Table of Contents

Введение: Переход к устойчивым полимерам

Современная материаловедение переживает фундаментальный переход, поскольку экологические проблемы меняют промышленные приоритеты. Полимерная промышленность, долгое время зависящая от нефтехимического сырья, теперь сталкивается с растущим давлением, чтобы уменьшить его углеродный след, минимизировать отходы и двигаться к круговороту. Одним из наиболее перспективных направлений в этой трансформации является принятие мономеров на основе биоматериалов в дополнение к полимеризации. Эти мономеры получены из возобновляемых биологических материалов, а не из конечных ископаемых видов топлива, и они предлагают путь к полимерам, которые не только функциональны, но и значительно менее вредны для окружающей среды. В этой статье исследуется химия, стоящая за мономерами на основе биоматериалов, их экологические преимущества, текущие проблемы и исследования, которые приводят их в коммерческую реальность.

Что такое био-мономеры и как они работают при дополнительной полимеризации?

Био-основанные мономеры представляют собой небольшие молекулярные единицы, полученные из возобновляемой биомассы — растения, водоросли, сельскохозяйственные остатки и даже процессы микробной ферментации. В отличие от их нефтехимических аналогов, которые синтезируются из сырой нефти или природного газа, био-основанные мономеры генерируются через биологические пути, такие как фотосинтез, ферментация или ферментативное преобразование. Общие примеры включают молочную кислоту (используемую для получения полимолочной кислоты или PLA), итаконовую кислоту (производимую грибком Aspergillus terreus ), 1,3-пропандиол (из кукурузной глюкозы) и изосорбид (производится из сорбита).

Кроме полимеризации, эти мономеры подвергаются цепным реакциям роста, когда ненасыщенные связи (обычно углерод-углеродные двойные связи) открываются и связываются вместе, образуя длинные полимерные цепи. Механизм одинаков, независимо от того, является ли мономер био- или нефтехимическим - может использоваться радикальное, катионное или анионное инициирование - поэтому переход к био-основе сырья не обязательно требует реинжиниринга целых производственных линий. Эта совместимость является основным преимуществом для промышленного внедрения.

Основные отличия от конденсации полимеризации

Стоит отличать полимеризацию с добавлением от полимеризации конденсацией, поскольку многие полимеры на биооснове (такие как полиэфиры из молочной кислоты) фактически производятся посредством конденсации. Однако здесь основное внимание уделяется полимеризации с добавлением, которая включает в себя важные товарные полимеры, такие как полиэтилен (PE), полипропилен (PP), поливинилхлорид (PVC), поли(метилметакрилат) (PMMA) и полимолочной кислоты (при полимеризации с помощью открывающего кольца добавления). Биооснованные версии этих материалов в настоящее время разрабатываются с использованием мономеров, таких как биоэтилен (от обезвоживания биоэтанола) и биопропилен.

Экологические преимущества использования био-мономеров в дополнительной полимеризации

Преимущества перехода от ископаемых мономеров к биомонмерам простираются по нескольким экологическим измерениям. Ниже подробно рассматривается наиболее значительная польза.

Снижение углеродного следа и выбросов парниковых газов

Диоксид углерода, выделяемый при производстве или сжигании полимеров на биооснове, в значительной степени компенсируется CO2, поглощаемым растениями во время их роста. Это создает почти углеродно-нейтральный цикл, при условии, что биомасса устойчиво поступает и энергия производства является возобновляемой. Оценки жизненного цикла (LCA) показали, что PLA, производимая из кукурузы, снижает выбросы парниковых газов примерно на 50-60% по сравнению с ПЭТ из нефти. Аналогичным образом, полиэтилен на биооснове (из сахарного тростника) снижает выбросы примерно на 30-40% по сравнению с его ископаемым аналогом. Эти сокращения имеют решающее значение для достижения глобальных климатических целей в химическом секторе.

