BIOPLASTICS: HOE ZE WORDEN GEPRODUCEERD, SOORTEN, VOORDELEN, NADELEN - MILIEU - 2026

De bioplastics zijn elk kneedbaar materiaal op basis van polymeren van petrochemische oorsprong of biomassa die biologisch afbreekbaar zijn. Net als bij traditionele kunststoffen die uit aardolie worden gesynthetiseerd, kunnen deze tot verschillende objecten worden gevormd.

Afhankelijk van hun herkomst kunnen bioplastics worden gewonnen uit biomassa (biobased) of van petrochemische oorsprong. Aan de andere kant zijn er, afhankelijk van hun afbraakniveau, biologisch afbreekbare en niet-biologisch afbreekbare bioplastics.

Bestek gemaakt van biologisch afbreekbaar zetmeelpolyester. Bron: Scott Bauer

De opkomst van bioplastics ontstaat als reactie op de ongemakken van conventionele plastics. Deze omvatten de ophoping van niet-biologisch afbreekbare kunststoffen in de oceanen en stortplaatsen.

Aan de andere kant hebben conventionele kunststoffen een hoge ecologische voetafdruk en een hoog gehalte aan giftige elementen. Bioplastics hebben daarentegen verschillende voordelen, aangezien ze geen giftige elementen produceren en over het algemeen biologisch afbreekbaar en recyclebaar zijn.

Een van de belangrijkste nadelen van bioplastics zijn de hoge productiekosten en lagere weerstand. Bovendien zijn sommige van de gebruikte grondstoffen potentiële voedingsmiddelen, wat een economisch en ethisch probleem vormt.

Enkele voorbeelden van bioplastic objecten zijn biologisch afbreekbare tassen en auto- en gsm-onderdelen.

Kenmerken van bioplastics

Economisch en ecologisch belang van bioplastics

Diverse gebruiksvoorwerpen gemaakt met bioplastics. Bron: Hwaja Götz, via Wikimedia Commons

De laatste tijd is er een grotere wetenschappelijke en industriële belangstelling voor het produceren van kunststoffen uit hernieuwbare grondstoffen en die biologisch afbreekbaar zijn.

Dit komt doordat de oliereserves in de wereld uitgeput raken en men zich meer bewust is van de ernstige milieuschade die petroplastics veroorzaakt.

Met een groeiende vraag naar kunststoffen op de wereldmarkt neemt ook de vraag naar biologisch afbreekbare kunststoffen toe.

Biologische afbreekbaarheid

Biologisch afbreekbaar bioplastics-afval kan worden behandeld als organisch, snel afbreekbaar en niet-vervuilend afval. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt als bodemverbeteraar bij compostering, omdat ze op natuurlijke wijze worden gerecycled door biologische processen.

Bioplastics met talloze commerciële toepassingen. Bron: F. Kesselring, FKuR Willich, via Wikimedia Commons

Beperkingen van bioplastics

De productie van biologisch afbreekbare bioplastics staat voor grote uitdagingen, omdat bioplastics minder goede eigenschappen hebben dan petroplastics en hun toepassing, hoewel ze groeien, beperkt is.

Verbetering van de eigenschappen van bioplastics

Om de eigenschappen van bioplastics te verbeteren, worden biopolymeerblends met verschillende soorten additieven ontwikkeld, zoals koolstofnanobuisjes en chemisch gemodificeerde natuurlijke vezels.

Over het algemeen verbeteren additieven die op bioplastics worden aangebracht, eigenschappen zoals:

• Stijfheid en mechanische weerstand.
• Barrière-eigenschappen tegen gassen en water.
• Thermoresistentie en thermostabiliteit.

Deze eigenschappen kunnen in de bioplastic worden verwerkt door middel van chemische bereidings- en verwerkingsmethoden.

Hoe worden bioplastics gemaakt?

Bioplastic voor verpakkingen gemaakt van thermoplastisch zetmeel. Bron: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

-Korte geschiedenis

Bioplastics dateren van ouder dan conventionele synthetische kunststoffen op basis van aardolie. Het gebruik van polymeren van plantaardig of dierlijk materiaal om plastic materiaal te produceren dateert uit de 18e eeuw met het gebruik van natuurlijk rubber (latex van Hevea brasiliensis).

