Биополимеры в нашей жизни

Тема проета «Биополимера»

Полимерные материалы в жизнедеятельности человека имеют огромное значение. Поэтому вопрос об их использовании и дальнейшей утилизации особо актуален. Люди, животные и растения состоят из полимеров – белков, ДНК, РНК, целлюлоза и т.д. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения – полимеры. Однако именно сейчас люди научились создавать искусственные полимеры, чем значительно расширили возможности строительства, производства и быта.

В настоящее время основным сырьем для производства большинства полимеров и пластмасс является сырая нефть, запасов которой при современном уровне ее потребления хватит до 2050 г. С тем, что запасы нефти на нашей планете рано или поздно иссякнут, согласны все, спор идёт лишь о том, как скоро это произойдёт. Нефть – это не только бензин, мазут и прочие виды топлива, это ещё и сырьё для химической индустрии, выпускающей поистине гигантский ассортимент продукции, в том числе и бытового назначения. На производство таких изделий, как пластиковая плёнка для теплиц или, скажем, пластмассовые бутылки и пакеты, расходуется изрядная доля невозобновляемых запасов нефти. Мало того, поскольку эти изделия практически не поддаются биологическому разложению, они требуют дорогой и сложной утилизации, в противном случае они попросту засорят окружающую среду на много столетий вперёд.

Актуальность: разработка и совершенствование технологий производства биополимеров. Такие процессы и происходят в живой природе, образуемые растениями целлюлоза и крахмал с химической точки зрения являются полимерами.

Проблема: Полимерные вещества внедрились во все сферы человеческой деятельности – технику, здравоохранение, быт. Ежедневно мы сталкиваемся с различными пластмассами, резинами, синтетическими волокнами. Существуют ли, полимеры которые не приносят вреда окружающей среде? Способны ли они разлагаться в короткий период?

Цель: изучить виды биополимеров и их свойства.

Задачи:

1. Изучить классификацию и виды биополимеров, их получение и свойства;

2. Изучить материалы из биоразрушающихся полимерных композиций;

3. Создать простые биополимеры в домашних условиях;

4. Разработать рекомендации по использованию полимеров;

5. Провести анкетирование осведомлённости учеников по данной теме.

Методы исследования:

• Отбор материала;

• Изучение имеющейся литературы;

• Анализ данных;

• Структурирование материала

• Проведение практической части

• Опрос учеников по данной работе

• Обобщение полученной информации

Объект: биополимеры, полимеры

Научная новизна: Полимерные материалы в жизнедеятельности человека имеют огромное значение. Поэтому вопрос об их использовании и дальнейшей утилизации особо актуален.

Практическая значимость: Ежедневно мы сталкиваемся с различными пластмассами, резинами, синтетическими волокнами. Полимерные материалы обладают многими полезными свойствами, но в тоже время не способны разлагаться в короткий срок. Биополимеры отличаются от остальных полимеров возможностью разложения путем химического, физического или биологического воздействия, за короткое время, не нанося вреда природе.

Биополимеры (полное название – биоразлагаемые полимеры) отличаются от остальных пластиков возможностью разложения на микроорганизмы путем химического, физического или биологического воздействия. Именно это свойство новых материалов позволяет решать проблему отходов.

Тот факт, что первые разработанные биоразлагаемые полимеры не разлагались надлежащим образом, заставил Американское общество по испытанию материалов сформулировать само понятие «биоразлагаемость». Биоразлагаемость означает, что продукт «способен подвергаться разложению на углекислый газ, метан, воду, неорганические биомассы, при котором преобладающим механизмом является энзимное действие микроорганизмов, которое можно измерить с помощью стандартизированных испытаний в течение определенного периода времени с отражением имеющихся условий утилизации». Многие так называемые биоразлагаемые полимеры являются на самом деле биоэродируемыми, гидробиоразлагаемыми или же фотобиоразлагаемыми.

Продукты могут также расщепляться в ходе реализации одноэтапной технологии (растворимые в воде или способные подвергаться фотодеградации), после которой остаток уже более не разлагается микроорганизмами. Биоэродируемые полимеры способны подвергаться разложению без всякого воздействия микроорганизмов, по крайней мере, на начальной стадии. Большинство синтетических полимеров не являются биоразлагаемыми. Такие полимеры, как полиэтилен и полипропилен, могут существовать в окружающей среде после своего поступления на свалку на протяжении нескольких десятков лет. Биоразлагаемые полимеры обычно получают с помощью полимеризации сырьевых материалов на биологической основе. Такие сырьевые материалы либо выделяют из растений и животных, либо синтезируются с использованием современных промышленных технологий.

