XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка одноразовой посуды из биополимера на основе крахмала и ее физико- химические свойства

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Садаков А.Д. 1

---

1КОГОАУ Лицей естественных наук

Петухова Д.Ю. 1

---

1КОГОАУ Лицей естественных наук

Работа в формате PDF

161 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В 2025 году, при помощи проведенных опытов и наблюдений, удалось выявить свойства крахмала и получить, методом помещения неньютоновской жидкости в микроволновую печь, биополимер, который может служить альтернативой пластику. В данной работе предлагается сравнить свойства одноразовой посуды из биополимера, бумаги и пластика.

Цель работы: путём изучения литературы, проведением опытов и наблюдений выявить свойства одноразовой посуды из биополимера на основе крахмала и сравнить ее с бумажной и пластиковой посудой .

Гипотеза: предполагаем, что из биополимера на основе крахмала можно изготовить биоразлагаемую в природе одноразовую посуду с физико-химическими свойствами, соответствующую требованиям ГОСТа. Заменить одноразовую посуду из бумаги и пластика на более экологически чистую и экономически выгодную.

При проведении исследований были поставлены следующие задачи:

1. изучить информацию об одноразовой посуде.

2. исследовать физико-химические свойства посуды из пластика, бумаги и биополимера на основе крахмала

3. определить фитотоксичность почвы, в которую помещались образцы из пластика, бумаги и биополимера на основе крахмала, методом проростков

4. подсчитать стоимости посуды из пластика, бумаги и биополимера на основе крахмала

5. сформулировать выводы по выполненной работе.

6. дать рекомендации по изготовлению одноразовой посуды из биополимера на основе крахмала

Объект исследования: биополимер на основе крахмала.

Предмет исследования: определить физико-химические свойства, экологическую значимость и экономическую выгоду биополимера из крахмала.

Методы исследования: изучение литературы и интернет – ресурсов, опыты, наблюдения. Практическая значимость работы заключается в возможности замены одноразовой посуды из пластика на экологически чистую и экономически выгодную одноразовую посуды из биополимера на основе крахмала. Возможность использования работы на уроках биологии и экологии.

1. Обзор литературы

   1. ЧТО ТАКОЕ «КРАХМАЛ»

1. В результате работы с научно-популярной литературой мы определили научные определения крахмала. В «Большом энциклопедическом словаре» приводится научное определение крахмала: «КРАХМАЛ– (слово из польского языка, с польского krochmal, немецкого Kraftmehl) запасной углевод растений; состоит из двух полисахаридов – амилозы и амилопектина, образованных остатками глюкозы. Накапливается в виде зерен, главным образом в клетках семян, луковиц, клубней, а также в листьях и стеблях. Крахмал – основная часть важнейших продуктов питания: муки (75-80%), картофеля (25%) и другие. «Толковый словарь русского языка» под редакцией Д. Н. Ушакова помог уточнить биологический процесс появления крахмала в растениях: «КРАХМАЛ – углевод особого состава, образующийся в виде мельчайших зёрнышек в зелёных частях растений из углекислоты воздуха под действием света. Таким образом, из книжных источников мы выяснили, что крахмал – сложный углевод, он образуется в растениях и является для них запасным питательным веществом. Крахмал хорошо переваривается и усваивается организмом человека. [Поглазова О., Шилин В. Окружающий мир. Учебник для 3 класса нач. школы. – Смоленск: «Ассоциация XXI век», 2009.]

1.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КРАХМАЛА В РАЗЛИЧНЫХ СФЕРАХ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Крахмал используют повсеместно.

В косметологии крахмал используют для устранения морщин, для устранения угревых высыпаний. На основе крахмала изготавливают различные маски.

В медицине крахмал применяется при накладывании тугой повязки, для нормализации пищеварения и обмена веществ, для снижения холестерина, для нормализации высокого давления, как присыпка, а соединение с тальком и цинком дает мази и пасты для заживления, как противовоспалительное средство при аллергических высыпаниях у детей и при ожогах.

