Биоразлагаемая упаковка: условия и скорость разложения

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Амирханова С.А. 1Никольская А.Д. 1Мовсисян Д.А. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение «Лицей №8 «Олимпия» Дзержинского района Волгограда»

Стесякова М.В. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение «Лицей №8 «Олимпия» Дзержинского района Волгограда»

Работа в формате PDF

640 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение:

Актуальность: В современном мире широкое применение нашли изделия из пластмасс. Одними из самых распространенных изделий, изготовленных из пластика, являются различного рода пакеты для упаковки товаров. Но пластиковые отходы сложно перерабатывать, а при попадании в окружающую среду, они очень долго разлагаются. Поэтому, в настоящее время все чаще стали использовать биоразлагаемые пластиковые упаковки, которые способны разлагаться в естественных природных условиях до минеральных веществ и не могут наносить вред окружающей среде. Также существует мнение, что биоразлагаемые пластики на самом деле вовсе не разлагаются в природе до конца, а накапливаются на свалках и загрязняют окружающую среду.

Цель:

- исследовать условия, при которых биополимеры могут максимально разлагаться в естественных условиях.

Задачи:

- выявить, какие пластмассовые изделия считаются биоразлагаемыми;

- выяснить, подвергаются ли разложению биоразлагаемые пластики;

- создать условия для разложения, максимально приближенные к природным;

- контролировать процесс разложения по изменению массы образца полимера и по выделению углекислого газа.

Объект исследования: пищевая пленка

Предмет исследования: условия биоразложения полимолочной кислоты

Глава I. Литературный обзор

Экологичная упаковка – решение проблемы утилизации отходов

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. 

Одним из способов решения данной проблемы является биоразлагаемые полимеры. Их создание является главной задачей научного поиска на протяжении последних 30 лет. Не смотря 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.

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. Наиболее распространенными видами таких пакетов являются:

пакеты из полилактида (полимолочная кислота)

пакеты из смеси крахмала и полиэфира

Полимолочная кислота – биополимер будущего

Одним из биоразлагаемых полимеров является полимолочная кислота (полилактид). Она является наиболее перспективной заменой традиционным полимерам, применяющимся: для производства упаковок с недолгим сроком использования, в медицине и косметологии, в пищевой и кожевенной промышленности, а также в окрашивании тканей.

Полимолочная кислота или ПМК (C₃H₄O₂)_n является биополимером, который обладает такими свойствами как прочность, прозрачность, пластичность, термопластичность. Также она может быть переработана всеми возможными способами. Это все выделяет ее на фоне остальных биополимеров.

ПМК используется для производства изделий с коротким сроком службы (пищевая упаковка, одноразовая посуда, пакеты, различная тара) в медицине, для производства хирургических нитей и штифтов имплантатов для медицины, средств личной гигиены. При получении пластиков на основе полимолочной кислоты с высокими физико-механическими свойствами используется оптически чистая молочная кислота, представляющая собой L - или D-изомеры.

При введении в полимолочную кислоту соответствующих пластификаторов, таких как монолаурат полиэтиленгликоля, полиэтиленгликоль, олигомолочная кислота, цитраты, она приобретает эластичные свойства и может стать заменой полиэтилена, полипропилена и др. Продлить срок службы полимеров позволяет уменьшение количества мономеров в их составе.

Однако, на данный момент, несмотря на все достоинства полимолочной кислоты, задержки ее производства в промышленном масштабе вызваны тем, что она по своей себестоимости превышает себестоимость полиэтилена, а также низкой производительностью технологических линий. Вследствие этого,в данное время большое внимание уделяется вопросам удешевления получаемой биоразлагаемой продукции за счет создания высокопроизводительных технологических процессов.

Саму молочную кислоту получают путем ферментации глюкозы с использованием в качестве микробных продуцентов различных штаммов бактерий или мицелиалъных грибов рода Rhizopus.

Производство полимолочной кислоты

Технологическую схему производства полимолочной кислоты из глюкозы можно представить следующими основными стадиями:

1. Ферментация глюкозы до молочной кислоты.

2. Выделение и очистка молочной кислоты.

3. Олигомеризация молочной кислоты.

4. Лактидизация.

