Создание биоразлагаемого пластика, синтезируемого из рыбьей чешуи

XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Создание биоразлагаемого пластика, синтезируемого из рыбьей чешуи

Самко С.Е. 1
1МОУ Лицей № 8 "Олимпия"
Стесякова М.В. 1
1МОУ Лицей № 8 "Олимпия"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение:

Актуальность темы исследования объясняется широким применением изделий из пластмасс, которые при попадании в окружающую среду очень долго разлагаются, либо сложно перерабатываются.

Для государства актуальность исследования заключается в сохранении окружающей среды и высокого уровня экологии, как по всей стране, так и в отдельных регионах.

Для экологов актуальность исследования заключается в потребности распространения информации о негативном влиянии пластиков на окружающую среду и их непосредственной экологичной замене, для потребителей- в обогащении знаний о потребляемой продукции и её негативном влиянии на окружающую среду.

Для авторов актуальность исследования объясняется повышенным интересом влияния часто используемых изделий из пластмасс на непосредственную среду, окружающую их. Также, чувством ответственности перед будущим поколением и их жизнями в загрязненных районах.

Поэтому, в настоящее время все чаще стали использоваться биоразлагаемые упаковки, созданные из доступных каждому материалов: картофель, свёкла, рыбья чешуя, перопуховые отходы — все это сырьё для биоразлагаемых пластиков. Именно такие пластики способны разлагаться в естественных условиях среды до минеральных веществ и не наносить вред окружающей среде.

Целью нашей работы стало:

- Создание биоразлагаемого пластика из рыбьей чешуи

Соответственно, были поставлены следующие задачи:

- изучение и анализ научных исследований по данной теме;

- анализ реального состояния предмета исследования;

-создание методики для получения биоразлагаемого пластика, синтезируемого из рыбьей чешуи;

- проверка созданной методики в ходе опытно-экспериментальной работы.

Объект исследования- биоразлагаемый пластик, синтезируемый из рыбьей чешуи

Предмет исследования- создание условий для получения биоразлагаемого пластика, синтезируемого из рыбьей чешуи

Глава I. Литературный обзор

    1. Пластиковые пакеты - беда экологии

В окружающей среде устойчивые загрязнения образуют выброшенные пакеты, которые сохраняются длительное время и не подвергаются биологическому разложению. Полиэтиленовые пакеты наносят серьёзный урон экологии, во всем мире за год используется 4 триллиона пакетов. Это влечет за собой вымирание 1 млн. птиц; 100 тысяч морских млекопитающих и огромных по численности косяков рыб.

Невозможно обойти стороной тот факт, что 6 млн. 300 тыс. тонн мусора, основной компонент которого пластик, ежегодно сбрасывается в Мировой океан. Сжигать полиэтилен опасно. В процессе горения в атмосферу выбрасывается огромное количество канцерогенов, которые загрязняют воздух и разрушают озоновый слой. Вторичная переработка слабо развита. По данным экологов, всего 1% полиэтилена проходит через нее.

В связи со всем вышеупомянутым, 40 стран ограничили или запретили использование, продажу и (или) производство пластиковых упаковок.

Также довольно опасным является использование полиэтиленовых пакетов для организма человека, т.к. при их изготовлении используется свинец, который является невероятно токсичным, и скопление данного металла влечет за собой череду заболеваний.

Мы часто заворачиваем продукты питания в полиэтиленовые пакеты, не задумываясь, что краска, с помощью которой создаются логотипы фирм на них, очень токсична, при попадании в организм человека через пищу наносит непоправимый урон здоровью.

В плотно закрытом пакете образовывается конденсат, в котором быстро развивается плесень. Также на полиэтилене находится множество бактерии, из-за которых уменьшается срок хранения продуктов. Хранение продуктов с повышенной кислотностью в подобных упаковках разрушает верхний слой пакета, и химические соединения проникают в пищу, отравляя ее. При низких температурах выделяются токсины, опасные для организма человека.

При использовании непищевых пакетов, в еду проникают мономерные фталаты, которые, в свою очередь, разрушающе действуют на органы.

В наши дни, благодаря современным технологиям создаются материалы на основе полиэтилена, полипропилена и т.д., которые не разрушаются в течение долгого времени в естественных средах. К примеру, время разложения обыкновенной пластиковой бутылки составляет 400 лет.

Стандартные методы переработки мусора – сжигание и закапывание. Но это не решает проблему, так как при сжигании в атмосферу выделяются ядовитые газы, отравляющие живые организмы и разрушающие озоновый слой. К тому же скорость развития парникового эффекта от сжигаемых пакетов в 40 раз выше, чем от теплоэлектростанций. В результате закапывания мусор скрывается от глаз, но не утилизируется. Требуются инновационные способы решения данной задачи. 

    1. Экологичная упаковка – решение проблемы утилизации отходов

Одним из способов решения данной проблемы является биоразлагаемые полимеры. Их создание является главной задачей научного поиска на протяжении последних 30 лет. Несмотря на это, до сих пор не найден материал, который бы соответствовал всем требованиям (дешевизна, прочность, полная и быстрая биоразлагаемость).