Биоразлагаемость и варианты конца жизни

Многие полимеры на биооснове, в частности алифатические полиэфиры, такие как PLA, полигидроксиалканоаты (PHA) и поли(бутиленсукцинат) биоразлагаемы в условиях промышленного компостирования. Это резко контрастирует с обычными полимерами добавления, такими как полиэтилен, который сохраняется в окружающей среде в течение сотен лет. Биоразлагаемость уменьшает накопление микропластиков в океанах и почвах, растущий экологический кризис. Однако важно отметить, что биоразложение требует конкретных условий (тепло, влажность, микроорганизмы); не все полимеры на биооснове разлагаются в естественных средах, а некоторые (например, био-PE) химически идентичны ПЭ на основе ископаемых и поэтому не разлагаются вообще. Этот нюанс имеет важное значение для политиков и потребителей.

Снижение зависимости от ископаемого топлива

По оценкам Программы ООН по окружающей среде, химический сектор потребляет примерно 10% мировой добычи нефти и газа, в первую очередь в качестве сырья. Заменяя нефтехимические мономеры био-альтернативами, полимерная промышленность может значительно снизить спрос на ископаемое топливо. Это не только снижает выбросы углерода, но и повышает энергетическую безопасность и буферизирует отрасль против волатильности цен на нефтяных рынках. Переход также поддерживает развитие биоэкономики, создание рабочих мест в сельском хозяйстве, биотехнологиях и биорафинировании.

Низкая токсичность и безопасный синтез

Производство нефтехимических мономеров часто включает опасные промежуточные продукты, высокие температуры и катализаторы, которые токсичны или требуют тяжелых металлов. Напротив, многие мономеры на основе биоматериалов производятся путем ферментации или мягкой химической трансформации, используя воду в качестве растворителя и нетоксичных катализаторов, таких как ферменты. Например, итаконовая кислота производится посредством аэробной ферментации глюкозы, избегая использования бензола или оксида этилена. Полученные полимеры имеют меньше остаточных примесей и часто подходят для медицинских и пищевых контактных применений без обширной очистки.

Возобновляемые запасы и циркуляция

Поскольку биомономеры происходят из ежегодно возобновляемой биомассы, а не из геологических месторождений, для формирования которых требуются миллионы лет, они естественным образом вписываются в модель круговой экономики. В сочетании с механической или химической рециркуляции полимеры на биомассе могут быть повторно использованы несколько раз, минимизируя отходы. Кроме того, сырье биомассы, такое как сельскохозяйственные остатки, пищевые отходы и водоросли, не конкурируют напрямую с производством продуктов питания, если управлять ответственно.

Виды био-мономеров, используемых в дополнительной полимеризации

Разработано большое разнообразие биомономеров, каждый из которых обладает различными свойствами и применениями.

  • Биоэтилен — производится путем обезвоживания биоэтанола из сахарного тростника, кукурузы или целлюлозной биомассы. Он химически идентичен нефтехимическому этилену и может быть непосредственно использован для производства био-ПЭ, био-ПВХ и других полимеров на основе этилена. Браскем в Бразилии является одним из крупнейших производителей.
  • Молочная кислота (через лактидное кольцевое открытие) — молочная кислота ферментируется из кукурузы или сахарной свеклы и затем превращается в лактид, циклический димер, который подвергается кольцевой полимеризации с добавлением открытия для образования PLA. PLA широко используется в 3D-печати, компостируемой упаковке и одноразовых столовых приборах.
  • Итаконовая кислота — Полученная из ферментации нитевидных грибов, итаконовая кислота может быть полимеризована путем добавления (радикального) с получением поли(итаконовой кислоты) и сополимеров, используемых в суперабсорбентах, диспергаторах и биомедицинских гидрогелях.
  • Акриловая кислота (на основе био) — Возобновляемые пути из молочной кислоты, глицерола или 3-гидроксипропионовой кислоты теперь дают акриловую кислоту на биооснове для использования в суперабсорбирующих полимерах (подгузниках) и акриловых красках.
  • 1,3-бутадиен — Бутадиен на основе биомассы может быть изготовлен из этанола с помощью процесса Лебедева, что позволяет производить синтетический каучук на основе биомассы (полибутадиен) и пластмассы ABS.
  • Стирен (био-основа) — Хотя он все еще находится в экспериментальном масштабе, био-стирол из лигнина или микробной ферментации предлагает путь к возобновляемым полистироловым и стироль-бутадиеновым каучукам.