5.Получение полимолочной кислоты

Так как в результате реакции поликонденсации молочной кислоты образуется хрупкий полимер с невысокой молекулярной массой, который имеет ограниченную область применения, появляется необходимость использования сшивающих добавок или более совершенных биотехнологических подходов.

Из большого количества биоразлагаемых пластмасс полиагидроксипропионаты — или по-другому, полимеры молочной кислоты, полилактаты — становятся наиболее многообещающим заменителем традиционных пластмасс, т. к., помимо их физико-механических свойств, они поддаются с незначительными модификациями обработке на обыкновенном экструзионном и выдувном оборудовании. Кроме того, полилактаты универсальны. К примеру, полилактаты с Mr от 60 000 – 100 000 можно получить благодаря полимеризации лактида с раскрытием цикла.

Молочная кислота (химическая формула - CH₃ – CH(OH) – COOH) служит мономером для производства полилактата. Молочная кислота в промышленности производится химическим (50 %) и ферментативным (50 %) синтезами. МК получают путем ферментации таких углеводов, как сахароза, лактоза и глюкоза, или неочищенного возобновляемого сырья биологического происхождения (крахмала, патоки или молочной сыворотки). С помощью бактерий типа Lactobacillus, Pediococcus, Lacococcus, Streptococcus, а также некоторых грибковых штаммов типа Rhizopus Oryzae. Известен способ получения молочной кислоты путем сбраживанием гидролизата крахмала с помощью Lactobacillus delbriickii в присутствии Lactobacillus leichmanni при температуре приблизительно равной 67^oC при использовании молока натурального цельного или обезжиренного, или порошкообразного в качестве источника питательных веществ для молочнокислых бактерий. Длительность сбраживания по этому способу составляет 6-7 суток.

Способ получения лактида заключается в дистилляции молочной кислоты. Получение происходит в две стадии. В начале отгоняется вода, после чего лактид. При дегидратации молочной кислоты, на первой стадии образуется олигомерный линейный лактид. На второй стадии образуется лактид путем деполимеризации олигомера при пониженном давлении, который впоследствии отгоняется при 200–240 °С и давлении 5 мм рт. ст. 200 г молочной кислоты = 125 г лактида.

С помощью добавления катализатора (в его роли могут выступать титанаты, порошок цинка, оксид цинка, порошок олова) можно повысить выход лактида.

Благодаря блочной полимеризации, проходящей при низкой температуре с использованием чистого лактида и небольшой концентрации катализатора (к примеру, бис(2-этилгексаноат) олова(II)) можно получить наибольшую молекулярную массу полимера. С помощью добавления воды, спирта или амины, которые будут являться инициаторами, можно контролировать молекулярную массу. Это необходимо, так как из лактида могут быть полимеры разной молекулярной массы.

К несчастью, в нашей стране изучению синтеза полилактатов уделяется мало внимания. Конечно, имеется большое количество научно-исследовательских институтов, занимающихся этой проблемой, однако промышленного производства полимера молочной кислоты на данный момент нет.

Разложение полимолочной кислоты в природных условиях

Полимолочная кислота подвергается разложению в окружающей среде под действием физических факторов (таких как свет, влага) и микроорганизмов – бактерий или грибков. Изделия из полимолочной кислоты при компостировании полностью разлагаются до воды и углекислого газа (как и большое количество полимеров на основе гидроксикарбоновых кислот). Период разложения составляет приблизительно 20–90 дней.

Стандартно полимер молочной кислоты подвергается разложению в специализированном оборудовании при повышенной температуре (выше 200 ⁰C). Разложение полимера идет в два этапа. Вначале эфирные группы постепенно подвергают гидролизу водой для образования молочной кислоты и прочих некрупных молекул, после чего их разлагают с помощью микробов в определенной среде. На время протекания процесса разложения влияют степень полимеризации, температура, наличие низкомолекулярных примесей и катализатора. ПМК часто соединяют с крахмалом для увеличения способности к биологическому разложению и экономичности производства. Несмотря на это, полученные смеси крайне непрочные, поэтому к ним часто добавляют глицерин или сорбит для увеличения их эластичности. Взамен пластификаторов часто для смягчения ПМК производители прибегают к использованию создания сплава с другими разлагаемыми полиэфирами.