Het eerste bioplastic, hoewel het die naam niet kreeg, werd in 1869 ontwikkeld door John Wesley Hyatt Jr., die een plastic produceerde dat was afgeleid van katoencellulose als vervanging voor ivoor. Evenzo werd aan het einde van de 19e eeuw caseïne uit melk gebruikt voor de productie van bioplastics.

In de jaren veertig onderzocht het bedrijf Ford alternatieven voor het gebruik van plantaardige grondstoffen om onderdelen voor zijn auto's te maken. Deze onderzoekslijn is ingegeven door de restricties op het gebruik van staal door de oorlog.

Als gevolg hiervan ontwikkelde het bedrijf in 1941 een automodel met een carrosserie die voornamelijk van soja-derivaten was gemaakt. Na het einde van de oorlog werd dit initiatief echter niet voortgezet.

In 1947 werd de eerste technische bioplastic geproduceerd, Polyamide 11 (Rilsan als handelsmerk). Later, in de jaren 90, ontstonden PLA (polymelkzuur), PHA (polyhydroxyalkanoaten) en weekgemaakte zetmelen.

-Grondstof

Biobased bioplastics zijn die gemaakt van plantaardige biomassa. De drie basisbronnen van grondstof voor biobased zijn de volgende.

Natuurlijke polymeren van biomassa

Natuurlijke polymeren die rechtstreeks door planten worden gemaakt, zoals zetmeel of suikers, kunnen worden gebruikt. "Aardappelplastic" is bijvoorbeeld een biologisch afbreekbare bioplastic gemaakt van aardappelzetmeel.

Polymeren gesynthetiseerd uit biomassa-monomeren

Een tweede alternatief is om polymeren te synthetiseren uit monomeren die zijn geëxtraheerd uit plantaardige of dierlijke bronnen. Het verschil tussen deze route en de vorige is dat hier een tussenliggende chemische synthese vereist is.

Bio-PE of groen polyethyleen wordt bijvoorbeeld geproduceerd uit ethanol dat is verkregen uit suikerriet.

Bioplastics kunnen ook worden geproduceerd uit dierlijke bronnen zoals glycosaminoglycanen (GAG's), dit zijn eierschaaleiwitten. Het voordeel van dit eiwit is dat het mogelijk maakt om meer resistente bioplastics te verkrijgen.

Biotechnologie op basis van bacterieculturen

Een andere manier om polymeren voor bioplastics te produceren, is door middel van biotechnologie door middel van bacteriële culturen. In die zin synthetiseren en slaan veel bacteriën polymeren op die kunnen worden geëxtraheerd en verwerkt.

Hiervoor worden de bacteriën massaal gekweekt in geschikte kweekmedia en vervolgens verwerkt om het specifieke polymeer te zuiveren. PHA (polyhydroxyalkanoaten) wordt bijvoorbeeld gesynthetiseerd door verschillende bacteriegeslachten die groeien in een medium met een overmaat aan koolstof en zonder stikstof of fosfor.

Bacteriën slaan het polymeer op in de vorm van korrels in het cytoplasma, die worden geëxtraheerd door de bacteriemassa's te verwerken. Een ander voorbeeld is PHBV (PolyhydroxyButylValerate), dat wordt verkregen uit bacteriën die worden gevoed met suikers uit plantenresten.

De grootste beperking van de bioplastics die op deze manier worden verkregen, zijn de productiekosten, voornamelijk vanwege de benodigde kweekmedia.

Combinatie van natuurlijk polymeer en biotechnologisch polymeer

De Ohio University ontwikkelde een vrij sterke bioplastic door natuurlijk rubber te combineren met PHBV bioplastic, organisch peroxide en trimethylolpropaantriacrylaat (TMPTA).