На данный момент, в нашей стране ежегодно отправляется на свалку 60 миллионов тонн бытовых отходов, причем примерно половина из них – пищевая упаковка. В России переработке подвергаются всего 4% отходов. Остальное сжигается или вывозится на свалку, занимая все большее пространство. Но территории, отведенные для этих целей, постоянно сокращаются. Также под свалки отводятся плодородные земли, которые лучше использовать для посева культур, являющихся сырьем для получения биоразлагаемых полимеров.[1]

Биополимеры преподносятся как безвредные для природы и человека материалы, которые после использования легко подвергаются разложению. Однако, в настоящее время многие производители биоматериалов используют в технологии мел как биодобавку.

Этот компонент действительно ускоряет разложение материала и снижает его прочность. Но дальнейшей переработки полимера не происходит – питательного субстрата для привлечения бактерий нет.

В настоящее время остро встает вопрос о производстве полностью биоразлагаемых упаковочных пакетов. Их изготавливают из специальных полимеров, которые при наличии микроорганизмов и специальных условий разлагаются до углекислого газа и воды.

    1. Технологии производства биоразлагаемых пластиков

Все технологии производства биоразлагаемых пластиков можно разделить на четыре основные группы:

  1. Производство из природных полимеров или полимеров из биомассы таких, как крахмал, полисахариды, целлюлоза и белки.

  2. Полимеры, которые производят микроорганизмы в ходе своей жизнедеятельности. К ним можно отнести полигидроксиалканоаты, либо бактериальную целлюлозу.

  3. Полимеры, искусственно синтезированные из природных мономеров. К ним можно отнести полилактиды (полимолочная кислота или ПМК) [2].

  4. Традиционные синтетические пластики с введенными в них биоразрушающими добавками.

1.4. Рыбья чешуя, как сырьё для получения биоразлагаемых пластиков

Одним из направлений развития технологий является использование отходов для создания биополимера, обладающего дополнительным преимуществом биоразлагаемости в условиях окружающей среды и организме человека. Данный способ получения решает одновременно две задачи: разработка экологически чистых съедобных пластмасс и использование отходов рыбной промышленности. Рыбья чешуя характеризуется значительным содержанием белка, основу чешуи составляют белки – коллагены, содержание которых составляет от 13%, что делает их довольно перспективным сырьем для биотехнологической промышленности [6]. Если верить учёным, то попадая в организм полученный пластик растворяется в нем и оказывает омолаживающее действие, ведь он источник коллагена.

Рыбный коллаген, по мнению исследователей, гипоаллергенен, так как на 96% идентичен человеческому и практически полностью усваивается нашим организмом [3,4]. Рыбный коллаген в нашей стране никем не производится, а отходы рыбного производства идут для производства удобрений (кости), либо выкидываются (чешуя).

Среди важных свойств коллагеновых оболочек можно отметить их высокую прочность, эластичность, влагопроницаемость, равномерное покрытие [5].

Именно поэтому для нашего эксперимента была выбрана рыбья чешуя.

При внедрении ихтиожелатина на производство время его изготовления сократится в 8 раз (обычное время изготовление-2 суток), что позволяет достаточно быстро получить и использовать его в разработке биоразлагаемых упаковок и пленок.

В нашем эксперименте была выбрана методика, созданная учеными кафедры «Технология товаров и товароведение» Астраханского государственного технического университета [7].

Также сопутствующим фактором для выбора данного сырья является проживание в Волгоградской области, рядом с рекой Волгой, где есть огромное количество рыбы, которая впоследствии может быть использована в производстве биоразлагаемых пакетов и упаковок.

Глава II. Экспериментальная часть

Эксперимент проводился на базе школьной лаборатории Лицея №8 «Олимпия». Суть проводимого нами эксперимента состоит в создании биоразлагаемого пластика, синтезируемого из рыбьей чешуи. В нашем эксперименте были взяты вещества и реактивы, которые подходят для опыта в школьной лаборатории.

Весь процесс создания можно разделить на следующие этапы:

2.1. Подготовка сырья к гидролизу.

Для начала было взвешено исходное сырье (мы брали чешую сазана), в нашем случае 50 грамм. Сырье предварительно промыли в водопроводной воде 3 раза и оставили сушиться в течение 30-40 минут. Рыбью чешую не измельчали, использовали цельной. (Приложение 1)

2.2. Щелочной гидролиз сырья.

Для щелочного гидролиза следовало приготовить раствор, содержащий в своем составе 3% раствор NaOH(гидроксида натрия), 1% раствор Н2О2(перекиси водорода), с добавлением0,5% раствора Na2SO3(сульфита натрия). Чешую залили данным раствором и оставили стоять в течение 15 часов. (Приложение 2)

2.3. Нейтрализация коллагенсодержащего продукта.

Данный раствор нейтрализовали 40% ортофосфорной кислотой до рН=6,7(при добавлении постепенно проверяя уровень рН универсальным индикатором среды). Позже разбавили водой в количестве 45% к массе полученного продукта. Масса нашего продукта была 120 мл, следовательно мы добавили 54 мл воды (данное кол-во воды было получено из пропорции, где за 100% взяли массу всего раствора, равную 120 мл, а за 45% Х мл воды). (Приложение 3)

2.4. Фильтрование полученного продукта.

