mange anvendelser. Nogle biopolymerer er også blevet anvendt til specifikke formål, som andre plastmaterialer ikke ville være egnede til, f.eks. til fremstilling af kunstigt væv. Disse anvendelser kan kræve biokompatible og bionedbrydelige materialer med følsomhed over for ændringer i pH-værdien samt fysisk-kemiske og termiske udsving .

Biopolymerer har generelt ofte dårlige mekaniske egenskaber, kemisk modstandsdygtighed og forarbejdningsmuligheder i forhold til syntetiske polymerer. For at gøre dem mere egnede til specifikke anvendelser kan de forstærkes med fyldstoffer, som drastisk forbedrer disse egenskaber. Biopolymerer, der er blevet forstærket på denne måde, kaldes biopolymerkompositter. Nedenstående tabel er en oversigt over nogle almindelige biopolymerkompositter, deres egenskaber og de industrier, hvor de allerede anvendes i vid udstrækning.

Tabel 2. Oversigt over produktionsmetoder, egenskaber og anvendelser af biopolymerkompositter .

Matrix/Fyldstof	Fremstillingsmetode	Egenskaber	Anvendelser
PLA/PEG/Chit	Ekstrusion	Lav stiffness/ Høj fleksibilitet	Knogler & dentalimplantater fødevareemballage
PLA/Cellulose	Extrusion/injektion	Forbedret stivhed &biologisk nedbrydelighed	Pakning, bilindustrien
PLA/ kartoffelmasse	Ekstrudering/indsprøjtning	Lav stivhed & duktilitet, god forarbejdbarhed	Fødevareemballage
PLA/MgO	Løsningsstøbning	forbedret stabilitet og bioaktivitet	Medicinske implantater, vævsteknologi, ortopædisk udstyr
PHB/træsavsmuldsfibre	Ekstrusion	forbedret nedbrydelighed i jord	Landbrug eller planteskole
PHBV/TPU/cellulose	Ekstrusion/injektion	Balanceret varmebestandighed, stivhed, og sejhed	Fødevareemballage vævsteknik
Nanocellulose/CNT	Støbegodsformning	God elektrisk ledningsevne	Superkondensator, sensorer
Gummi/kartoffelstivelse	Rulleblanding	Accelereret termisk ældning	Vibrationsisolatorer, støddæmpere, elektriske komponenter
Kartoffelstivelse/hvedegluten	Kompressionsstøbning	Forbedret maksimal stress &udstrækbarhed	Udvikling af bio-baseret plast
Alginat/cinnamonolie	Løsningsstøbning	God antibakteriel aktivitet	Aktive emballagematerialer
PVA/Chitosan	Elektro-spinning	God kemisk stabilitet	Middelemballage til levering af lægemidler til fødevarer
PPC/TPU	Smelteforbindelse	God termisk stabilitet & stivhed	Anvendelser inden for elektronisk emballage

Eksempler på biopolymerer

Biopolymerer kan groft sagt inddeles i tre kategorier baseret på deres monomeriske enheder og struktur:

• Polynucleotider: DNA (desoxyribonukleinsyre) og RNA (ribonukleinsyre)
• Polysaccharider: cellulose, chitosan, chitin osv.
• Polypeptider: kollagen, gelatine, gluten, valle osv.
• Polypeptider: kollagen, gelatine, gluten, valle osv.

Biopolymerer kan også kategoriseres efter andre kriterier som f.eks. deres grundmaterialer (animalske, vegetabilske eller mikrobielle), deres bionedbrydelighed, deres syntesevej, deres anvendelsesmuligheder eller deres egenskaber.

Eksempler på nogle kommercielt fremstillede biopolymerer omfatter :

• Biobaserede polyestere som f.eks. polymælkesyre (PLA), polyhydroxybutyrat (PHB), polybutylensuccinat (PBS), polybutylensuccinatadipat (PBSA), polytrimethylenterephthalat (PTT)
• Biobaserede polyolefiner som f.eks. polyethylen (Bio-PE)
• Biobaserede polyamider (Bio-PA) som f.eks. homopolyamider (Bio-PA 6, Bio-PA 11) og copolyamider (Bio-PA 4.10 – Bio-PA 5.10 – Bio-PA 6.10, Bio-PA 10.10)
• Polyurethaner som Bio-PUR
• Polysaccharidpolymerer som cellulosebaserede polymerer (regenereret cellulose, cellulosediacetat) og stivelsesbaserede polymerer (termoplastisk stivelse, stivelsesblandinger)

Fremtiden for biopolymerer

Figuren nedenfor viser stigningen i produktionen af biobaserede polymerer mellem 2017 og det, der forventes at være tilfældet i 2022. Endvidere forventes det, at bionedbrydelige biopolymerer vil udgøre en større procentdel af biopolymerproduktionen i de kommende år. Det er tydeligt at se, at produktionen af biopolymerer er på en opadgående bane. Selv om der er lang vej igen, hvis den skal tage over for olieprodukter, forventes produktionen at stige fra 2,27 mio. tons i 2017 til 4,31 mio. tons i 2022. Dette er i hvert fald delvist et resultat af den offentlige efterspørgsel og statslige bestemmelser, som fortsat vil have en betydelig indflydelse.

Figur 2. Produktionskapacitet for bioplast i den nye økonomi efter materialetype .