Также, чтобы добиться уменьшения времени разложения полилактата, в него вводится сомономер (к примеру, гликолид). Однако сополимеры гликолида и лактида разлагаются не до углекислого газа и воды, а до гликолевой и молочной кислоты.

Встает вопрос о том, можно ли добиться разложения полимолочной кислоты в природных условиях? Так как утилизация несортированного мусора требует больших расходов, будет намного легче, если выброшенные упаковки, сделанный на основе полилактата, будут подвергнуты разложению без какого-либо участия человека.

Глава II. Экспериментальная часть

Эксперимент проводился на базе школьной лаборатории лицея №8 «Олимпия».

Для эксперимента мы выбрали пищевую пленку, изготовленную из биоразлагаемого полимера - полимолочной кислоты.

Суть проводимого нами эксперимента состояла в создании разных условий, максимально приближенных к естественным, природным условиям, фиксировании изменения массы образца ПМК, а также изучении состава газовой фазы в замкнутом сосуде, в котором находился образец полилактата.

Рис. 1.

1 – трехгорлая колба (V = 250 см³);

2 – образец полимера;

3 – вода/почва/субстрат, имитирующий почву;

4 – поглотительные склянки с 1М раствором NaOH;

5, 6 – поглотительные трубки с твердым NaOH;

7 – микрокомпрессор;

8 – краники для регулирования потока продувочного воздуха.

По некоторым предположениям, должно происходить уменьшение массы образца и увеличение объема диоксида углерода в колбе. В процессе нашего эксперимента происходило исследование разложения полимера в воздухе, в воде, в почве и в субстрате, имитирующем почву.

2.1. Разложение полимера в субстрате, имитирующем почву

В роли субстрата был использован прокаленный речной песок с добавлением препарата «Фитоспорин-М» (стандартизованная субстанция с содержанием микроорганизмов Bacillus Subtilis 100 млн. кл./г). Образец ПМК взвесили (4г) и поместили в замкнутый сосуд объемом 250 см³. Спустя 30 дней из сосуда извлекли образец. К сожалению, взвесить его не удалось, так как он подвергся разложению. Количество выделившегося оксида углерода (IV) при разложении полимера определили с помощью раствора гидроксида натрия, который поглощал весь углекислый газ. Объем взятой нами поглотительной жидкости для титрования (1М раствор гидроксида натрия) составлял 20 см³. Для удаления выделившегося углекислого газа из колбы в поглотительный раствор, использовалась продувка воздухом в течение 40 мин. В колбу помещалось 20 см³ исследуемого раствора (после поглощения углекислого газа) и проводилось титрование 0,1М раствором соляной кислоты. В качестве индикатора использовался фенолфталеин.

NaOH+HCl=NaCl+H₂O

После первого титрования в колбу был добавлен индикатор метиловый оранжевый, и содержимое колбы подвергалось вторичному титрованию 0,1М раствором соляной кислоты до изменения окраски от желтой к оранжевой. Результатом второго титрования являлась реакция соляной кислоты с карбонатом натрия, входящего в состав поглотительного раствора.

Na₂CO₃+2HCl=2NaCl+CO₂+H₂O

На нейтрализацию карбоната натрия (Na₂CO₃) израсходовано 3,58 мл 0,1М HCl. Чтобы вычислить массу выделившегося углекислого газа, был поставлен параллельный опыт без образца полимолочной кислоты. Проводилось титрование контрольного поглотительного раствора. По результатам титрования 2-х опытов (основного и контрольного) вычислялась масса углекислого газа, который выделился при разложении полилактата.

Результат: масса образца не определилась, объем кислоты, пошедшей на титрование поглотительного раствора - 3,58 мл 0,1М HCl, масса выделившегося СО₂ – 0,75 г. (Приложения 1,6, таблица 3)

2.2. Разложение полимера в почве в присутствии почвенных микроорганизмов

В роли субстрата была использована почва с различными микроорганизмами. Образец ПМК взвешивался (4 г) и помещался в реакционный сосуд с почвой. По прохождении 30 дней нашего эксперимента из сосуда он был извлечен, однако провести повторное взвешивание образца не удалось, в связи с тем, что полимер распался на небольшого размера частицы, которые было невозможно отделить от почвы.Для того, чтобы определить концентрацию углекислого газа в реакционном сосуде, был использован метод титрования, описанный в предыдущем опыте.