Затем провели фильтрацию полученного раствора через фильтровальную бумага, отделяя путем отжатия массу твердого остатка. После фильтрования, нашего раствора осталось 160 мл из 174 мл. (120+54=174 мл после добавления воды в пункте 3). (Приложение 4)

2.5. Добавление пластификатора к полученному раствору.

В нашем эксперименте в качестве пластификатора был взят глицерин. Данное вещество использовалось нами, поскольку обладает невысокой стоимостью и доступностью.

2.5.1. Были приготовлены 10, 20, 30 и 40% растворы глицерина для того, чтобы выбрать оптимальную концентрацию полученных пленок. В каждую чашку мы залили по 40 мл раствора и добавили по 10 мл раствора глицерина (в каждую из чашек с разной концентрацией).(Приложение 5)

2.5.2. Чашки с набухшим желатином поставили на водяную баню, температура которой была равна 35°С. Оставили на 30 минут. Постепенно помешивая, доводя раствор в чашках до однородности.

2.5.3. Из приготовленных растворов в чашках Петри были сформированы пленки по 10 мл. После того, как водный раствор ихтиожелатина был налит в чашки, его равномерно распределили по всему дну.

2.5.4. Пленки следовало высушить. Чашки Петри с растворами были оставлены в помещении при комнате температуре, до полного их застывания. В среднем застывание пленок было около 20-24 часов.(Приложение 6)

2.6. Итоги эксперимента.

По итогам эксперимента можно сделать следующие выводы:

  1. При добавлении к раствору 10% раствора глицерина пленка снимается с подложки плохо, рвется. При добавлении 20% раствора глицерина пленка снимается хорошо. При добавлении к раствору 30 и 40% раствора глицерина пленка снимается отлично.

  2. В растворах с 10-20% растворами глицерина пленка плотная, в растворах с 30-40% растворами глицерина пленка тонкая.

  3. Эластичность пленки с 10% раствором глицерина хрупкая, в 20% растворе неэластичная. В 30-40% растворах глицерина пленка эластичная.

  4. Цвет и запах всех пленок идентичный.

Заключение

В ходе исследовательской работы были изучены и проанализированы научные исследований по данной теме; проанализировано реальное состояние предмета исследования; была создана методика для получения биоразлагаемого пластика, синтезируемого из рыбьей чешуи; была произведена проверка созданной методики в ходе опытно-экспериментальной работы. Результаты исследований показали, что ихтиожелатин (или рыбный желатин) может быть использован для изготовления биоразлагаемых пленок, причем съедобных. Различное процентное содержание глицерина позволяет регулировать вид пленок в зависимости от их применения и надобности. Данное исследование дает возможность решить сразу две задачи: использование рыбных отходов (которых в Волгоградской области большое количество) и сохранения уровня экологии, поскольку данные пленки могут стать отличной заменой нынешних пакетов, которые наносят большой вред окружающей среде. Мы попытались предложить свою методику для создания биоразалагемых пленок, которые впоследствии могут быть использованы для различного рода пакетов и упаковок. Надеемся, что наша исследовательская работа найдет свое применение и будет полезна.

Список источников и литературы:

  1. Биоразлагаемые полимеры– упаковка будущего.

[Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://nsportal.ru/ap/library/drugoe/2014/03/06/biorazlagaemye-polimery-upakovka-budushchego (Дата обращения 14.12.2022)

  1. Биоразлагаемый пластик — разновидности, технология производства, основные свойства. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://rcycle.net/plastmassy/biorazlagaemyj-plastik-raznovidnosti-tehnologiya-proizvodstva-osnovnye-svojstva (Дата обращения 14.12.2022)

  2. Као Т.Х. Чешуя рыб как источник получения пищевого желатина [Электронный ресурс] / Т.Х. Као, Т.М. Нгуен, М.Ю. Карапун // Молодой ученый. – 2016. – №23. – С. 113-11. – Режим доступа: https://moluch.ru/archive/127/35036/ (Дата обращения 15.01.2023)

  3. Киладзе А.Б. Рыбные отходы – ценное сырье / А.Б. Киладзе // Рыбное хозяйство. – №3. – 2004. – 58 с. (Дата обращения 15.01.2023)

  4. Фомин В.А. Биоразлагаемые полимеры / В.А. Фомин // Химия и жизнь. – 2005. – №7. – С. 8-11. (Дата обращения 15.01.2023)

  5. Якубова О.С. Разработка технологии получения ихтиожелатина из чешуи рыб: автореф. дис. ... канд. техн. наук / О.С. Якубова. – Воронеж, 2006. – 24 с. (Дата обращения 15.01.2023)

  6. Покусаева О.А. , Долганова Н.В. , Якубова О.С. Ихтиожелатин как основа съедобных пленочных покрытий для пищевых продуктов Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/ihtiozhelatin-kak-osnova-sedobnyh-plenochnyh-pokrytiy-dlya-pischevyh-produktov/viewer (Дата обращения: 15.01.2023)

Просмотров работы: 193