バイオプラスチック：製造方法、種類、利点、欠点 - 環境

バイオプラスチックは、生分解性である石油化学起源またはバイオマスのポリマーに基づく任意の展性材料です。石油から合成される従来のプラスチックと同様に、これらはさまざまな物体に成形できます。

バイオプラスチックは、その起源に応じて、バイオマス（バイオベース）から取得するか、石油化学に由来します。一方、それらの分解レベルに応じて、生分解性および非生分解性バイオプラスチックがあります。

生分解性澱粉ポリエステル製のカトラリー。ソース：スコットバウアー

バイオプラスチックの台頭は、従来のプラスチックによって発生する不便に対応して発生します。これらには、海洋や埋め立て地における非生分解性プラスチックの蓄積が含まれます。

一方、従来のプラスチックは、カーボンフットプリントが高く、有毒元素が多く含まれています。対照的に、バイオプラスチックは毒性要素を生成せず、一般に生分解性でリサイクル可能であるため、いくつかの利点があります。

バイオプラスチックの主な欠点は、製造コストが高く、抵抗が低いことです。さらに、使用される原材料の一部は潜在的な食品であり、経済的および倫理的な問題を引き起こします。

バイオプラスチックオブジェクトのいくつかの例は、生分解性バッグや車両や携帯電話の部品です。

バイオプラスチックの特徴

バイオプラスチックの経済的および環境的重要性

バイオプラスチックで作られたさまざまな実用的なオブジェクト。出典：HwajaGötz、Wikimedia Commons経由

最近、再生可能な原材料からプラスチックを製造することに大きな科学的および産業的関心があり、それは生分解性です。

これは、世界の石油埋蔵量が枯渇しつつあり、石油プラスチックによる深刻な環境破壊への意識が高まっているという事実によるものです。

世界市場でのプラスチックの需要の増加に伴い、生分解性プラスチックの需要も増加しています。

生分解性

生分解性バイオプラスチック廃棄物は、有機性の、急速に分解する無公害廃棄物として処理できます。たとえば、生物学的プロセスによって自然にリサイクルされるため、堆肥化における土壌改良剤として使用できます。

無数の商業用途を持つバイオプラスチック。出典：F. Kesselring、FKuR Willich、Wikimedia Commons経由

バイオプラスチックの限界

生分解性バイオプラスチックの製造は大きな課題に直面しています。なぜなら、バイオプラスチックは石油プラスチックよりも劣った特性を持ち、その用途は成長していますが、制限されているからです。

バイオプラスチックの性質の改善

バイオプラスチックの特性を改善するために、カーボンナノチューブや化学修飾された天然繊維など、さまざまな種類の添加剤を含むバイオポリマーブレンドが開発されています。

一般に、バイオプラスチックに適用される添加剤は、次のような特性を改善します。

剛性と機械的抵抗。
ガスや水に対するバリア性。
耐熱性と耐熱性。

これらの特性は、化学的調製および処理方法によってバイオプラスチックに組み込むことができます。

バイオプラスチックはどのように製造されますか？

熱可塑性デンプン製の包装用バイオプラスチック。出典：Christian Gahle、nova-Institut GmbH

-簡単な歴史

バイオプラスチックは、従来の石油由来の合成プラスチックよりも古いものです。プラスチック材料を製造するための植物性または動物性物質のポリマーの使用は、天然ゴム（Hevea brasiliensisのラテックス）を使用して18世紀にさかのぼります。

最初のバイオプラスチックは、その名前は付けられていませんが、象牙の代わりに綿セルロースからプラスチックを製造したジョンウェスリーハイアットジュニアによって1869年に開発されました。同様に、19世紀の終わりには、牛乳のカゼインがバイオプラスチックの生産に使用されました。

1940年代に、フォードの会社は、植物原料を使用して自動車用の部品を製造する代替案を模索しました。この一連の研究は、戦争による鋼鉄の使用に関する制限によって促されました。

その結果、1941年に同社は、主に大豆誘導体から構成される車体モデルを開発しました。しかし、終戦後、この取り組みは継続されませんでした。

1947年までに、最初の技術的なバイオプラスチック、ポリアミド11（商標としてのリルサン）が生産されました。その後、90年代にPLA（ポリ乳酸）、PHA（ポリヒドロキシアルカノエート）、可塑化デンプンが登場しました。

-原材料

バイオベースのバイオプラスチックは、植物バイオマスから作られるものです。バイオベースの原料の3つの基本的なソースは次のとおりです。

バイオマスの天然高分子

デンプンや糖など、植物によって直接作られた天然高分子を使用できます。たとえば、「ポテトプラスチック」は、ジャガイモでんぷんから作られた生分解性バイオプラスチックです。