-Productieproces

Bioplastics worden verkregen door verschillende processen, afhankelijk van de grondstof en gewenste eigenschappen. Bioplastics kunnen worden verkregen door middel van elementaire processen of meer complexe industriële processen.

Basisproces

Het kan worden gekookt en gevormd in het geval van het gebruik van natuurlijke polymeren, zoals zetmeel of maïs of aardappelzetmeel.

Een elementair recept om een ​​bioplastic te produceren, is dus om maïszetmeel of aardappelzetmeel te mengen met water en glycerine toe te voegen. Vervolgens wordt dit mengsel gekookt tot het dikker wordt, gevormd en gedroogd.

Medium complexiteitsprocessen

In het geval van bioplastics die zijn geproduceerd met polymeren die zijn gesynthetiseerd uit biomassa-monomeren, zijn de processen wat complexer.

Bio-PE verkregen uit suikerrietethanol vereist bijvoorbeeld een reeks stappen. Het eerste is om de suiker uit het suikerriet te halen om ethanol te verkrijgen door middel van fermentatie en distillatie.

Vervolgens wordt de ethanol gedehydrateerd en wordt ethyleen verkregen, dat moet worden gepolymeriseerd. Ten slotte worden met dieptrekmachines objecten vervaardigd op basis van deze bioplastic.

Complexe en duurdere processen

Wanneer wordt verwezen naar bioplastics die zijn geproduceerd uit polymeren die zijn verkregen door middel van biotechnologie, nemen de complexiteit en kosten toe. Dit komt doordat er bacterieculturen bij betrokken zijn die specifieke kweekmedia en groeiomstandigheden vereisen.

Dit proces is gebaseerd op het feit dat bepaalde bacteriën natuurlijke polymeren produceren die ze binnenin kunnen opslaan. Daarom worden deze micro-organismen, te beginnen met de juiste voedingselementen, gekweekt en verwerkt om de polymeren te extraheren.

Bioplastics kunnen ook worden gemaakt van sommige algen, zoals Botryococcus braunii. Deze microalg is in staat om koolwaterstoffen te produceren en zelfs uit te scheiden in het milieu, waaruit brandstoffen of bioplastics worden gewonnen.

-Vervaardiging van producten op basis van bioplastics

Het basisprincipe is het gieten van het object, dankzij de plastische eigenschappen van deze compound met behulp van druk en warmte. De verwerking gebeurt door extrusie, injectie, injectie en blazen, voorvormblazen en thermovormen en tenslotte wordt het onderworpen aan koeling.

Soorten

Verpakking gemaakt van celluloseacetaat. Bron: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

De benaderingen voor de classificatie van bioplastics zijn divers en niet zonder controverse. In ieder geval zijn de criteria die worden gebruikt om de verschillende typen te definiëren, de oorsprong en het niveau van ontbinding.

-Oorsprong

Volgens een gegeneraliseerde benadering kunnen bioplastics naar hun oorsprong worden geclassificeerd als biobased of niet-biobased. In het eerste geval worden de polymeren gewonnen uit plantaardige, dierlijke of bacteriële biomassa en zijn ze dus hernieuwbare bronnen.

Aan de andere kant zijn niet-biobased bioplastics die gemaakt met polymeren die uit olie zijn gesynthetiseerd. Omdat ze echter afkomstig zijn van een niet-hernieuwbare bron, zijn sommige specialisten van mening dat ze niet als bioplastics mogen worden behandeld.

-Niveau van ontbinding

Wat betreft de mate van ontbinding: bioplastics kunnen al dan niet biologisch afbreekbaar zijn. De biologisch afbreekbare stoffen worden in relatief korte tijd (dagen tot enkele maanden) afgebroken wanneer ze aan geschikte omstandigheden worden blootgesteld.

Niet-biologisch afbreekbare bioplastics gedragen zich op hun beurt als conventionele plastics van petrochemische oorsprong. In dit geval wordt de vervalperiode gemeten in decennia en zelfs eeuwen.

Er is ook controverse over dit criterium, aangezien sommige wetenschappers menen dat een echt bioplastic biologisch afbreekbaar moet zijn.

