バイオポリマーは、生物によって生産される天然由来の高分子である。 5790>
化石燃料や石油化学製品からの廃棄物による環境汚染の悪影響について、懸念が高まっています。 そのため、再生可能で生分解性があり、環境へのリスクが少ない石油系製品の代替品を探すために、多くの研究が行われてきました。 バイオポリマーは、再生可能な原料から得られる生分解性材料であるため、この問題に対する解決策のひとつとなる可能性がある。 しかし、すべての生分解性ポリマーがバイオポリマー（再生可能な資源から製造されるポリマー）であるわけではないことに注意しなければならない。 予想されるように、生産速度の制限、生産コスト、特性の適合性など、バイオポリマーに関する課題があります。
天然バイオポリマーから作られた最初の近代バイオマテリアルには、ゴム、リノリウム、セルロイド、セロファンなどが含まれます。 後者 2 つは、天然で最も豊富な生体高分子であり、地球上で最も豊富な有機物質であるセルロースを使用して作られており、全植物体の 3 分の 1 を占めている。 20世紀半ば以降、このような人間が作ったバイオポリマーは、事実上すべて石油化学由来の材料に置き換えられてきた。 しかし、生態系への懸念の高まりから、バイオポリマーは科学界、産業界、さらには政治の世界でも再び関心を集めています。
この記事では、以下について学びます。
- 生体高分子の特性
- 生体高分子の生産と加工
- 生体高分子の応用
- 生体高分子の例
- 生体高分子の応用
- そして バイオポリマーの未来
バイオポリマーの特性
バイオポリマーの最大の関心は、石油製品から作られている多くの日用品を置き換えることである。 このことは、バイオポリマーが様々な用途に適するように、代替する材料と同等かそれ以上の特性を示すことが要求されることを意味する。 バイオポリマーの特性測定の多くは、重合度、添加物の種類と濃度、補強材の有無などの要因によってばらつきがある。 バイオポリマーの特性に関する情報は、従来のポリマーほど広くはありませんが、その物理的、機械的、熱的特性に関する調査はかなり深く行われています。 これは、他の合成材料に取って代わる可能性を与えている。 これらのバイオポリマーにはデンプン、セルロース、キトサン、ペクチンなどがあり、10-3～10-14 S/cmの幅広い電気伝導度を示している
Table 1. いくつかの市販バイオポリマーの物理的，機械的，熱的特性
(Matmatch の比較ページでこれらの材料を視覚的に比較することもできます)
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Biopolymer |
密度 at 20℃ |
張力
at20℃の温度差。 20 ℃ |
曲げ弾性率 |
融点 |
伸度 at 20 ℃ |
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PLA ルミニー® LX530 |
1.24 g/cm³ |
50 MPa |
N/A |
165 ℃ |
5 % |
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40 MPa |
N/A |
110 ～ 1.5 MPa。 120 ℃ |
300 % |
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NuPlastiQ®BC 27240 |
12MPa |
0.24GPa |
140 – 160 ℃ |
272 % |
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Extrudr Wood Filament |
1.8 % |
2.0 % |
2.0 % |
40 MPa |
3.2 GPa |
150 – 170 ℃ |
N/A |
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EVO 719 |
1.2 MPa |
1.2 MPa 1.2 MPa 2.0 MPa3 g/cm³ |
40 MPa |
2 GPa |
140℃ |
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|
Injicera CHX 0113 |
1.11 g/cm³ |
14 MPa |
0.48 GPa |
165 ℃ |
|||
|
CR1 1013 |
1.1 g/cm³ |
1.1 MPa³ |
4.43 GPa |
132 ℃ |
89 % |
バイオポリマーの製造と加工
バイオポリマーの製造には多くの異なる方法と技術が使用されています。 これらのポリマーのほとんどはすでに自然界に存在するか、または天然生物によって生産されるので、これらのプロセスは、しばしば抽出とそれに続く合成の問題である。 それらは、発酵、ろ過、配合・造粒、加水分解、エステル化、重縮合、酸化、脱水のいずれかの組み合わせが考えられる。 以下は、ポリブチレンサクシネート（PBS）の製造に関わる製造プロセスの例である。 バイオベースのコハク酸 (PBS bb SCA) を用いたポリブチレンサクシネート (PBS) の製造プロセスルート。
バイオポリマーの用途
バイオポリマーは、食品包装、化粧品、医薬品のほか、多くの産業用途で使用されています。 それらは多くの適用で従来の石油ベースのプラスチックに取って代わることができます。 あるbiopolymersはまた他のプラスチックが人工的なティッシュの作成のようなののために適していない特定の使用に、応用された。 これらの用途では、物理化学的および熱的変動と同様に、pH の変化に敏感な生体適合性および生分解性材料が必要とされることがあります。 特定の用途に適したものにするために、これらの特性を劇的に向上させる充填材で補強することができる。 このように強化されたバイオポリマーは、バイオポリマーコンポジットと呼ばれる。 下の表は、一般的なバイオポリマー複合材料とその特性、およびすでに広く使用されている産業をまとめたものである。 バイオポリマーコンポジットの製造方法、特性、および用途のまとめ.