バイオマスモノマーから合成されたポリマー

第二の選択肢は、植物または動物の供給源から抽出されたモノマーからポリマーを合成することです。このルートと以前のルートの違いは、中間の化学合成がここで必要とされることです。

たとえば、Bio-PEまたはグリーンポリエチレンは、サトウキビから得られるエタノールから生産されます。

バイオプラスチックは、卵殻タンパク質であるグリコサミノグリカン（GAG）などの動物源からも生成できます。このタンパク質の利点は、より耐性のあるバイオプラスチックを入手できることです。

細菌培養に基づくバイオテクノロジー

バイオプラスチック用のポリマーを製造する別の方法は、細菌培養によるバイオテクノロジーです。この意味で、多くのバクテリアは、抽出して処理できるポリマーを合成して保存します。

このために、細菌は適切な培地で大量に培養され、特定のポリマーを精製するために処理されます。たとえば、PHA（ポリヒドロキシアルカノエート）は、過剰な炭素を含み、窒素やリンを含まない培地で成長するさまざまな細菌属によって合成されます。

細菌は、ポリマーを細胞質に顆粒の形で保存します。これは、細菌の塊を処理することによって抽出されます。別の例はPHBV（ポリヒドロキシブチルバレレート）で、これは植物の残骸から得られた糖を供給されたバクテリアから得られます。

このようにして得られたバイオプラスチックの最大の制限は、主に必要な培地による生産コストです。

天然高分子とバイオテクノロジー高分子の組み合わせ

オハイオ大学は、天然ゴムとバイオプラスチックPHBV、有機過酸化物、トリメチロールプロパントリアクリレート（TMPTA）を組み合わせることで、かなり強力なバイオプラスチックを開発しました。

-生産工程

バイオプラスチックは、原料や目的の特性に応じて、さまざまなプロセスで得られます。バイオプラスチックは、基本プロセスまたはより複雑な産業プロセスを通じて取得できます。

基本的なプロセス

デンプンまたはトウモロコシまたはジャガイモデンプンなどの天然ポリマーを使用する場合は、調理および成形することができます。

したがって、バイオプラスチックを製造するための基本的なレシピは、コーンスターチまたはポテトスターチを水と混合し、グリセリンを加えることです。続いて、この混合物は、それが濃くなるまで調理され、成形され、乾燥される。

中程度の複雑さのプロセス

バイオマスモノマーから合成されたポリマーで製造されたバイオプラスチックの場合、プロセスはやや複雑です。

たとえば、サトウキビのエタノールから得られるBio-PEには、一連のステップが必要です。最初に、サトウキビから砂糖を抽出し、発酵と蒸留によってエタノールを取得します。

次に、エタノールが脱水され、エチレンが得られますが、これは重合する必要があります。最後に、熱成形機を使用して、このバイオプラスチックに基づいてオブジェクトが製造されます。

複雑でより高価なプロセス

バイオテクノロジーによって得られたポリマーから製造されたバイオプラスチックに言及する場合、複雑さとコストが増加します。これは、特定の培地と成長条件を必要とする細菌培養が関与しているためです。

このプロセスは、特定の細菌が内部に保存できる天然のポリマーを生成するという事実に基づいています。したがって、適切な栄養要素から始めて、これらの微生物は培養され、ポリマーを抽出するために処理されます。

バイオプラスチックは、Botryococcus brauniiなどの一部の藻からも作成できます。この微細藻類は、炭化水素を生成し、さらに環境に排出することができ、そこから燃料またはバイオプラスチックが得られます。

-バイオプラスチックをベースとした製品の製造

基本的な原理は、圧力と熱を使用したこのコンパウンドのプラスチック特性のおかげで、オブジェクトの成形です。加工は、押出、射出、射出とブロー、プリフォームのブロー、熱成形によって行われ、最後に冷却されます。

タイプ

酢酸セルロース製のパッケージ。出典：Christian Gahle、nova-Institut GmbH

バイオプラスチックの分類へのアプローチは多様であり、論争がないわけではありません。いずれの場合も、さまざまなタイプを定義するために使用される基準は、分解の元とレベルです。

-原点

一般化されたアプローチによれば、バイオプラスチックは、その起源によってバイオベースまたは非バイオベースに分類できます。前者の場合、ポリマーは植物、動物、または細菌のバイオマスから得られるため、再生可能な資源です。

一方、非バイオベースのバイオプラスチックは、油から合成されたポリマーで製造されたものです。しかし、それらは再生不可能な資源に由来するため、一部の専門家は、それらをバイオプラスチックとして扱われるべきではないと考えています。

