Aktivacija plazmom – nova metoda proizvodnje biorazgradivih polimera

Autor:

Kategorija:

spot_img

U industriji pakiranja hrane, proizvodnja biorazgradivih polimera tradicionalno uključuje složene procese polimerizacije i ekstruzije. Na primjer, polilaktična kiselina (PLA) se dobiva fermentacijom ugljikohidrata poput kukuruznog škroba, nakon čega slijedi polimerizacija mliječne kiseline. Polibutilen sukcinat (PBS) se proizvodi kondenzacijskom polimerizacijom 1,4-butandiola i jantarne kiseline. Nakon proizvodnje, ovi polimeri se obično oblikuju u filmove ekstruzijom taline.

Laminiranje, ključni korak u stvaranju višeslojnih materijala za pakiranje, tradicionalno se provodi toplinskim spajanjem ili primjenom adheziva. Međutim, ovi procesi često zahtijevaju veliku količinu energije ili kemikalija, što predstavlja izazov za održivost. Nova metoda koju su razvili istraživači sa Sveučilišta u Bologni koristi tehnologiju plazma aktivacije za optimizaciju ovog procesa, obećavajući revoluciju u načinu na koji proizvodimo i koristimo biorazgradive materijale za pakiranje hrane.

Tim znanstvenika, predvođen Giacomom Folijem, razvio je metodu optimizacije proizvodnje laminiranih biopolimera koristeći tehnologiju aktivacije plazmom. Ovo istraživanje, objavljeno u časopisu “Polymers”, ne samo da nudi rješenje za smanjenje uporabe fosilnih materijala u pakiranju hrane, već i pokazuje put prema učinkovitijoj i održivijoj proizvodnji.

Izazov jednokratne ambalaže

Globalna proizvodnja polimernih materijala dosegla je zapanjujućih 460 milijuna tona godišnje u 2019. godini, od čega se otprilike trećina koristi za pakiranje hrane. Alarmantno je da se samo manje od 20% te ambalaže prikuplja za recikliranje, što stvara ogroman pritisak na sustave gospodarenja otpadom.

U svjetlu ovih izazova, fokus istraživača se okreće prema kompostabilnim biopolimerima dobivenim iz obnovljivih izvora. Polilaktična kiselina (PLA) i polibutilen sukcinat (PBS) trenutno prednjače kao najpopularniji biorazgradivi polimeri. PLA se dobiva polimerizacijom mliječne kiseline, obično dobivene fermentacijom škroba, dok se PBS može sintetizirati bakterijskom fermentacijom lignoceluloznih izvora ili glicerola, najobilnijeg otpadnog proizvoda proizvodnje biodizela.

Celuloza u fokusu

Prirodno dostupni obnovljivi polimeri, posebno celuloza, također su u fokusu istraživanja. Celuloza je jeftin materijal koji ispunjava većinu specifičnih zahtjeva za prvi kontakt s hranom, a njezina globalna dostupnost osigurava sigurnu opskrbu. Međutim, celuloza ima ograničenja, posebno u pogledu barijere za vlagu i kisik, što je ključno za očuvanje hrane.

Trenutno najbolje rješenje je celulozni film premazan tankim slojem kopolimera viniliden klorida (VdC). Međutim, čak i ovo rješenje ima nedostatke, posebno kod termičke obrade, što ograničava njegovu upotrebu u određenim aplikacijama pakiranja hrane.

Inovativni pristup: Aktivacija plazmom

Istraživački tim se okrenuo procesu adhezivnog laminiranja kao alternativnom rješenju. Ključni izazov bio je minimizirati količinu korištenog ljepila, istovremeno održavajući ili poboljšavajući svojstva materijala. Ovdje na scenu stupa aktivacija plazmom.

Aktivacija plazmom je kemijski slobodna tehnika oksidacije površine materijala koja se pokazala kao ekološki prihvatljiva alternativa tradicionalnim metodama modifikacije površine. Koristeći atmosferski tlak i zrak kao medij, istraživači su uspjeli modificirati površine triju različitih biomaterijala: celuloze, PLA i PBS-a.

Iznenađujući rezultati

Rezultati su bili iznenađujući i različiti za svaki materijal:

1. Celuloza (CLL): Aktivacija plazmom je neočekivano rezultirala površinskim nagrizanjem, uklanjajući hidrofobni sloj. Iako je ovo povećalo prijanjanje, također je drastično smanjilo barijerska svojstva za kisik, čineći ovaj pristup neprikladnim za CLL.