Применение крахмала в промышленности: в пищевой индустрии используют как загуститель соусов, маринадов, майонезов; в текстильной промышленности он применяется для придания формы тканям; используют крахмал на различных этапах производства бумаги; его добавляют в процессе приготовления конфет и печений на кондитерских производствах; широко применяется это вещество в фармакологии в качестве основы для таблеток, присыпок, мазей.

Применяют крахмал и в бытовых целях: моют стекло, чистят столовое серебро, удаляет жирные пятна, упрощает глажку, удаляет плесень на книгах, чистит одежду, развязывает узлы, чистит обивку.

Наиболее широкая сфера применения крахмала – это кулинария.

[«Тайны и секреты крахмала», http://malahov-plus.com/forum/topic_2113/28, 20.10.2020]

С жидкостью мы сталкиваемся ежедневно. Но вы слышали о жидкости, которая становится твердой, если на нее воздействовать? Есть интересная, неньютоновская жидкость. Подвергаясь физическому, звуковому или механическому воздействию она меняет свойства вязкости и плотности. Если нагрузка небольшая — становится эластичной, при сильной нагрузке твердая и упругая. Для неньютоновской жидкости требуется — крахмал и вода в пропорции 1,5 к 1. В миску с водой добавляется крахмал и размешивается. [«Технология крахмала и крахмалопродуктов», http://www.pandia.ru/400449/, 17.09.2022]

Неньютоновская жидкость до конца не изучена. Крахмальные смеси как раз и входят в число биоразлагаемых полимеров. А биополимер, в свою очередь, безопасная альтернатива обычному пластику.

1. 3. ВИДЫ ОДНОРАЗОВОЙ ПОСУДЫ, В ТОМ ЧИСЛЕ ИЗ БИОРАЗЛАГАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Одноразовая посуда значительно облегчает жизнь. Ее удобно хранить, брать с собой в поездки и не нужно мыть. Как и обычная посуда, одноразовая разделяется на типы в зависимости от назначения: для напитков – стаканчики, бутылки, чашки; для вторых блюд и закусок – плоские тарелки различных диаметров; для первых блюд – миски и глубокие тарелки; столовые приборы – вилки, ножи и ложки. В зависимости от материала изготовления выделяют несколько видов одноразовой посуды:

1. Пластиковая- для производства используют полипропилен, полиэтилентерефталат и полистирол.

2. Бумажная

3. Деревянная

4. Биоразлагаемая (сахарный тростник, бамбук)

5. Съедобная

Первыми производить съедобную посуду начали в Европе. В России такую посуду выпускают еще мало. Одним из первых в нашей стране из съедобной посуды появились тарталетки. Их можно купить в любом супермаркете. А новинкой стали съедобные ложки, которые стал выпускать Вадим Фаттахов из Башкортостана. Он организовал промышленное производство съедобных ложек из муки, яиц и масла. [«Одноразовая посуда: виды и материалы», https://brpv.ru/useful/, 1.11.2023]

1.4.ФИТОТОКСИЧНОСТЬ ПОЧВЫ.

В настоящее время ведется активная пропаганда защиты экологии. На основе этого определение фитотоксичности почвы является основным шагом для изучении качества и плодородия почвы, а также в оценке ее воздействия на растения. Для этой цели широко применяется методика определения фитотоксичности почвы методом проростков. Этот метод основан на измерении роста и развития растений, выращиваемых в почве. Основной принцип методики заключается в том, что если почва содержит токсичные вещества, то рост и развитие растений будет заторможено или полностью подавлено. При проведении опыта, различные образцы почвы помещают в питательные блюда, в которых выращиваются семена растений. Затем измеряются характеристики проростков, такие как длина корней и побегов, масса проростков и другие параметры, которые позволяют оценить влияние почвы на рост растений.