- Oorsprong en biologische afbraak

Wanneer de twee voorgaande criteria worden gecombineerd (oorsprong en mate van ontbinding), kunnen bioplastics in drie groepen worden ingedeeld:

1. Afkomstig uit hernieuwbare grondstoffen (biobased) en biologisch afbreekbaar.
2. Die worden verkregen uit hernieuwbare grondstoffen (biobased), maar zijn niet biologisch afbreekbaar.
3. Verkregen uit grondstoffen van petrochemische oorsprong, maar die biologisch afbreekbaar zijn.

Het is belangrijk op te merken dat om een ​​polymeer als bioplastic te beschouwen, het een van deze drie combinaties moet invoeren.

Biobased-biologisch afbreekbaar

Onder de biobased en biologisch afbreekbare bioplastics hebben we polymelkzuur (PLA) en polyhydroxyalkanoaat (PHA). PLA is een van de meest gebruikte bioplastics en wordt voornamelijk gewonnen uit maïs.

Deze bioplastic heeft vergelijkbare eigenschappen als polyethyleentereftalaat (PET, conventioneel polyester-type plastic), maar is minder bestand tegen hoge temperaturen.

PHA heeft van zijn kant variabele eigenschappen afhankelijk van het specifieke polymeer waaruit het bestaat. Het wordt verkregen uit plantencellen of via biotechnologie uit bacteriële culturen.

Deze bioplastics zijn erg gevoelig voor verwerkingsomstandigheden en hun kosten zijn tot wel tien keer hoger dan die van conventionele plastics.

Een ander voorbeeld van deze categorie is PHBV (PolyhydroxyButylValerate), dat wordt verkregen uit plantenresten.

Biobased-niet-biologisch afbreekbaar

In deze groep hebben we bio-polyethyleen (BIO-PE), met eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van conventioneel polyethyleen. Bio-PET van zijn kant heeft eigenschappen die vergelijkbaar zijn met polyethyleentereftalaat.

Beide bioplastics worden gewoonlijk vervaardigd uit suikerriet, waarbij bio-ethanol als tussenproduct wordt verkregen.

Bio-polyamide (PA), een recyclebare bioplastic met uitstekende thermische isolatie-eigenschappen, behoort ook tot deze categorie.

-Niet-biobased-biologisch afbreekbaar

Biologische afbreekbaarheid heeft te maken met de chemische structuur van het polymeer en niet met het type grondstof dat wordt gebruikt. Daarom kunnen biologisch afbreekbare kunststoffen worden verkregen uit aardolie met de juiste verwerking.

Een voorbeeld van dit type bioplastics zijn polycaprolactonen (PCL), die worden gebruikt bij de vervaardiging van polyurethanen. Dit is een bioplastic dat wordt verkregen uit aardoliederivaten zoals polybutyleensuccinaat (PBS).

Voordeel

Snoeppapiertje gemaakt van PLA (polymelkzuur). Bron: F. Kesselring, FKuR Willich

Ze zijn biologisch afbreekbaar

Hoewel niet alle bioplastics biologisch afbreekbaar zijn, is de waarheid dat dit voor veel mensen hun fundamentele kenmerk is. In feite is de zoektocht naar die eigenschap een van de fundamentele motoren van de opkomst van bioplastics.

Conventionele op aardolie gebaseerde en niet-biologisch afbreekbare kunststoffen hebben honderden en zelfs duizenden jaren nodig om afgebroken te worden. Deze situatie vormt een ernstig probleem, aangezien stortplaatsen en oceanen zich vullen met plastic.

Om deze reden is biologische afbreekbaarheid een zeer relevant voordeel, aangezien deze materialen in weken, maanden of enkele jaren kunnen ontbinden.

Ze vervuilen het milieu niet

Omdat het biologisch afbreekbare materialen zijn, nemen bioplastics geen ruimte meer in beslag als afval. Daarnaast hebben ze als bijkomend voordeel dat ze in de meeste gevallen geen giftige elementen bevatten die ze in het milieu kunnen vrijkomen.

