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)酵的實驗，該實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，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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