Анализ результатов проводится с использованием статистических методов и сравнения данных с контрольными образцами. Если почва вызывает заметное затормаживание роста проростков по сравнению с контрольными образцами, то это указывает на наличие фитотоксичных веществ в почве. Определение и количественная оценка фитотоксичности позволяет определить уровень загрязнения почвы и выработать рекомендации по устранению токсичных веществ и восстановлению ее плодородия. [«Определение фитотоксичности методом проростков», Привалова Н.М., Процай А.А., Литвиненко Ю.Ф., Марченко Л.А., Паньков В.А. //Успехи современного естествознания. -2006г. 6.11.2023]

2. Методики исследования

2.1. Методика работы с интернетом

При работе с интернетом набираем запрос. Например, "Что такое крахмал", "Одноразовая посуда, из чего делают?", "Съедобная одноразовая посуда" и т.п. Далее копируем название статьи и название сайта. В библиографическом списке обязательно указываем дату просмотра сайта.

2.2. Методика исследование физико-химических свойств посуды из пластика, бумаги и биополимера на основе крахмала

Для этого исследования взяли часть биополимера из крахмала, часть одноразового бумажного стакана и часть одноразовой пластикового стакана. Данные образцы помещались:

- в стакан с водой на 7 суток,

- в почву- на 1 месяц,

- в духовой шкаф на 200гр., на 30 мин.

- в морозильную камеру на сутки

- кипячение в воде в течение 5 минут

- в микроволновую печь на 30 минут

- воздействие кислотами – положили в чашки Петри и залили (серная кислота-80%, ортофосфорная кислота). Опыт проводили в лаборатории Кировского Биохимзавода.

- воздействие щелочами - положили в чашки Петри и залили (NaOH-40%). Опыт проводили в лаборатории Кировского Биохимзавода.

- воздействие солями

-воздействие спиртом

- оценивали теплопроводность (поместили рядом с нагретым чайником)

- взяли зажигалку и поместили в открытый огонь

2.3. Методика определения фитотоксичности почвы, методом проростков

Через месяц после того как образцы пролежали в почве, взяли данную почву и чистую от образцов почву. В 4 чашки Петри поместили:

1. Образец-чистая почва, 20 семян гороха- контроль

2. Образец-почва с кусочками биополимера, 20 семян гороха

3. Образец-почва с кусочками бумажного стакана, 20 семян гороха

4. Образец- почва с кусочками пластикового стакана, 20 семян гороха

В ходе методики фиксировали всхожесть, энергию прорастания, длину наземной и корневой системы, массу сухого вещества. Методика проводился на подоконнике при поддержании постоянной влажности почвы. В течение десяти дней велись наблюдения за проростками по следующим показателям:

• время появления всходов и их число на каждые сутки;

• общая всхожесть;

• длина наземной части всходов.

По окончании методики растения осторожно вынимали из земли, просушивали, тщательно стряхивали остатки почвы и измеряли окончательную длину наземной части растений и длину корней. Сведения заносили в таблицу. Далее рассчитывается среднее значение длины ростков, результаты так же заносятся в таблицу. Затем определяется во сколько раз процент всхожести семян в контроле больше, чем в пробе (К1), а так же во сколько раз средняя длина ростков на образцах исследуемых проб почвы отличается от длины ростков в контрольной пробе (К2- кратность).Степень фитотоксичности проб почвы устанавливается исходя из следующих условий:

при К1 и К2 <1,1 – проба не фитотоксична;

при К1 и К2 от 1,4 до 2- проба фитотоксична;

при К1 и К2 >2 – проба с высокой фитотоксичностью.

2.4. Методика подсчета стоимости посуды из пластика, бумаги и биополимера на основе крахмала

Методом калькуляции провели вычисления стоимости 1 одноразового стакана из пластика 200мл. и бумаги 150мл., их массу в граммах, стоимость 1 грамма. Стоимость стакана из крахмала рассчитывали из суммирования стоимости самого крахмала, потребления воды в мл. и энергозатраты (помещение в микроволновую печь).

3. Результаты исследований биополимера на основе крахмала

3.1. Результаты исследования физико-химических свойств посуды из пластика ,бумаги и биополимера на основе крахмала.

