Biopolimerek:

A biopolimerek a természetben előforduló polimerek, amelyeket élő szervezetek állítanak elő. Különböznek a szintetikus, biológiailag lebomló polimerektől.

A fosszilis tüzelőanyagokból és a petrolkémiai termékekből származó hulladékból származó környezetszennyezés negatív hatásai miatt egyre nagyobb az aggodalom. Sok kutatás irányult a kőolajalapú termékek más alternatíváinak feltárására, amelyek megújuló és biológiailag lebomlóak, és így kisebb kockázatot jelentenek a környezetre. A biopolimerek az egyik ilyen lehetséges megoldást jelentik a problémára, mivel ezek jellemzően megújuló nyersanyagokból nyert, biológiailag lebomló anyagok. Meg kell azonban jegyezni, hogy nem minden biológiailag lebomló polimer biopolimer (azaz megújuló nyersanyagokból előállított). Ahogy az várható volt, a biopolimerekkel kapcsolatban vannak kihívások, mint például a termelés korlátozott mértéke, az előállítás költsége és a tulajdonságaik megfelelősége.

A természetes biopolimerekből készült első modern bioanyagok közé tartozik a gumi, a linóleum, a celluloid és a celofán. Az utóbbi kettő a cellulóz felhasználásával készült, amely a természetben legelterjedtebb biopolimer, és a Földön a legnagyobb mennyiségben előforduló szerves anyag, amely az összes növényi anyag egyharmadát teszi ki. A 20. század közepe óta ezeket az ember által előállított biopolimereket gyakorlatilag mind felváltották a petrolkémiai alapú anyagok. A növekvő ökológiai aggodalmak miatt azonban a biopolimerek iránt újra érdeklődik a tudományos közösség, az ipar, sőt még a politika is.

Ezzel a cikkel megismerkedhet:

• A biopolimerek tulajdonságai
• A biopolimerek előállítása és feldolgozása
• A biopolimerek alkalmazásai
• A biopolimerek példái
• A biopolimerek biopolimerek jövője

A biopolimerek tulajdonságai

A biopolimerek iránti fő érdeklődés a kőolajtermékekből készült számos használati tárgy helyettesítésére irányul. Ez azt jelenti, hogy hasonló, ha nem jobb tulajdonságokkal kell rendelkezniük, mint az általuk helyettesített anyagoknak, hogy alkalmasak legyenek a különböző felhasználási célokra. A biopolimerek tulajdonságainak mérései nagymértékben eltérnek az olyan tényezők miatt, mint a polimerizációs fok, az adalékanyagok típusa és koncentrációja, valamint az erősítőanyagok jelenléte. A biopolimerek tulajdonságaival kapcsolatos információk nem olyan kiterjedtek, mint a hagyományos polimerek esetében, de a fizikai, mechanikai és termikus tulajdonságok vizsgálata még mindig jelentős mélységben folyik .

Egyes biopolimerekről megállapították, hogy elektronikus és ionos vezetőképességgel rendelkeznek, ezért elektroaktív biopolimereknek (EABP) nevezik őket. Ez adta meg számukra a lehetőséget, hogy más szintetikus anyagokat helyettesítsenek. Ezek a biopolimerek, amelyek közé tartozik a keményítő, a cellulóz, a kitozán és a pektin, 10-3 és 10-14 S/cm közötti elektromos vezetőképességgel rendelkeznek.

1. táblázat. Néhány kereskedelmi forgalomban kapható biopolimer fizikai, mechanikai és termikus tulajdonságai.

(Ezeket az anyagokat vizuálisan is összehasonlíthatja a Matmatch összehasonlító oldalán)

.

Biopolimer	Sűrűség 20 °C-on	Szívószilárdság 20 °C-on. 20 °C	Flexiós modulus 20 °C-on	olvadáspont	megnyúlás 20 °C-on
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 Wood Filament	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 %

A biopolimerek előállítása és feldolgozása

A biopolimerek előállítására számos különböző módszert és technikát alkalmaznak. Mivel a legtöbb ilyen polimer már létezik a természetben, vagy természetes szervezetek állítják elő, ezek az eljárások gyakran extrakcióról, majd szintézisről szólnak. Ezek magukban foglalhatják a fermentáció, a szűrés, a vegyítés/granuláció, a hidrolízis, az észteresítés, a polikondenzáció, az oxidáció és a dehidratálás bármelyikének kombinációját. Az alábbiakban egy példa a polibutilén-szukcinát (PBS) előállítási folyamatára.

1. ábra. A polibutilén-szukcinát (PBS) előállításának folyamatútja bioalapú borostyánkősavval (PBS bb SCA) .

A biopolimerek alkalmazásai

A biopolimereket számos ipari alkalmazásban, valamint élelmiszercsomagolásban, kozmetikumokban és gyógyszerekben használják . Számos alkalmazásban helyettesíthetik a hagyományos kőolaj alapú műanyagokat. Egyes biopolimereket olyan speciális felhasználási célokra is alkalmaznak, amelyekre más műanyagok nem lennének alkalmasak, például mesterséges szövetek létrehozására. Ezek az alkalmazások biokompatibilis és biológiailag lebomló anyagokat igényelhetnek, amelyek érzékenyek a pH-változásokra, valamint a fizikai-kémiai és termikus ingadozásokra .

