可回收再利用的塑料袋：可生物降解塑料

可生物降解性,生物基聚合物

一、需氧性處理中的生物回收再利用

堆肥中的分解是好氧分解評估該分解方法的生物降解性的實(shí)驗方法的標(biāo)準(zhǔn)化可以促進(jìn)環(huán)保產(chǎn)品的市場開發(fā)和擴(kuò)展。

為了建立“生物降解性評價實(shí)驗方法的標(biāo)準(zhǔn)化”，BPS在日本進(jìn)行了3年的生物降解劑（MODA法）驗證試驗，并將該實(shí)驗方法作為ISO規(guī)格提交給了日本塑料工業(yè)聯(lián)合會。 2003年，日本塑料工業(yè)聯(lián)合會在2003年9月30日于荷蘭的ISO / TC61 / SC5 / WG22 MAASTRICHT國際會議上將該實(shí)驗方法作為新的操作項目建議（NWIP）提交，并獲得通過。結(jié)果表明，不同國家的生物降解程度不同，這是由于保水率和有機(jī)質(zhì)含量的不同所致。

塑料在堆肥條件下的生物降解能力取決于產(chǎn)生的二氧化碳量。堆肥和塑料樣品的混合物在有氧條件下于58℃生物分解，并在6個月內(nèi)測定。故障分類如圖8-16所示。從圖中可以看出，在誘導(dǎo)階段（滯后階段：生物降解率達(dá)到理論值的10％）和生物降解階段后，經(jīng)過150天進(jìn)入高原階段，總測量時間為6個月（180天）。

圖8-16 生物分解度曲線

瑞典，意大利，中國，印度和日本的驗證測試結(jié)果如圖8-17所示。從圖8-17可以看出，包括區(qū)域差異和實(shí)驗誤差在內(nèi)，PCL在45天后的生物降解能力曲線的R2為0.8191，偏差在20％以內(nèi)，可靠性為82％。每個國家的國內(nèi)偏差（n = 2）低于5％（省略數(shù)據(jù)）。

圖8-17 PCL的生物分解度曲線

從該結(jié)果可以得出以下結(jié)論。
①縮短上崗時間
②提高保水性
將這些作為未來的技術(shù)研究主題，并繼續(xù)進(jìn)行下一階段的驗證測試。

二，厭氧處理中的生物循環(huán)

生物回收和再利用的另一個有希望的過程是產(chǎn)生沼氣。在該方法中可以獲得可用作氣體燃料的甲烷，因此也可以將其視為化學(xué)回收和再利用中的一種。像堆肥一樣，這種方法自很久以前就已成為一種傳統(tǒng)技術(shù)，但是在石油危機(jī)之后，這種方法也得到了改進(jìn)，例如效率低下和易受外部環(huán)境影響。近年來，歐洲進(jìn)行了許多新的嘗試，例如使有機(jī)廢水在甲烷菌的固定板上向上或向下流動，同時在55℃附近的高溫下進(jìn)行甲烷發(fā)酵。如圖8-12所示，用作流體燃料的級別高于用作肥料的級別，并且與燃料電池結(jié)合使用更有吸引力，從而更易于使用電力或成為氣體燃料。這種分解是厭氧生物分解，通過它可以以甲烷的形式回收能量，這將是未來的一個重要領(lǐng)域。
甲烷發(fā)酵是厭氧環(huán)境中常見的微生物反應(yīng)，是在大量厭氧細(xì)菌共同作用下有機(jī)化合物分解為甲烷和二氧化碳的反應(yīng)。在微生物的作用下甲烷的產(chǎn)生經(jīng)歷了三個階段，如圖8-18所示。

圖8-18 在微生物作用下生成甲烷的路線

分解分兩個階段進(jìn)行（圖8-18）。第一步是將復(fù)雜化合物分解為簡單化合物的過程，尤其是低級脂肪酸酯。第二階段是將這些化合物進(jìn)一步分解為甲烷和二氧化碳。在學(xué)術(shù)上，第二階段的分解稱為甲烷發(fā)酵，分解中的相關(guān)細(xì)菌統(tǒng)稱為甲烷細(xì)菌。 A.M. Buswell（1930），H.A。Barker（1936）等人分別培養(yǎng)了各種甲烷細(xì)菌，因此了解了以下化學(xué)式所示的甲烷發(fā)酵機(jī)理。

（1）脂肪酸產(chǎn)生甲烷

可回收再利用的塑料袋：可生物降解塑料(圖4)

（甲酸酯）

（醋酸）

（丙酸）

（丁酸）

（戊酸）

（2）甲烷由酒精產(chǎn)生
可回收再利用的塑料袋：可生物降解塑料(圖10)

（乙醇）

（丙醇）

（異丙醇）

（3）將二氧化碳還原為甲烷
可回收再利用的塑料袋：可生物降解塑料(圖14)

甲烷發(fā)酵包括兩種方法：在常溫下排放污水污泥和尿液時進(jìn)行中溫發(fā)酵（約38℃），在60?70℃下排放工廠廢水（如酒精的蒸餾水）進(jìn)行高溫發(fā)酵。