Многие полимеры в окружающей среде разлагаются в течение достаточно длительного времени, поэтому создание биодеградируемых материалов – такая же важная задача, как и их стабилизация.

Применяемые в быту полимеры, пластмассы и пленочные материалы после их использования должны достаточно быстро деградировать под воздействием факторов окружающей среды:

- химических (кислород, воздух, вода);

- физических (солнечный свет, тепло);

- биологических (бактерии, грибы, дрожжи, насекомые) факторов.

Эти факторы в конечном итоге приводят к фрагментации полимера за счет деструкции макромолекул и превращения их в низкомолекулярные соединения, способные участвовать в естественном круговороте веществ в природе. Природные полимеры (целлюлоза, крахмал, хитин, полипептиды и др.) под влиянием различных микроорганизмов или продуцируемых ими ферментов разлагаются на низкомолекулярные вещества, участвующие в метаболизме простейших форм жизни.

Ферменты играют роль катализаторов, облегчающих распад главной цепи полимера. В ходе эволюции возникли специфические ферменты, избирательно разрушающие природные высокомолекулярные соединения, действующие, например, на целлюлозу, белки и другие природные полимеры. Так, амилаза вызывает распад молекулы крахмала. Ферменты, способные вызывать деструкцию синтетических полимеров, таких, как полиолефины или поливиниловые полимеры, в природе отсутствуют. Однако полимеры именно этих классов наиболее широко применяются при создании различных упаковочных материалов и изделий для кратковременного применения. Эти отходы составляют большую часть бытового мусора во всех промышленно развитых странах.

Биополимеры – это полимеры микробного происхождения, в частности на основе оксипроизводных жирных кислот, так называемые полиоксиалканоаты (ПОА). Физико-химические свойства ПОА, например термопластичность, такие же, как у полипропилена и полиэтилена, они обладают антиоксидантными и оптическими свойствами. Основными достоинствами биополимеров являются биосовместимость (неотторжение организмом изделий из биополимеров при использовании в медицине) и экологичность (быстрое и нетоксичное разложение изделий из биополимеров в окружающей среде). Поэтому они перспективны для использования в медицине (хирургические и одноразовые материалы), фармакологии (пролонгация действия лекарственных веществ), пищевой промышленности (упаковочный и антиоксидантный материал), сельском хозяйстве (обволакиватели семян, разрушаемые пленки). В настоящее время получают 3 вида биополимеров: полиоксибутират и его сополимеры с оксибутиратом и оксивалератом.

Способность полимерных материалов разлагаться под действием бактерий и грибов зависит от химических и физических свойств. Для всякого вида полимеров биологическое разложение протекает в два этапа:

1) под действием химических, биохимических и иных агентов происходит разрушение кристаллической макромолекулярной структуры, которое в некоторых случаях происходит вплоть до образования мономеров;

2) происходит усвоение остатков макромолекул биологическими организмами (бактерии, грибы и т. д.), которые разрушают вещество до воды, углекислого газа метана.

В категорию «биоразлагаемые» пластмассы объединяется большой класс материалов, которые могут производиться исключительно из растительного сырья, но также включать и традиционно используемые в промышленности полимерные материалы. Таким образом, способность к биоразложению и натуральное происхождение сырья – не одно и то же. Так, из углеводородного сырья также могут производиться биоразлагаемые материалы.

Традиционно доступными являются более 30 различных биополимеров, которые находят широкое применение не только на рынке упаковки, но и в таких направлениях, как текстиль, сельское хозяйство, медицина, строительство и отделка. Пленки (около 50%), пенки (около 20%), волокна и прочее (около 20%) представляют собой переработанные биополимеры. Биоразлагаемые полимеры отличаются от прочих пластиков тем, что в окружающей среде под действием микроорганизмов (бактерий или грибков) и физических факторов (УФ-излучение, температура, кислород) разлагаются. Длинные цепочки молекул биоразлагаемых полимеров распадаются на углекислый газ и воду, а также метан, биомассу и неорганические соединения .

Процессы синтеза биоразлагаемых полимеров развиваются в следующих основных направлениях:

1) Получение биоразлагаемых полиэфиров на базе гидроксикарбоновых кислот.

2) Придание свойств биоразлагаемости выпускаемым в настоящие время пластикам за счет смешения и модификации.

3) Производство новых пластиков на основе воспроизводимых природных компонентов.