Сравнительное воздействие на окружающую среду: био-базированные против ископаемых мономеров

Оценка жизненного цикла (ОСЖ) обеспечивает наиболее строгую основу для сравнения экологических показателей. Несколько ОАС были проведены на биодобавочных полимерах.

Казас: Био-полиэтилен — LCA 2020 года Европейской ассоциации биопластиков, сравнивающей био-PE (из сахарного тростника) с ископаемым-PE, обнаружил, что био-PE снижает потенциал глобального потепления на 30-40% на килограмм полимера. Он также использует на 50-60% меньше невозобновляемых источников энергии. Однако изменение землепользования и потребление воды были немного выше для био-ориентированного маршрута.

Казас: Полилактическая кислота — Исследование NREL показало, что PLA из кукурузы (включая литье под давлением и компостирование в конце срока службы) снижает выбросы CO2 на 63% по сравнению с PET и на 52% по сравнению с PS. PLA также требует на 30-50% меньше энергии ископаемых в течение своего жизненного цикла.

Казас: Биоакриловые суперабсорбенты — Исследование 2022 года в Зеленая химия показало, что акриловая кислота на основе биоглицерина снижает совокупный спрос на энергию на 45% и потенциал глобального потепления на 50% по сравнению с обычными путями окисления пропилена, с предостережением о том, что жизнь катализатора должна быть улучшена.

Эти ЗСК последовательно демонстрируют, что переход на биомономеры приносит чистую экологическую пользу, особенно в отношении воздействия на климат и истощения ископаемых ресурсов. Масштабы выгоды зависят от выбора сырья, методов ведения сельского хозяйства и управления в конце срока службы.

Промышленные приложения и примеры из реального мира

Переход на биомономеры не является лабораторным любопытством, он уже происходит в коммерческих продуктах.

  • Упаковка: Такие глобальные компании, как Coca-Cola, Danone и Nestlé, используют био-PE (производное от сахарного тростника) в своих крышках для бутылок и пленках.
  • 3D-печать: Нить накала PLA является самым популярным материалом для настольных 3D-принтеров, предлагая низкое деформирование, безопасный запах и компостируемость.Крупные производители включают NatureWorks и TotalEnergies Corbion.
  • Разовые столовые приборы: Соломинки, чашки и столовые приборы PLA теперь распространены в ресторанах и пищевых сетях в качестве альтернативы одноразовым пластмассам.
  • Биомедицинские устройства: PLA и поли(лактико-когликолевая кислота) (PLGA) используются в абсорбируемых швах, системах доставки лекарств и каркасах тканевой инженерии, где биоразлагаемость является функциональным требованием.
  • Автомобильные интерьеры: Био-полипропилен (из биопропилена) используется в приборных панелях, дверных панелях и ткани сидений Toyota и Ford, снижая вес автомобиля и углеродный след.

Проблемы и ограничения био-основанных мономеров

Несмотря на очевидные экологические преимущества, широкое распространение мономеров на основе биопрепаратов в дополнение к полимеризации сталкивается с рядом препятствий.

Конкурентоспособность затрат

Био-мономеры часто стоят на 20-100% дороже, чем их нефтяные эквиваленты. Например, биоэтилен из кукурузы может стоить 1,5-2,00 долларов за килограмм против 0,60-1,00 долларов за ископаемый этилен. Эта премия обусловлена стоимостью сырья из биомассы, этапами ферментации и очистки и меньшими масштабами производства. Экономия масштаба и оптимизация процессов, такие как использование более дешевых сельскохозяйственных остатков вместо продовольственных культур, постепенно сокращает разрыв.

землепользование и водопользование

Мономеры первого поколения, основанные на биопрепаратах, полагаются на культуры, выращенные на пахотных землях, что вызывает обеспокоенность по поводу конкуренции с производством продовольствия, потреблением воды и потерей биоразнообразия.Источники второго и третьего поколения (лигноцеллюлозные отходы, водоросли, мономеры, полученные из CO2) могут смягчить эти проблемы, но они требуют передовых технологий предварительной обработки и конверсии, которые еще не являются коммерчески зрелыми.