-分解のレベル

分解のレベルに関しては、バイオプラスチックは生分解性である場合とそうでない場合があります。生分解性のものは、適切な条件にさらされると、比較的短い期間（数日から数ヶ月）で分解します。

一方、非生分解性バイオプラスチックは、石油化学由来の従来のプラスチックと同様に機能します。この場合、減衰期間は数十年、さらには数世紀で測定されます。

真のバイオプラスチックは生分解性でなければならないと考える学者もいるので、この基準に関しては論争もあります。

-起源と生物分解

前の2つの基準（起源と分解のレベル）を組み合わせると、バイオプラスチックは3つのグループに分類できます。

再生可能な原材料（バイオベース）と生分解性のものを使用しています。
再生可能な原料（バイオベース）から得られたものですが、生分解性はありません。
石油化学起源の原材料から得られますが、生分解性です。

ポリマーをバイオプラスチックと見なすには、これらの3つの組み合わせのいずれかを入力する必要があることに注意してください。

バイオベースの生分解性

バイオベースで生分解性のバイオプラスチックには、ポリ乳酸（PLA）とポリヒドロキシアルカノエート（PHA）があります。PLAは最も広く使用されているバイオプラスチックの1つであり、主にトウモロコシから得られます。

このバイオプラスチックは、ポリエチレンテレフタレート（PET、従来のポリエステルタイプのプラスチック）に似た特性を備えていますが、高温に対する耐性は低くなっています。

その一部として、PHAはそれを構成する特定のポリマーに応じてさまざまな特性を持っています。それは植物細胞から、または細菌培養からのバイオテクノロジーを通して得られます。

これらのバイオプラスチックは、加工条件に非常に敏感であり、そのコストは従来のプラスチックの最大10倍です。

このカテゴリの別の例は、植物の残骸から得られるPHBV（ポリヒドロキシブチルバレレート）です。

バイオベースの非生分解性

このグループには、従来のポリエチレンと同様の特性を持つバイオポリエチレン（BIO-PE）があります。その部分では、Bio-PETはポリエチレンテレフタレートと同様の特性を持っています。

両方のバイオプラスチックは一般的にサトウキビから製造され、中間生成物としてバイオエタノールを取得します。

断熱性に優れたリサイクル可能なバイオプラスチックであるバイオポリアミド（PA）もこのカテゴリーに属します。

-非バイオベースの生分解性

生分解性はポリマーの化学構造に関係し、使用する原材料の種類には関係しません。したがって、適切な処理で石油から生分解性プラスチックを得ることができます。

このタイプのバイオプラスチックの例は、ポリウレタンの製造に使用されるポリカプロラクトン（PCL）です。これは、ポリブチレンサクシネート（PBS）のような石油誘導体から得られるバイオプラスチックです。

利点

PLA（ポリ乳酸）製のキャンディーラッパー。出典：F. Kesselring、FKuR Willich

彼らは生分解性です

すべてのバイオプラスチックが生分解性であるわけではありませんが、多くの人にとってこれが彼らの基本的な特性であるというのが真実です。実際、その特性の探索は、バイオプラスチックブームの根本的なエンジンの1つです。

従来の石油ベースの非生分解性プラスチックは、分解するのに数百年から数千年もかかります。この状況は、埋め立て地や海がプラスチックでいっぱいになるため、深刻な問題を表しています。

このため、これらの材料は数週間、数か月または数年で分解する可能性があるため、生分解性は非常に重要な利点です。

彼らは環境を汚染しません

バイオプラスチックは生分解性の材料であるため、ゴミとしてスペースを占めることはありません。さらに、それらはほとんどの場合それらが環境に解放できる有毒元素を含まないという追加の利点があります。

二酸化炭素排出量が少ない

バイオプラスチック製造プロセスでは、分解と同様に、従来のプラスチックの場合よりも放出されるCO2が少なくなります。多くの場合、それらはメタンを放出しないか、またはそれらを少量放出するため、温室効果にほとんど影響を与えません。

たとえば、サトウキビのエタノールから作られたバイオプラスチックは、石油由来のものに比べてCO2排出量を最大75％削減します。

食べ物や飲み物を運ぶのに安全

一般に、バイオプラスチックの作成と構成では、毒性物質は使用されません。したがって、それらに含まれる食品または飲料の汚染のリスクが低くなります。

ダイオキシンやその他の汚染成分を生成する可能性のある従来のプラスチックとは異なり、バイオベースのバイオプラスチックは無害です。

短所

欠点は主に使用されるバイオプラスチックの種類に関連しています。とりわけ私達は次を持っています。

抵抗が少ない

ほとんどのバイオプラスチックが従来のプラスチックと比較した場合の1つの制限は、抵抗が低いことです。ただし、この特性は、生分解する能力に関連しています。

より高いコスト

場合によっては、バイオプラスチックの生産に使用される原料は、石油からの原料よりも高価です。

一方、一部のバイオプラスチックの生産は、より高い処理コストを意味します。特に、これらの生産コストは、細菌の大量培養を含むバイオテクノロジープロセスを通じて生産されたものの方が高くなります。