Технологии синтеза биоразлагаемых полимеров активно развиваются в США, Европе. Внедрения в производство есть в Корее, Японии, Китае. В России разработка таких технологий находится в начале становления.

Биоразлагаемые пластики в основном производятся из крахмала, полимолочной кислоты, целлюлозы и лигнина. При этом все компоненты материала являются биоразлагаемыми.

Также доступны так называемые биокомпозиты, представляющие собой смесь полимера с наполнителем, вводимым с целью снижения себестоимости материалов и для улучшения химико-механических свойств продукта.

Добавление к небиоразлагаемому пластику природных биоразлагаемых наполнителей (крахмала, древесной муки) не делает конечный товарный продукт биоразлагаемым. Для достижения максимальной биологической разлагаемости пластики должны компостироваться вместе с органическими отходами — аэробным или реже анаэробным способами компостирования.

Биоразлагаемые пакеты нельзя сдавать на вторичную переработку. Они испортят обычный пластик. Способы производства биоразлагаемых полимеров могут быть химическими или биологическими (под воздействием микроорганизмов или ферментов).

Биополимеры могут производиться по различным технологиям: как из сырья на основе животного или растительного материала, так и на основе нефтехимических продуктов. Некоторые биополимеры растительного происхождения уже появились на рынке. Примером перерабатываемого полимера могут служить полиэстеры – полимолочная кислота и полигидроксиалканы. Даже отходы пищевой промышленности могут найти свое применение в биоразлагаемой упаковке: например, очистки от картофеля стали основой биоупаковки . Важно помнить, что биоразлагаемыми называются те материалы, которые имеют соответствующее химическое строение. Бензин, например, может быть основанием для полимерных изделий, которые подлежат биологическому разложению. Пластические массы на основе воспроизводимых природных компонентов – это пластмассы, в состав которых могут входить крахмал, целлюлоза, хитозан, протеин. Из композиций на их основе создают одноразовую посуду, пленки для упаковки и сельского хозяйства и т. д.

Впервые биоразлагаемый пластик появился 30 лет назад – в 1989 году в Италии. Сегодня все развитые страны ведут работы по разработке новых видов пластмасс с биологическими свойствами, включая крахмал в цепь полимера. Крахмал, как биоразлагаемый (биодеградируемый) компонент, хорошо разлагается широкой группой бактерий, что приводит к полному разрушению изделия. Среди самых известных биосинтетических полимеров можно выделить:

• Полилактид –На его основе выпускают различные виды упаковки и тары. Полилактид – это классический пример применения биоразлагаемых полимеров в медицине, поскольку из него производят хирургические рассасывающие нити.

• Полиоксиалканоат- наделены свойствами полиэтилена или полипропилена, но полностью разлагаются под воздействием водородных бактерий. Из данного материала делают широчайший ассортимент продукции, включая упаковки, косметические изделия, гели, лаки, наполнители и медицинский шовный материал.

• Эколин –Хорошо защищает продукты от внешних факторов и достаточно быстро (около 5 месяцев) разлагается под влиянием ветра и сильного излучения.

В обычных пишущих ручках все, кроме чернил, сейчас изготавливается из биоразлагаемого полимера - модифицированного крахмала.

Модифицированный крахмал можно производить на том же оборудовании, что и обыкновенную пластмассу, его можно окрашивать и на него можно наносить печать с использованием всех обычных технологий.

• Преимущества биоразлагаемых полимеров:

• - возможность обработки, как и обычных полимеров, на стандартном оборудовании;

• - низкий барьер пропускания кислорода, водяного пара (оптимально для использования в области пищевой упаковки);

• - стойкость к разложению в обычных условиях;

• - быстрая и полная разлагаемость при специально созданных условиях или естественных – отсутствие проблем с утилизацией отходов;

• - независимость от нефтехимического сырья.

• Недостатки биоразлагаемых полимеров:

• - ограниченные возможности для крупнотоннажного производства;

• - высокая стоимость (пока в среднем 2–5 евро за 1 кг).

Практической частью моего проекта стало изготовление биопластика в домашних условиях. Для получения биопластика на основе крахмала я нашла рецепты на различных сайтах в Интернете.

Что нужно для опыта? Ингредиенты для органического пластика:

1 столовая ложка кукурузного или картофельного крахмала,

1 столовая ложка уксуса,

1 столовая ложка глицерина

4 столовых ложки воды.