A biopolimerek általában a szintetikus polimerekhez képest gyakran rossz mechanikai tulajdonságokkal, kémiai ellenállással és feldolgozhatósággal rendelkeznek. Annak érdekében, hogy bizonyos alkalmazásokra alkalmasabbá tegyék őket, töltőanyagokkal erősíthetők, amelyek drasztikusan javítják ezeket a tulajdonságokat. Az ilyen módon megerősített biopolimereket biopolimer kompozitoknak nevezik. Az alábbi táblázat néhány gyakori biopolimer kompozitot, azok tulajdonságait és azokat az iparágakat foglalja össze, ahol már széles körben alkalmazzák őket.

2. táblázat. Összefoglaló a biopolimer kompozitok gyártási módszereiről, tulajdonságairól és alkalmazásairól .

.

Mátrix/töltőanyag	Készítési módszer	Tulajdonságok	Alkalmazások
PLA/PEG/Chit	Extrudálás	alacsony merevség/ . Nagy rugalmasság	Csont & fogászati implantátumok élelmiszercsomagolás
PLA/Cellulóz	Extrúzió/befecskendezés	Javított merevség &biológiai lebonthatóság	csomagolás, Autóipari
PLA/Krumplipép	Extrudálás/injektálás	alacsony merevség & alakíthatóság, jó feldolgozhatóság	Élelmiszercsomagolás
PLA/MgO	Leválasztásos öntés	Javított stabilitás és bioaktivitás	Orvosi implantátumok, szövettechnika, ortopédiai eszközök
PHB/fűrészpor szálak	Extrudálás	Javított lebomlás talajban	Mezőgazdaság vagy növénynevelés
PHBV/TPU/cellulóz	Extrudálás/befecskendezés	Kiegyensúlyozott hőállóság, merevség, és szívósság	Élelmiszercsomagolás szövettechnika
Nanocellulóz/CNT	öntés	Jó elektromos vezetőképesség	Szuperkondenzátor, érzékelők
Gumi/burgonyakeményítő	Görgőkeverés	Gyorsított termikus öregedés	Vibrációs szigetelők, ütéscsillapítók, elektromos alkatrészek
Krumplikeményítő/búza glutén	Sajtolóformázás	Megnövelt maximális feszültség &nyújthatóság	Biokeményítő és búzaglutén kifejlesztése	Sajtolóformázás	Sajtolóformázásalapú műanyagok fejlesztése
Alginát/fahéjolaj	Solution casting	jó antibakteriális aktivitás	Aktív csomagolóanyagok
PVA/Chitosan	Electro-fonás	jó kémiai stabilitás	gyógyszeripari élelmiszercsomagolás
PPC/TPU	olvadékkompozíció	jó hőstabilitás &. Merevség	Elektronikai csomagolási alkalmazások

Biopolimerek példái

A biopolimerek nagyjából három kategóriába sorolhatók monomer egységeik és szerkezetük alapján:

• Polinukleotidok:
• Poliszacharidok: cellulóz, kitozán, kitin stb.
• Polipeptidek: kollagén, zselatin, glutén, savó stb.

A biopolimereket más kritériumok alapján is kategorizálhatjuk, mint például alapanyaguk (állati, növényi vagy mikrobiális), biológiai lebonthatóságuk, szintézisük módja, alkalmazásuk vagy tulajdonságaik.

Példák néhány kereskedelmi forgalomban előállított biopolimerre: :

• Bioalapú poliészterek, mint például a politejsav (PLA), polihidroxibutirát (PHB), polibutilén-szukcinát (PBS), polibutilén-szukcinát-adipát (PBSA), politrimetilén-tereftalát (PTT)
• Bioalapú poliolefinek, például polietilén (Bio-PE)
• Bioalapú poliamidok (Bio-PA), például homopoliamidok (Bio-PA 6, Bio-PA 11) és kopoliamidok (Bio-PA 4.10 – Bio-PA 5.10 – Bio-PA 6.10, Bio-PA 10.10)
• Poliuretánok, mint a Bio-PUR
• Poliszacharid polimerek, mint a cellulóz alapú polimerek (regenerált cellulóz, cellulóz-diacetát) és keményítő alapú polimerek (termoplasztikus keményítő, keményítőkeverékek)

A biopolimerek jövője

Az alábbi ábra mutatja a bioalapú polimergyártás növekedését 2017 és a 2022-re becsült adatok között. Továbbá az előrejelzések szerint a biológiailag lebomló biopolimerek az elkövetkező években a biopolimergyártás nagyobb százalékát fogják kitenni. Egyértelműen látható, hogy a biopolimergyártás felfelé ívelő pályán van. Bár még hosszú út áll előtte, ha át akarja venni a kőolajtermékek helyét, az előrejelzések szerint a termelés a 2017-es 2,27 millió tonnáról 2022-re 4,31 millió tonnára fog nőni. Ez legalább részben a lakossági keresletnek és a kormányzati szabályozásoknak köszönhető, amelyek továbbra is jelentős hatást gyakorolnak majd.

2. ábra. Újgazdasági bioműanyag-gyártási kapacitások anyagtípusonként .