Производительность и пробелы в собственности

Некоторые полимеры на биооснове имеют более низкую термическую стабильность, механическую прочность или барьерные свойства по сравнению с обычными пластмассами. PLA, например, имеет температуру стеклования около 55-65 ° C, что делает его непригодным для применения в горячих заполнениях. Сополимеризация с соединениями на биооснове (например, с капролактоном) или смешивание с другими полимерами может улучшить эти свойства за счет повышенной сложности и цены.

Инфраструктура конца жизни

Для эффективного разложения биоразлагаемых полимеров требуются промышленные установки компостирования. Многие муниципалитеты не располагают такой инфраструктурой, что приводит к неправильному захоронению на свалке или сжиганию, где теряется польза от биоразлагаемости. Необходимы инвестиции в образование, маркировку и управление отходами.

Утилизация совместимости

Биополимеры, такие как PLA, могут загрязнять обычный поток переработки ПЭТ, потому что они имеют схожий внешний вид, но разные точки плавления. Это привело к тому, что некоторые переработчики призвали к выделению отдельных потоков сбора. Разработка технологий сортировки (например, ближней инфракрасной спектроскопии) и методов химической рециркуляции решает эту проблему.

Будущие перспективы и исследовательские инновации

В следующем десятилетии мы увидим быстрый прогресс в нескольких областях, которые могут сделать биомономеры по умолчанию выбором для многих дополнительных полимеров.

  • Передовые запасы: Исследования лигноцеллюлозной биомассы (древесина, кукурузный постер, бугас) и прямого преобразования CO2 с помощью инженерных микробов снижают давление на землепользование. Компания LanzaTech коммерциализировала процесс, который захватывает стальные мельницы от газов и превращает их в этанол, который может быть обезвожен до биоэтилена.
  • Энзиматическая полимеризация: Ферменты, такие как липазы и лакказы, могут катализировать полимеризацию добавок в воде в мягких условиях, устраняя жесткие растворители и катализаторы. Этот подход «зеленой химии» все еще находится на ранних стадиях, но обещает получение полимеров с высокой чистотой.
  • Блокирующая технология: Химики разрабатывают мономеры, которые сочетают биологические основы со встроенной перерабатываемостью, такие как полимеры, которые деполимеризируются до мономеров в конце жизни (химическая переработка до мономера или CRM).
  • ИИ и машинное обучение: Вычислительный скрининг потенциальных био-мономеров и условий реакции ускоряет обнаружение и оптимизацию, сокращая время от лаборатории до рынка.

Согласно отчету ведущей компании по производству биопластиков Novamont, глобальный производственный потенциал для полимеров на основе биопластика, по прогнозам, вырастет с 2,4 млн тонн в 2023 году до 7,9 млн тонн к 2028 году, что обусловлено потребительским спросом, обязательствами по корпоративной устойчивости и ужесточением правил по одноразовым пластмассам.

Заключение

Использование мономеров на основе биоматериалов в дополнение к полимеризации представляет собой одну из наиболее ощутимых и масштабируемых стратегий декарбонизации пластмассовой промышленности. Заменяя сырье, полученное из ископаемых, возобновляемыми биологическими источниками, производители могут сократить выбросы парниковых газов, уменьшить токсичные побочные продукты и создать полимеры, которые по своей сути более совместимы с круговой экономикой. В то время как затраты, производительность и инфраструктурные проблемы остаются, продолжающиеся достижения в области биотехнологии, диверсификации сырья и технологической инженерии неуклонно сокращают разрыв. По мере усиления общественного и нормативного давления мономеры на основе биоматериалов становятся не просто экологическим вариантом - они становятся конкурентоспособной необходимостью. Для всеобъемлющего праймера по биопластикам читатели могут обратиться к веб-сайту European Bioplastics , который обновляет статистику отрасли и стандарты сертификации, или Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии для передовых исследований химических веществ на основе биоматериалов.