Полезные приспособления: небольшая кастрюля, противень, алюминиевая фольга, плита

Приготовление биополимера: Смешать все ингредиенты в кастрюле (порядок смешивания неважен), затем включить плиту на медленный\средний нагрев. Нагреть смесь. После включения плиты, постоянно помешивать смесь, иначе она начнёт слипаться. Сначала она будет молочного цвета, а затем загустеет и станет полупрозрачной. Очень важно нагревать смесь медленно, чтобы тепло распределялось равномерно. Этот процесс проходит достаточно быстро. Как только смесь можно будет легко собирать ложкой, выключить нагрев. Помешать еще несколько раз, а затем слить или собрать смесь при помощи ложки в противень, проложенный алюминиевой фольгой. Фольга — необязательный компонент, но с ней будет легче снимать пластик после того, как он высохнет. Формуем пластик. Как только мы выложим смесь на противень, она будет похожа по консистенции на гель для волос, и ей нужно будет остыть перед тем, как можно будет придать ей форму.

Дать ей полежать около минуты, затем распределить по фольге. Следующие 15 минут пластик будет затвердевать, и не будет прилипать к пальцам при прикосновении, но при этом будет всё еще мягким. Для полного затвердевания пластику нужно дать постоять в течение нескольких часов. После формовки, положить его обратно на фольгу и дать постоять несколько часов или оставить на ночь. Не трогать изделие до полного высыхания, так как оно будет мягким.

У этого опыта есть ряд замечательных особенностей. Во-первых, этот пластик растворяется в воде. Во-вторых, он не вредит окружающей среде. Если маленький ребёнок или домашнее животное проглотят изделия из биопластика, то им не будет нанесено никакого вреда (за исключением возможности подавиться), и всё это потому, что все ингредиенты полностью безопасны для потребления.

В помощь по использованию полимеров в повседневной жизни, составила рекомендации:

Памятка по использованию полимеров

1.Принеся продукты из магазина, незамедлительно переложить в стеклянную, металлическую или керамическую посуду.

2.Пользоваться пластиковой посудой только для холодной пищи и воды.

3.Отказываться от пластиковой посуды в пользу деревянной, стеклянной, фарфоровой, металлической.

4.Горячие напитки лучше всего пить из полипропиленовых стаканчиков.

5.Вместо тефлоновой сковороды или кастрюли выбираем из нержавеющей стали или чугуна, эмалированную посуду.

6.Убедитесь, что в составе покрытия и одежды нет тефлона, который во время носки начнёт выделяться.

7.Внимательно следите за маркировкой пластмассовой продукции, особенно когда покупаете детские игрушки.

8.Избегайте нагрева продуктов питания в пластиковых контейнерах, хранения жирных продуктов в пластиковых контейнерах или пищевой пленке .

К биополимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества. Большое число полимеров получают синтетическим путем на основе простейших соединений элементов природного происхождения путем реакций полимеризации, поликонденсации, и химических превращений.

Основной задачей исследователей биополимерных материалов является обеспечение необходимого уровня технологических и эксплуатационных свойств, соответствующих традиционным синтетическим полимерам. В настоящее время потребность в разлагаемых материалах достаточно велика. В экономически развитых странах, например, большая часть одноразовой упаковки производится из биоразрушающихся пластмасс

Как показал опыт изготовления биополимера из крахмала, этот пластик не вредит окружающей среде, растворяется в воде, все ингредиенты полностью безопасны для потребления. Но при этом это способ изготовления пластика из биополимера энергозатратный, не выгоден экономически, так как на него необходимо большое количество ресурсов.

Использование биополимеров достаточно популярно сегодня, хотя, к сожалению, не так, как обычных полимерных соединений.

Область использования биополимеров еще до конца не изучена, поэтому о том, что завтра придумают изобретатели, можно только догадываться. Потенциал у биополимеров огромен и не за горами тот день, когда технологические возможности человечества спасут его самого от экологической катастрофы.  

Список использованной литературы

1. Богданова, О.Н Полилактид – биоразлагаемый, биосовместимый полимер на основе растительного сырья / О. Н. Богданова //Экология и промышленность России. - , 2010. - №5. С. 9-12.

2. Леенсон И.А. Удивительная химия. – Издательство: Энас. – 2009.

3. Аксенова А.А. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия. – Москва: Аванта+. – 2007.- 250 с.

4. Савина Л.А. Я познаю мир. Химия. – Москва.: ООО "Издательство АСТ". – 2007. 345с

5. Фомин, В. А. Разработка технологического процесса получения биоразлагаемых полимеров на основе молочной кислоты/ В.А. Фомин // Экология и промышленность России».- 2010. - № 6. – с.15-19.