Как видно из таблицы (ТАБЛИЦА 1) посуда из биополимера - до конца не растворима в воде, разлагается в почве, при высокой температуре никак не меняется, при низкой –длительно сохраняет холод; при кипячении сохраняет форму, не изменяется при воздействии на него кислот, солей и щелочей, сохраняет тепло и не поддерживает горение.

Бумажная посуда в воде и почве разлагается быстрее, при нагревании и воздействии микроволн на внутренней поверхности ее появляется липкий слой, цвет темнеет, рисунок наружной поверхности тускнеет -следовательно- при изготовлении используются клеящие и красящие вещества. При кипячении – происходит быстрое ее разволокнение. В кислотах обугливается. Щелочь, соли, спирт не изменяют ее структуры. Поддерживает горение, разгорается.

Пластиковая посуда длительно разлагается (в воде и почве- без особенностей), плавится при высоких температурах и кипячении. Микроволны, кислоты, щелочь, соли и спирт не изменяют ее состояния. Проводит тепло и горит с выделением черного дыма и едкого запаха.

3.2. Результаты определения фитотоксичности почвы

Определение фитоксичности проб почвы показало, что почва с пластиком слабофитотоксична. Остальные пробы нефитотоксичны. (ТАБЛИЦА 4)

В почве с биополимером ростки появились раньше, чем в контрольной пробе почвы, масса корней и наземной части больше, чем в контроле. Вероятно, биополимер служит биоудобрением. (ТАБЛИЦА 2,3)

3.3. Результаты подсчета стоимости посуды из пластика, бумаги и биополимера на основе крахмала.

Для рассчета стоимости стаканов в таблице (ТАБЛИЦА 5) приведены необходимые материалы и их стоимость. Как видно из таблицы, стоимость 1 грамма стакана из биополимера будет ниже стоимости 1 грамма стакана из пластика в 14 раз, и ниже 1 грамма стакана из бумаги в 8 раз. Стоимость готового стакана из биополимера будет ниже стоимости бумажного стакана на 47 копеек, но выше стоимости пластикового стакана на 1руб. 30коп.

Заключение

Таким образом, цель работы выполнена, путём изучения литературы, проведением опытов и наблюдений разработали одноразовую посуду из биополимера на основе крахмала и выявили ее свойства и сравнили ее с бумажной и пластиковой посудой .

Гипотеза подтвердилась: из биополимера на основе крахмала изготовили биоразлагаемую в природе одноразовую посуду с физико-химическими свойствами, соответствующую требованиям ГОСТа. Возможно заменить одноразовую посуду из бумаги и пластика на более экологически чистую и экономически выгодную.

На основе проведенных исследований можно дать следующие рекомендации для предприятий, изготавливающих одноразовую посуду или вновь организуемых предприятий:

-выпуск нового вида одноразовой посуды из биоразлагаемого в природе материала- биополимера из крахмала;

-снижение затрат на производство одноразовой посуды, путем более низких цен на сырье (крахмал);

- производство, не требующее ликвидации отходов;

- использование отходов производства в сельском хозяйстве, в частности, как биоудобрение.

Выводы

1. При изучении литературы мы выяснили, что такое крахмал, как он используется. Ранее получили биополимер из крахмала и воды под воздействием микроволн. Из данного биополимера получилось сделать посуду. Выяснили какие виды одноразовой посуды существуют и как оценить вред на экологию. В частности, что такое фитотоксичность почвы.

2. Исходя из сравнения посуды из биополимера, бумаги и пластика, выяснили следующее:

- биополимер- до конца не растворим в воде, разложение в почве происходит быстрее, чем у пластика, при высокой температуре никак не меняется, при низкой –длительно сохраняет холод; при кипячении сохраняет форму, не изменяется при воздействии на него кислот, солей и щелочей, сохраняет тепло и не поддерживает горение. Бумажная посуда поддерживает горение, обугливается в кислотах, и изготавливается с использованием клеящих и красящих веществ. Пластиковая посуда длительно разлагается, плавится при высоких температурах и горит с выделением черного дыма и едкого запаха.