使用の矛盾

食品原料から製造されたバイオプラスチックは人間のニーズと競合します。したがって、作物をバイオプラスチックの生産に充てる方が収益性が高いため、これらは食品生産回路から除外されます。

ただし、この欠点は、非食用廃棄物から得られるバイオプラスチックには当てはまりません。これらの廃棄物の中には、作物の残骸、食べられない藻類、リグニン、卵の殻、ロブスターの外骨格があります。

彼らはリサイクルするのは簡単ではありません

PLAバイオプラスチックは、従来のPET（ポリエチレンテレフタレート）プラスチックと非常に似ていますが、再利用できません。したがって、両方の種類のプラスチックをリサイクル容器に混ぜると、この内容物はリサイクルできません。

この点で、PLAの使用の増加は、プラスチックをリサイクルする既存の取り組みを妨げる恐れがある。

バイオプラスチックで製造された製品の例とその使用

農業廃棄物と菌糸からバイオプラスチックで作られたワインコンテナ。ソース：マイコボンド

-使い捨てまたは使い捨てオブジェクト

廃棄物を最も多く発生させるのは、ファーストフードや買い物袋に関連するコンテナ、ラッパー、プレート、カトラリーです。したがって、この分野では生分解性バイオプラスチックが適切な役割を果たします。

このため、廃棄物の削減に影響を与えるために、バイオプラスチックをベースにした様々な製品が開発されてきました。特に、BASFのEcovioで作られた生分解性バッグや、スペインのSafiplastによってトウモロコシから得られたPLAで作られたプラスチックボトルがあります。

水カプセル

Oohoの会社は、従来のボトルの代わりに、海藻と水で生分解性カプセルを作成しました。この提案は非常に革新的で成功しており、すでにロンドンマラソンでテストされています。

農業

イチゴのような一部の作物では、雑草を防いで凍結を防ぐために、プラスチックのシートで土を覆うのが一般的な方法です。この意味で、アグロバイオフィルムなどのバイオプラスチックのパッドは、従来のプラスチックに取って代わるために開発されました。

-耐久性のあるアプリケーションのオブジェクト

バイオプラスチックの使用は、使用および処分の対象に限定されず、より耐久性のある対象に使用できます。たとえば、Zoëb Organicの会社はビーチおもちゃを製造しています。

複雑な機器コンポーネント

トヨタは、エアコンや制御盤の部品など、一部の自動車部品にバイオプラスチックを使用しています。これには、Bio-PETやPLAなどのバイオプラスチックを使用します。

富士通は、バイオプラスチックを使用してコンピューターのマウスとキーボードの部品を製造しています。サムスンの会社の場合、一部の携帯電話は、主にバイオプラスチックで作られたハウジングを持っています。

-建設および土木

デンプンバイオプラスチックは、電気設備の建築材料およびナノファイバー強化バイオプラスチックとして使用されています。

さらに、それらは、木食性昆虫の攻撃を受けず、湿気で腐敗しないバイオプラスチック家具用木材の製造に使用されています。

-製薬アプリケーション

それらはゆっくりと放出される薬物と薬物ビヒクルを含むバイオプラスチックカプセルで作られました。したがって、薬物のバイオアベイラビリティは、時間の経過とともに調節されます（患者が所定の時間内に受け取る線量）。

-医療アプリケーション

インプラント、ティッシュエンジニアリング、キチン、キトサンバイオプラスチックに適用できるセルロースバイオプラスチックは、創傷保護、骨組織エンジニアリング、および人間の皮膚再生用に製造されています。

セルロースバイオプラスチックはまた、バイオセンサー、歯科インプラントの製造のためのヒドロキシアパタイトとの混合物、カテーテル中のバイオプラスチック繊維などのために製造されてきました。

-航空、海上、陸上輸送および産業

植物油（バイオプラスチック）をベースにした硬質フォームは、産業用と輸送用の両方のデバイスで使用されています。自動車部品および航空宇宙部品。

携帯電話、コンピューター、オーディオ、ビデオ機器の電子部品もバイオプラスチックから製造されています。

-農業

水分を吸収して保持し、ゆっくりと放出できるバイオプラスチックヒドロゲルは、栽培土壌の保護ブランケットとして有用であり、その湿度を維持し、乾燥した地域や低雨期の農業プランテーションの成長を促進します。

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