Biopohjainen muovi

Biopohjainen muovi on eloperäistä alkuperää olevista, uusiutuvista raaka-aineista valmistettua muovia Biopohjaista muovia, eli biomuovia, katsotaan olevan myös sellaiset muoviseokset, joissa on yhdistelmä fossiilista ja uusiutuvaa alkuperää olevaa muovia .

Biopohjaisuuden määrittely  

Biopohjaisuuden määrittämiseen on kaksi erilaista standardia  Ne perustuvat erilaisiin laskentamekanismeihin, eivätkä sen vuoksi ole täysin vertailukelpoisia keskenään. EN 16640 -standardi perustuu radiohiiliajoitukseen, jonka avulla lasketaan biopohjaisen hiilen määrä muovissa. Toinen standardeista, EN 16785-1 sen sijaan perustuu biopohjaisen sisällön määrän laskentaan. Näiden menetelmien avulla voidaan selvittää, kuinka suuri osuus muoviseoksen muovista on biopohjaista.

Historia 

Ensimmäiset biomuovit kehitettiin 1800-luvun puolivälissä. Näistä yksi ensimmäisistä oli selluloosapohjainen ”parkesiini”, jonka kehitti Alexander Parkes vuonna 1862.  Materiaalin heikkoutena oli kuitenkin raaka-aineiden korkea hinta, halkeilu ja syttymisherkkyys. John Wesley Hyatt kehitti kestävämmän selluloosapohjaisen materiaalin, selluloidin. Myös Hyattin kehittämän materiaalin heikkoutena oli kuitenkin syttymisherkkyys. 

Vuonna 1897 kehitettiin galaliitti niminen muovi, joka valmistettiin maidosta eristetystä kaseiinista ja formaldehydistä. Kyseisen materiaalin kehittivät Adolf Spitteler ja Wilhem Krische. Galalithista valmistettiin koruja, nappeja ja elektronisien laitteiden osia. Materiaali ei kuitenkaan ollut kovin kestävää, ja siitä valmistetut tuotteet turposivat vedessä. Synteettiset öljystä valmistetut biomuovit syrjäyttivät Galaliitin käytön vuonna 1945.

1900-luvun alkupuolella Henry Ford tutki soijapavuista valmistettujen tuotteiden käyttöä auton osissa. Hän myös rakensi prototyypin biomuoviautosta 1930-luvulla. Vuonna 1926 ranskalainen bakteriologi ja kemisti Maurica Lemoigne kehitti polyhydroksibutyraatin (PHB), joka on bakteerien muovdostama biomuovi.  PHB tunnetaan nykyään yleisimmin polyhydroksialkanoaatin (PHA) johdannaisena.

Ensimmäinen muoviyritys Marlborough Biopolymers perustettiin vuonna 1983. Yrityksen biomuovit olivat bakteereiden avulla valmistettuja, ja materiaalia kutsuttiin Biopoliksi.  Sitä pystyttiin valmistamaan liuskoja, säikeitä, siruja, levyjä ja puutereita.

Tuotanto 

Biomuovien osuus vuosittain tuotetusta yli 368 miljoonasta tonnista muovia on noin prosentti . Biomuovien kysyntä on kuitenkin kasvussa, ja kehittyneempien biopolymeerien ansiosta markkinat kasvavat ja monipuolistuvat jatkuvasti.

Biomuovien maailmanlaajuisen tuotantokapasiteetin odotetaan kasvavan noin 2,11 miljoonasta tonnista (2020) noin 2,87 miljoonaan tonniin vuoteen 2025 mennessä.

Ympäristövaikutukset 

Muovituotteiden ympäristövaikutuksia arvioidessa keskiössä on hiilijalanjäljen laskeminen, jossa tuotteen koko elinkaaren kasvihuonepäästöt ilmoitetaan hiilidioksidiekvivalenttina . Biopohjaisella muovilla hiilijalanjälki on fossiilista muovia pienempi, sillä kasvaessaan biopohjaiset raaka-aineet sitovat hiilidioksidia ilmakehästä.

Biopohjaisen muovin tuotantoprosessin ympäristövaikutuksia tarkastellessa on tärkeää ottaa huomioon myös maankäyttöön liittyvät aspektit, kuten vaikutukset maaperään, biodiversiteettiin, kasvihuonekaasupäästöihin ja veden kulutukseen . Biopohjaisen muovin raaka-aineiden kasvatus vie peltopinta-alaa ravintokasveilta, ja voi aiheuttaa maaperän eroosiota.

Käyttökohteet 

Biomuovien tärkein käyttökohde on pakkausmateriaalit; muita merkittäviä biomuovien käyttökohteita ovat kulutustavarat ja tekstiilit. Muita biomuovien käyttökohteita ovat elektroniikka, pintakäsittelymateriaalit ja kiinnitysaineet, rakennusalan tuotteet, autoteollisuuden tuotteet sekä maatalouden tuotteet.