3. Определение фитоксичности проб почвы показало, что почва с пластиком слабофитотоксична. А в почве с биополимером масса корней и наземной части больше, чем в контроле. Вероятно, биополимер служит биоудобрением.

4. Стоимость 1 грамма стакана из биополимера будет ниже стоимости 1 грамма стакана из пластика в 14 раз, и ниже 1 грамма стакана из бумаги в 8 раз. Стоимость готового стакана из биополимера будет ниже стоимости бумажного стакана на 47 копеек, но выше стоимости пластикового стакана на 1руб. 30коп.

Список литературы

• Большая детская энциклопедия. Химия/Сост. К. Люцис. М.: Русское энциклопедическое товарищество. 2009.

• Малая детская энциклопедия. Химия./Сост. К. Люцис. М.: Русское энциклопедическое товарищество, 2001.

• Ольгин О. Забавная химия для детей.  М.: «Детская литература», 2017.

• Плешаков А. Мир вокруг нас. Учебник для 4 класса нач. школы. – М.: «Просвещение», 2009.

• Поглазова О., Шилин В. Окружающий мир. Учебник для 3 класса нач. школы. – Смоленск: «Ассоциация XXI век», 2009.

• Я познаю мир. Химия. Автор-составитель Л.А.Савина. - М.: Изд-во «АСТ», 1999.

• Интернет-ресурсы:

• «Технология крахмала и крахмалопродуктов», http://www.pandia.ru/400449/, 17.09.2022

• «Структура, свойства, классификация нативных крахмалов», http://www.sergey-osetrov.narod.ru/Raw_material/Starch_production_Technology.htm, 17.09.2022

• «Тайны и секреты крахмала», http://malahov-plus.com/forum/topic_2113/28, 20.10.2020

• «Получение крахмала из картофеля», http://artyx.ru/news/item/f00/s06/n0000690/index.shtml, 17.09.2022

• «Определение фитотоксичности методом проростков», Привалова Н.М., Процай А.А., Литвиненко Ю.Ф., Марченко Л.А., Паньков В.А. //Успехи современного естествознания. -2006г. 6.11.2023

• «Одноразовая посуда: виды и материалы», https://brpv.ru/useful/, 1.11.2023

ПРИЛОЖЕНИЕ

ТАБЛИЦА 1

Результаты исследования физико-химических свойств посуды из пластика, бумаги и биополимера на основе крахмала

ТАБЛИЦА 2

Результаты изменения проростков

Динамика всхожести семян гороха

ТАБЛИЦА 3

Результаты исследования размеров и массы проростков без почвы

ТАБЛИЦА 4

Результаты определения фитотоксичности проб почвы

ТАБЛИЦА 5

Результаты рассчета стоимости посуды из пластика, бумаги и биополимера из крахмала

*100 штук бумажных стаканов по 150 мл стоят 327 рублей.

1 бумажный стакан 150 мл.- 3руб. 27кап.

Вес 1 бумажного стакана 150мл-5,55гр.

1гр. Бумажного стакана стоит 59коп.

*100 штук пластиковых стаканов по 200 мл стоят 150 рублей.

1 пластиковый стакан 200 мл.- 1руб. 50кап.

Вес 1 пластикового стакана 200мл-1,5гр .

1гр. Пластикового стакана стоит 1руб.

Пластиковый и бумажный стакан- рыночная цена.

*1 килограмм готового картофельного крахмала стоит 60руб (оптовая цена)

1 гр. Крахмала стоит 6 копеек

Водоснабжение: 33руб, 79коп.- стоит 1000литров воды

1000л=1000000мл

32мл воды-стоят менее 1 коп. (0,16 коп.)

Электричество: 3руб,37 коп- стоит 1 кВт

Микроволновая печь мощностью 1000 потребляется в 1 минуту 0, 00167Квт

За 30 сек. – 0,000835Квт

На электричество : 0,28 коп

Стоимость 1 гр. стакана менее 7коп.

Вес исследуемого 1 стакана из биополимера -40гр.