Результат: масса образца не определилась, объем кислоты, пошедшей на титрование поглотительного раствора - 3,6мл 0,1М HCl, масса выделившегося СО₂ – 0,7 г. (Приложения 2,6, таблица 4)

2. 3. Разложение полимера на воздухе

Образец ПМК был взвешен (4г) и помещен в закрытый реакционный сосуд. По истечению 30 дней, полимер был извлечен и повторно взвешен. Изменений массы полимера и содержания двуокиси углерода не наблюдалось.

Результат: масса образца не изменилась, объем кислоты, пошедшей на титрование поглотительного раствора - 0,85 0,1М HCl, масса выделившегося СО₂ – 0 г. . (Приложения 6, таблица 5)

2 4. Разложение полимера в воде

Образец полимера был взвешен (4г) и помещен в закрытый реакционный сосуд, наполненный водой. По окончанию эксперимента, образец был извлечен и повторно взвешен. Наблюдалось увеличением массы ПМК (4,34г), а также увеличение содержания углекислого газа в сосуде.

Результат: масса образца увеличилась на 0,34 г, объем кислоты, пошедшей на титрование поглотительного раствора - 1,09мл 0,1М HCl, масса выделившегося СО₂ – 0,27 г. (Приложения 3,6, таблица 6)

Температура проводимых экспериментов – комнатная. Результаты титрования поглотительного раствора представлены в таблице.

2.5.Итоги эксперимента

Опыт 1. Разложение полимера в субстрате, имитирующем почву. В таблице 2 представлены результаты проводимого взвешивания полимера и определения изменения концентрации углекислого газа в сосуде. По завершению эксперимента не получилось взвесить образца. Наблюдалось увеличение содержания диоксида углерода. Поэтому можно сделать вывод, что ПМК подвергается биоразложению в присутствии микроорганизмов Bacillus Subtilis.

Опыт 2. Разложение полимера в почве в присутствии почвенных микроорганизмов. В таблице 3 представлены результаты проводимого взвешивания образца полимера и определенные изменения концентрации углекислого газа в сосуде Процесс биоразложения подтвердился образованием углекислого газа в реакционном сосуде. К сожалению, взвесить образец по окончанию эксперимента не удалось, так как полимер распался на мелкие частицы, сложно отделимые от почвы.

Опыт 3. Разложение полимера на воздухе. В таблице 4 представлены результаты проводимого взвешивания образца полимера и определенные изменения концентрации углекислого газа в сосуде. Масса полимера и содержание двуокиси углерода не подверглись изменениям. Вследствие этого можно утверждать, что на воздухе не происходит разложения ПМК.

Опыт 4. Разложение полимера в воде. В таблице 5 представлены результаты проводимого взвешивания образца полимера. Масса полимера увеличилась. Это изменение объясняется хорошей влагопоглощательной способностью ПМК. Кроме этого, увеличилась концентрация диоксида углерода в сосуде. Также, в воде ПЛК( полилактаты) подвержены разрушению, вследствие чего наблюдалось уменьшение прочности ПМК. (Приложение 6, таблица 1, 2)

Заключение

В ходе эксперимента были получены результаты:

В водной среде произошло увеличение массы и объема образа полимера молочной кислоты. Однако количество углекислого газа увеличилось. Поэтому можно выдвинуть предположение о том, что в воде происходит дезинтеграция полимолочной кислоты, но незначительная;- Полимер в почве и субстрате подвергся разложению, т. к. в обоих случаях масса образца уменьшилась, а количество диоксида углерода в колбе увеличилось.- На воздухе не наблюдалось разложение ПМК т. к. масса полимера не уменьшилась и диоксида углерода в колбе не обнаружено;- Существует вероятность серьезно облегчить разложение биоразлагаемых упаковок. Следовательно, цель нашей работы – исследование разложения полимолочной кислоты в природных условиях – достигнута. С помощью эксперимента было подтверждено, что полилактаты могут подвергаться биоразложению в естественных условиях. Мы считаем, что данный результат должен найти практическое применение, так как проблема, связанная с переработкой мусора, актуальна в наше время. Следует принять во внимание тот факт, что использовавшийся нами метод определения массы выделившегося в ходе эксперимента углекислого газа в сосуде не дает возможности следить за характером выделения данного газа. Так что в будущем следует применять метод газовой хроматографии, позволяющий через конкретные промежутки времени брать пробу газа из сосуда, определять концентрацию диоксида углерода в данный момент времени, а после строить график зависимости концентрации углекислого газа от времени проводимого эксперимента. Есть также способ измерения содержания оксида углерода (IV) в сосуде – присутствующий на постоянной основе в сосуде зонд с инфракрасным датчиком. Так, благодаря сигналам датчика, можно судить о количестве этого газа.