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Matrix/Filler |
Properties 用途 |
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PLA/PEG/Chit |
押出 |
低い剛性/ |
高柔軟性 |
骨&歯科インプラント食品包装 |
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PLA/Cellulose |
押出/射出 |
剛性向上&生分解性 |
パッケージング, 自動車用 |
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PLA/Potato pulp |
押出/射出 |
低剛性 & 延性． 加工性良好 |
食品包装 |
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PLA/MgO |
溶液キャスト |
安定性と生物活性向上 |
医療移植、組織工学、医療用具。 整形外科機器 |
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PHB/wood sawdust fibres |
Improved degradation in soil |
農業または植物育成 |
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PHBV/TPU/cellulose |
押出/注入 |
バランスのとれた熱抵抗性。 の硬さです。 |
食品包装 組織工学 |
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ナノセルロース/CNT |
キャスト成形 |
優れた導電性 |
電気伝導度, センサー |
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ゴム/片栗粉 |
ローラーミックス |
熱老化促進 |
防振台、衝撃台 |
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ポテトスターチ/小麦グルテン |
圧縮成形 |
最大応力&伸展性向上 |
バイオ関連製品の開発。プラスチック |
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アルギン酸/シナモンオイル |
溶液キャスト |
良好。 抗菌性 |
活性包装材料 |
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PVA/Chitosan |
電解研磨 |
用紡績 |
良好な化学的安定性 |
医薬品配送食品包装 |
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PPC/TPU |
融解配合 |
優れた熱安定性& |
電子部品パッケージ用途 |
バイオポリマーの例
バイオポリマーはモノマー単位と構造から大きく3つに分類されます。
- ポリヌクレオチド。 DNA（デオキシリボ核酸）、RNA（リボ核酸）
- 多糖類：セルロース、キトサン、キチンなど
- ポリペプチド：コラーゲン、ゼラチン、グルテン、乳清など。
バイオポリマーは、基材（動物、植物または微生物）、生分解性、合成経路、用途または特性などの他の基準によって分類することもできる。
いくつかの商業的に生産されたバイオポリマーの例としては、以下が挙げられる。
- ポリ乳酸（PLA）、ポリヒドロキシブチレート（PHB）、ポリブチレンサクシネート（PBS）、ポリブチレンサクシネートアジペート（PBSA）などのバイオベースのポリエステル。 ポリトリメチレンテレフタレート（PTT）
- ポリエチレン（バイオPE）などのバイオベースポリオレフィン
- ホモポリアミド（バイオPA 6、バイオPA 11）、コポリアミド（バイオPA 4.）などのバイオベースポリアミド（バイオPA）
- ポリエチレンなどのポリアミド系樹脂（バイオPA）
- Bio-PURなどのポリウレタン
- セルロース系ポリマー（再生セルロース、セルロースジアセテート）、でんぷん系ポリマー（熱可塑性でんぷん、でんぷんブレンド）などの多糖系ポリマー
バイオポリマーの将来
下図は2017年と2022年とでバイオベースのポリマー生産量が増加していると推測されるものである。 さらに、今後数年間は生分解性バイオポリマーがバイオポリマー生産量に占める割合が大きくなると予測されている。 バイオポリマー生産が上昇基調にあることは明らかです。 石油製品の後を継ぐとすれば、まだまだ先の話だが、生産量は2017年の227万トンから2022年には431万トンに増加すると予測される。 これは少なくとも公的需要と政府の規制の結果であり、今後も大きな影響を与えるだろう。
図2. ニューエコノミーのバイオプラスチック生産能力（材料タイプ別） .