2. Polilaktična kiselina (PLA): Aktivacija je pokazala ograničene učinke na PLA. Iako je došlo do blagog povećanja hidrofilnosti površine, učinak na adheziju bio je minimalan.

3. Polibutilen sukcinat (PBS): Ovdje su postignuti najimpresivniji rezultati. Aktivacija plazmom značajno je poboljšala površinsku hidrofilnost PBS-a bez narušavanja njegove strukture ili barijerskih svojstava.

Optimizacija procesa

Istraživači su razvili kontinuirani proces aktivacije koristeći prilagođeni stroj za namatanje. Ovo je ključno za industrijsku primjenu, omogućujući obradu velikih količina materijala. Optimizirani uvjeti aktivacije postignuti su balansiranjem napona, frekvencije i vremena izlaganja plazmi.

Za PBS, koji je pokazao najbolje rezultate, optimalni uvjeti bili su napon od 12 kV, frekvencija od 10 kHz, s gustoćom energije od 9,9 J/cm² i gustoćom snage od 55 W/cm². Ovi parametri rezultirali su značajnim poboljšanjem adhezije uz korištenje samo četvrtine uobičajene količine ljepila.

Implikacije za industriju

Ovo istraživanje otvara vrata novim mogućnostima u proizvodnji održivih materijala za pakiranje hrane. Ključni nalazi uključuju:

1. Smanjenje upotrebe ljepila: Plazma aktivirani PBS pokazao je jednaku ili bolju adheziju s samo 25% uobičajene količine ljepila. Ovo ne samo da smanjuje troškove, već i poboljšava ukupnu održivost proizvoda.

2. Poboljšana svojstva materijala: Aktivacija nije narušila barijerska svojstva PBS-a za kisik, što je ključno za očuvanje hrane.

3. Industrijska skalabilnost: Razvoj kontinuiranog procesa aktivacije čini ovu tehnologiju primjenjivom u industrijskim razmjerima.

4. Fleksibilnost primjene: Iako PBS pokazuje najbolje rezultate, metoda se može prilagoditi i drugim biopolimerima, otvarajući mogućnosti za širok spektar primjena.

Izazovi i buduća istraživanja

Unatoč obećavajućim rezultatima, istraživači ističu nekoliko izazova koji zahtijevaju daljnje istraživanje:

1. Dugotrajnost učinka: Potrebno je istražiti kako dugo traje učinak aktivacije plazmom i kako to utječe na rok trajanja pakiranja.

2. Interakcija s hranom: Važno je detaljno proučiti kako modificirani materijali reagiraju s različitim vrstama hrane tijekom dužeg razdoblja.

3. Optimizacija za druge materijale: Iako PBS pokazuje izvrsne rezultate, potrebno je istražiti mogućnosti optimizacije procesa za druge biopolimere.

4. Ekonomska analiza: Potrebno je provesti detaljnu cost-benefit analizu kako bi se utvrdila ekonomska isplativost ove metode u industrijskoj primjeni.

Zaključak

Ovo istraživanje predstavlja značajan korak naprijed u razvoju održivih materijala za pakiranje hrane. Aktivacija plazmom se pokazuje kao obećavajuća tehnologija koja može značajno poboljšati svojstva biopolimera, istovremeno smanjujući upotrebu ljepila i poboljšavajući ukupnu održivost procesa.

Dr. Foli zaključuje: “Naši rezultati pokazuju da je moguće značajno unaprijediti svojstva biopolimera za pakiranje hrane bez kompromitiranja njihove ekološke prihvatljivosti. Ovo otvara nove mogućnosti za industriju koja se suočava s sve strožim ekološkim regulativama.”

Dok industrija pakiranja hrane nastavlja tražiti inovativna rješenja za smanjenje svog ekološkog otiska, ovo istraživanje nudi konkretan put prema održivijoj budućnosti. Kombinacija biopolimera i naprednih tehnika modifikacije površine mogla bi biti ključ za rješavanje dugogodišnjih izazova u pakiranju hrane, pružajući alternatvu koja je istovremeno učinkovita, ekonomski isplativa i ekološki prihvatljiva.

(This article belongs to the Special Issue Biopolymers from Renewable Sources and Their Applications II)

SAVJETODAVNI PARTNER

Pročitajte više

Povezani članci