Ze hebben een lagere ecologische voetafdruk

Zowel bij het productieproces van bioplastics als bij de afbraak komt minder CO2 vrij dan bij conventionele plastics. Ze geven in veel gevallen geen of in kleine hoeveelheden methaan af en hebben daardoor weinig invloed op het broeikaseffect.

Bioplastics gemaakt van ethanol uit suikerriet verminderen bijvoorbeeld de CO2-uitstoot met wel 75% in vergelijking met die uit aardolie.

Veiliger om eten en drinken mee te nemen

Over het algemeen worden bij de uitwerking en samenstelling van bioplastics geen giftige stoffen gebruikt. Daarom vertegenwoordigen ze minder risico op besmetting voor het voedsel of de drank die erin zit.

In tegenstelling tot conventionele plastics die dioxines en andere vervuilende componenten kunnen produceren, zijn biobased bioplastics onschadelijk.

Nadelen

De nadelen zijn voornamelijk gerelateerd aan het type bioplastic dat wordt gebruikt. We hebben onder andere het volgende.

Minder weerstand

Een beperking die de meeste bioplastics hebben in vergelijking met conventionele plastics, is hun lagere weerstand. Deze eigenschap is echter wat wordt geassocieerd met zijn vermogen om biologisch af te breken.

Hogere kosten

In sommige gevallen zijn de grondstoffen die worden gebruikt voor de productie van bioplastics duurder dan die van aardolie.

Aan de andere kant brengt de productie van sommige bioplastics hogere verwerkingskosten met zich mee. Deze productiekosten zijn met name hoger dan die welke worden geproduceerd door middel van biotechnologische processen, waaronder de massale kweek van bacteriën.

Gebruiksconflict

Bioplastics geproduceerd uit voedselgrondstoffen concurreren met de menselijke behoeften. Daarom, aangezien het winstgevender is om gewassen te wijden aan de productie van bioplastics, worden deze uit het voedselproductiecircuit verwijderd.

Dit nadeel geldt echter niet voor die bioplastics die zijn verkregen uit oneetbaar afval. Onder dit afval bevinden zich gewasresten, niet-eetbare algen, lignine, eierschalen of exoskeletten van kreeft.

Ze zijn niet gemakkelijk te recyclen

PLA bioplastic lijkt sterk op conventioneel PET (polyethyleentereftalaat) plastic, maar is niet recyclebaar. Als beide soorten plastic worden gemengd in een recyclingcontainer, kan deze inhoud daarom niet worden gerecycled.

In dit verband bestaat de vrees dat het toenemende gebruik van PLA de bestaande inspanningen om kunststoffen te recyclen zou kunnen belemmeren.

Voorbeelden en hun toepassingen van producten geproduceerd met bioplastics

Wijncontainer gemaakt van bioplastic uit landbouwafval en mycelia. Bron: Mycobond

-Wegwerp- of wegwerpartikelen

De items die het meeste afval genereren zijn containers, wikkels, borden en bestek gekoppeld aan fastfood en boodschappentassen. Daarom spelen biologisch afbreekbare bioplastics op dit gebied een relevante rol.

Om deze reden zijn er verschillende producten op basis van bioplastics ontwikkeld om de vermindering van afvalproductie te beïnvloeden. We hebben onder andere de biologisch afbreekbare zak gemaakt met BASF's Ecovio of de plastic fles gemaakt van PLA verkregen uit maïs door Safiplast in Spanje.

Water capsules

Het bedrijf Ooho heeft biologisch afbreekbare capsules gemaakt van zeewier met water, in plaats van traditionele flessen. Dit voorstel is zeer innovatief en succesvol geweest en is al getest in de marathon van Londen.

landbouw

Bij sommige gewassen, zoals aardbeien, is het gebruikelijk om de grond te bedekken met een plastic folie om onkruid te bestrijden en bevriezing te voorkomen. In die zin zijn bioplastic vulling zoals Agrobiofilm ontwikkeld om conventionele kunststoffen te vervangen.