Также планируется построить похожий график, который будет отражать изменение массы полимера. Также будет проходить визуальное исследование внешнего состояния полилактата с помощью микроскопа в отраженном свете. Благодаря этому получится увеличить точность получаемых данных. Скорее всего, сильно увеличится и время протекания эксперимента.

Подводя итог вышесказанному, нужно сказать, что не все полимеры, используемые в промышленности, медицине и в нашей повседневной жизни человек, должны быть заменены на те, что подвержены разложению. Однако в производстве упаковок будущее, несомненно за биоразлагаемыми полимерами.

Список источников и литературы:

Разработка технологического процесса получения биоразлагаемых полимеров на основе молочной кислоты [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://knowledge.allbest.ru/manufacture/2c0a65625b2ad78b5d53a89421206d27_0.html (Дата обращения 14.12.18)

Биотехнологическое использование полимолочной кислоты. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://studbooks.net/2401443 (/matematika_himiya_fizika/obschie_svedeniya_polimolochnoy_kislote) (Дата обращения 14.12.18)

Биотехнологическое использование полимолочной кислоты.

[Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://knowledge.allbest.ru/chemistry/3c0a65635a2ac79b5c53a89521216d27_0.html (Дата обращения 20.12.18)

Полимолочная кислота. Получение и свойства. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://msd.com.ua/utilizaciya-i-vtorichnaya-pererabotka-plastmass/polimolochnaya-kislota-poluchenie-i-svojstva (Дата обращения 20.12.18)

Биоразлагаемые полимеры– упаковка будущего. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://nsportal.ru/ap/library/drugoe/2014/03/06/biorazlagaemye-polimery-upakovka-budushchego (Дата обращения 17.01.19)

Биоразлагаемый пластик — разновидности, технология производства, основные свойства. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://rcycle.net/plastmassy/biorazlagaemyj-plastik-raznovidnosti-tehnologiya-proizvodstva-osnovnye-svojstva (Дата обращения 17.01.19)

Биоразлагаемый пластик — разновидности, технология производства, основные свойства. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://rcycle.net/plastmassy/biorazlagaemyj-plastik-raznovidnosti-tehnologiya-proizvodstva-osnovnye-svojstva (Дата обращения 17.01.19)

Приложения

Приложение 1

Фотография 1. Реакционный сосуд с субстратом

Приложение 2

.

Фотография 2. Реакционный сосуд с почвой

Приложение 3

Фотография 3. Реакционный сосуд с водой.

Приложение 4

.

Фотография 4. Поглотительная склянка с раствором NaOH

Приложение 5

Таблица 1. Результаты титрования поглотительного раствора.

Таблица 2. Сводная таблица с результатами экспериментов.

Приложение 6

Результаты взвешивания образца полимолочной кислоты и определения содержания CO₂.

Таблица 3. Реакционный сосуд с субстратом, имитирующим почву.

(На 30 день эксперимента полимер распался на мелкие частицы, которые невозможно отделить от субстрата, в виду чего результаты взвешивания отсутствуют. Таким образом можно утверждать, что произошло биоразложение.)

Таблица 4. Реакционный сосуд с почвой.

(На 30 день эксперимента полимер распался на мелкие частицы, которые невозможно отделить от почвы, в виду чего результаты взвешивания отсутствуют.)

Таблица 5. Реакционный сосуд с воздухом.

(За время проведения эксперимента образец полимера молочной кислоты не подвергается разложению.)

Таблица 6. Реакционный сосуд с водой.