上述兩種處理方法的摘要如圖8-19所示。中國在這一領(lǐng)域的技術(shù)比較先進(jìn)，因此應(yīng)該積極向國際社會提出建議。從全球化的角度來看，可生物降解塑料作為增強(qiáng)中國工業(yè)競爭力的資本，對于中國技術(shù)的國際優(yōu)勢，中國在國際市場上的地位以及研發(fā)成果的普及至關(guān)重要。

圖8-19 需氧分解和厭氧分解的總結(jié)

為了滿足社會的需求，建立支持產(chǎn)業(yè)競爭力共同基礎(chǔ)的實(shí)驗評估方法非常重要。此外，為了通過海外計劃中的驗證測試獲得客觀的評估并使其成為全球標(biāo)準(zhǔn)，有必要研究和討論可能出現(xiàn)的新問題。自1989年以來，BPS一直致力于建立可生物降解塑料的實(shí)驗和評估方法，以期將來制定出日本發(fā)布的ISO規(guī)范。

近年來，PLA泡沫已被引入Precision City的魚箱市場，并進(jìn)行了在中等溫度（約38℃）下甲烷發(fā)酵的實(shí)驗，該實(shí)驗利用損壞的魚箱和食物殘渣回收沼氣。該產(chǎn)品還具有一些問題，例如由于其低發(fā)泡率而導(dǎo)致重量大和強(qiáng)度不足。而且，需要討論材料的粉碎方法以及與食物殘渣的混合比，但是已經(jīng)將其生物分解并轉(zhuǎn)化為沼氣。

與食物殘渣和牲畜糞便相比，堆肥，甲烷發(fā)酵和掩埋在土壤中，緩慢的分解速度是這些材料的共同特征。圖8-20是堆肥環(huán)境下可生物降解塑料（PBS，衍生自石油）和基于生物的聚合物（PLA）之間的可生物降解性的比較。盡管它們之間存在差異，但與生活垃圾（2?5天）和牲畜糞便（5?7天）相比，分解速度非常慢，所需時間（天）也很長。我們不能指望在混合中使用塑料作為主要原料，因此我們必須掌握適當(dāng)?shù)幕旌媳壤?/span>

圖8-20 堆肥環(huán)境下的生物分解度曲線

三，生物循環(huán)利用的前景

至于生物基化學(xué)品，2015年琥珀酸的表觀消費(fèi)量約為100,000噸。根據(jù)透明市場研究機(jī)構(gòu)2013年發(fā)布的報告，預(yù)計到2018年琥珀酸市場需求將達(dá)到8億美元。2014年，全球乳酸表觀消費(fèi)量約為40萬噸，國內(nèi)乳酸制酸能力超過20萬噸，但實(shí)際表觀消費(fèi)量僅為6萬噸。盡管國內(nèi)供需失衡很大，但仍有企業(yè)為乳酸生產(chǎn)項目做準(zhǔn)備，必須引起注意。

近年來，生物基塑料發(fā)展迅速，關(guān)鍵技術(shù)取得突破，產(chǎn)品類型迅速增加，產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性提高。它們正在成為工業(yè)投資的熱點(diǎn)，顯示出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，數(shù)十條產(chǎn)能超過10,000噸的生產(chǎn)線已經(jīng)或正在建設(shè)中。在短期內(nèi)，由于生物基塑料的高成本，一些功能性應(yīng)用品種將迅速發(fā)展。例如，可生物降解塑料由于其可生物降解性而滿足歐美發(fā)達(dá)國家塑料禁令的要求，即使成本高，市場空間也很大。從長遠(yuǎn)來看，除了可生物降解塑料的發(fā)展外，某些不可生物降解的塑料，例如生物基尼龍，生物基聚乙烯和生物基聚對苯二甲酸乙二醇酯，可能會在世界范圍內(nèi)得到廣泛使用。但是，在中國，由于尚未對這些材料進(jìn)行測試，因此短期內(nèi)不會大規(guī)模開發(fā)。生物基材料產(chǎn)業(yè)正處于實(shí)驗室研究開發(fā)階段，進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用階段，并逐漸成為工業(yè)化的散裝材料。但是，在微生物合成菌株，原料研發(fā)，產(chǎn)品成型加工技術(shù)和設(shè)備以及大規(guī)模應(yīng)用示范等方面，仍需不斷發(fā)展。

以生物基聚合物的生物循環(huán)為例，可生物降解塑料或生物基聚合物的生物循環(huán)的前景被展望。在普及和普及過程中，生物基聚合物的生物循環(huán)利用的主要問題是確保性能和降低價格。在生物基聚合物的普及中，如何大幅度降低價格并增強(qiáng)傳統(tǒng)商業(yè)塑料的競爭力直接關(guān)系到其未來。根據(jù)日本有機(jī)資源協(xié)會的計算，假設(shè)相關(guān)的生產(chǎn)條件與現(xiàn)在相同，則年產(chǎn)5萬噸的PLA的生產(chǎn)成本為450日元/ kg，在原料加工過程中消耗了70％物料發(fā)酵得到乳酸單體。這表明以國內(nèi)生物質(zhì)為原料很難經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)聚乳酸。但是，通過將PLA分解為乳酸低聚物和單體的酶微生物進(jìn)行PLA的再利用和回收，以及通過生物回收和再利用進(jìn)行化學(xué)回收和再利用，在制造成本和回收方面有望與傳統(tǒng)塑料競爭。

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