-Objecten voor duurzame toepassingen

Het gebruik van bioplastics is niet beperkt tot gebruiks- en verwijderingsvoorwerpen, maar kan worden gebruikt in duurzamere voorwerpen. Zoë b Organic's bedrijf maakt bijvoorbeeld strandspeelgoed.

Complexe apparatuurcomponenten

Toyota gebruikt bioplastics in sommige auto-onderdelen, zoals componenten voor airconditioners en bedieningspanelen. Hiervoor gebruikt het bioplastics zoals Bio-PET en PLA.

Fujitsu gebruikt bioplastics om computermuizen en toetsenbordonderdelen te maken. In het geval van het bedrijf Samsung hebben sommige mobiele telefoons een behuizing die grotendeels van bioplastic is gemaakt.

-Bouw en civiele techniek

Zetmeelbioplastics zijn gebruikt als bouwmaterialen en met nanovezel versterkte bioplastics in elektrische installaties.

Bovendien zijn ze gebruikt bij de productie van bioplastic meubelhout, dat niet wordt aangetast door xylofage insecten en niet rotten door vocht.

-Farmaceutische toepassingen

Ze zijn gemaakt met bioplastic capsules die medicijnen en medicijnvehikels bevatten die langzaam vrijkomen. De biologische beschikbaarheid van geneesmiddelen wordt dus in de tijd gereguleerd (de dosis die de patiënt in een bepaalde tijd krijgt).

-Medische toepassingen

Bioplastics van cellulose die toepasbaar zijn in implantaten, weefselmanipulatie, chitine en chitosanbioplastics zijn vervaardigd voor wondbescherming, botweefselmanipulatie en regeneratie van de menselijke huid.

Bioplastics van cellulose zijn ook vervaardigd voor biosensoren, mengsels met hydroxyapatiet voor de vervaardiging van tandheelkundige implantaten, bioplastic vezels in katheters, onder andere.

-Lucht-, zee- en landtransport en industrie

Stijve schuimen op basis van plantaardige oliën (bioplastics) zijn gebruikt, zowel in industriële als transportapparatuur; auto-onderdelen en ruimtevaartonderdelen.

Elektronische componenten van mobiele telefoons, computers, audio- en videoapparatuur zijn ook gemaakt van bioplastics.

-Landbouw

Bioplastic hydrogels, die water absorberen en vasthouden en het langzaam kunnen afgeven, zijn nuttig als beschermende dekens voor de gecultiveerde grond, houden de luchtvochtigheid op peil en bevorderen de groei van landbouwplantages in droge streken en bij laag regenseizoen.

Referenties

1. Álvarez da Silva L (2016). Bioplastics: verkrijgen en toepassen van polyhydroxyalkanoaten. Faculteit Farmacie, Universiteit van Sevilla. Graad in de farmacie. 36 p.
2. Bezirhan-Arikan E en H Duygu-Ozsoy (2015). Een overzicht: onderzoek naar bioplastics. Journal of Civil Engineering and Architecture 9: 188-192. De Almeida A, JA Ruiz, NI López en MJ Pettinari (2004). Bioplastics: een ecologisch alternatief. Living Chemistry, 3 (3): 122-133.
3. El-Kadi S (2010). Bioplastic productie uit goedkope bronnen. ISBN 9783639263725; VDM Verlag Dr. Müller Publishing, Berlijn, Duitsland. 145 blz.
4. Labeaga-Viteri A (2018). Biologisch afbreekbare polymeren. Belang en mogelijke toepassingen. Nationale universiteit voor afstandsonderwijs. Faculteit Wetenschappen, Departement Anorganische Chemie en Chemische Technologie. Master's degree in chemische wetenschappen en technologie. 50 p.
5. Ruiz-Hitzky E, FM Fernandes, MM Reddy, S Vivekanandhan, M Misra, SK Bhatia en AK Mohanty (2013). Biobased plastics en bionanocomposieten: huidige status en toekomstige kansen. Prog Polym. Sci. 38: 1653-1689.
6. Satish K (2017). Bioplastics - classificatie, productie en hun mogelijke voedseltoepassingen. Journal of Hill Agriculture 8: 118-129.