Erilaisia biomuovityyppejä

Tärkkelyspohjaiset muovit 
Tärkkelyspohjaiset muovit ovat helposti biohajoavia ja täysin biopohjaisia.  Niitä voidaan valmistaa esimerkiksi riisistä, perunasta ja maissista. Tärkkelys on halpaa, uusiutuvaa ja riittoisaa.

Puhdas tärkkelys pystyy absorboimaan kosteutta, ja siitä valmistetut biomuovit sopivat kyseisen ominaisuuden takia hyvin esimerkiksi lääkekapseleiden valmistukseen. Puhtaasta tärkkelyksestä valmistettu muovi on hyvin haurasta. Lisäämällä pehmittimiä kuten glyserolia, glykolia tai sorbitolia, saadaan tärkkelyksestä tarmoplastista.

Tärkkelyksen valmistukseen voidaan käyttää tavallisia muovin valmistusmenetelmiä, kuten ekstruusiota ja ruiskuvalua. Tärkkelyspohjaisia muoveja voidaan sekoittaa muiden biohajoavien muovien kanssa, jolloin sen mekaanisia ominaisuuksia saadaan paranneltua. 

Tärkkelyspohjaiset kelmut valmistetaan sekoittamalla tärkkelystä ja termoplastista polyesteriä, jolloin saadaan aikaan biohajoavaa ja kompostoitavaa materiaalia. Näitä materiaaleja käytetään erityisesti pakkausmateriaaleina esimerkiksi kuplamuoveissa, hedelmäpusseissa ja kompostoituvissa biojätepusseissa.

Selluloosamuovit 

Selluloosamuovit ovat biomuoveja, jotka on valmistettu käyttämällä selluloosaa tai selluloosajohdannaisia.  Selluloosamuovien hallitseva raaka-aine on havupuut. Selluloosapohjaisilla muoveilla on hyvä kemikaalien, rasvan sekä öljyn sieto kyky. Selluloosa on hajotettava tai liuotettava enne kuin siitä voidaan tehdä toiminnallista tuotetta. Kuitenkin samat ominaisuudet, jotka antavat selluloosalle sen tukevan rakenteen estävät myös sen liukenemisen veteen. Selluloosa pohjaista muovia voidaan käyttää esimerkiksi kestomuovina, silmälasikehyksissä, elektroniikassa, levyissä, tangoissa, läpinäkyvissä soittimissa ja kuvaruuduissa. Tavanomaisten muovien helppo saatavuus ja alhaiset kustannukset ovat merkittävä este selluloosamuovimarkkinoiden kasvulle.

Proteiinipohjaiset muovit 

Biomuoveja voidaan valmistaa eri lähteistä peräisin olevista proteiineista.  Biomuovia voidaan valmistaa esimerkiksi soijaproteiinista. Menetelmä on yksinkertainen, sillä soijan proteiineja ei tarvitse erikseen erotella tai puhdistaa ja prosessissa kasviperäiset proteiinien rakenne purkautuu ja osat liittyvät toiminnallisina osina muodostettavaan polymeeriin.

Alifaattiset polyesterit 

Alifaattisia biopolyesterit ovat pääasiassa polyhydroksiakanoaatteja (PHA) kuten poly-3-hydroksibutyraatti (PHB), polyhydroksibutyraatti (PHB), polyhydroksivaleraatti (PHV) ja polyhydroksiheksanoaatti (PHH).

Polymaitohappo  (PLA) 

Polymaitohappo koostuu biopohjaisista aineista uutetusta dekstroosista. Se on markkinoiden suosituin biomuovi eli biopolymeeri. Polymaitohappo saattaa hajota tietyissä olosuhteissa biopohjaisuutensa vuoksi . Polymaitohappoa käytetään usein sekoituksissa tai seoksissa jonkin aineen ominaisuuksien parantamiseen. Tavallinen PLA on läpikuultavaa ja erittäin kiiltävää. Sitä voidaan käyttää esimerkiksi teepusseissa, vaateissa tai cd-levyjen koteloissa.

Polyhydroksialkanoaatit 
Polyhydroksialkanoaatit ovat polyestereihin kuuluvia bakteerien tuottamia polymeereja. Sitä voidaan käyttää biomuovina esimerkiksi pakkauksissa. Sen ominaisuudet muistuttavat paljon polymeerien ominaisuuksia. Bakteerit pystyvät valmistamaan fermentaation avulla muun muassa sokereista, rasvahaposta ja aminohapoista. Polyhydroksialkanoaatteja on useita erilaisia ja niiden ominaisuudet vaihtelevat huomattavasti. Polyhydroksialkanoaattien tuotantokustannukset ovat korkeat.

Poly-3-hydroksibutyraatti (PH3B) 
PH3B kuuluu polyhydroksialkanonaatteihin. Ne ovat polyestereihin kuuluvia bakteerien tuottamia polymeereja ja ne ovat biohajoavia. Sitä tuotetaan käsittelemällä glukoosia, maissitärkkelystä tai jätevettä.

Polyamidi 11 on tekninen muovi.  Se on valmistettu ekologisesta kasviöljystä. Sen pääkäyttöalue on autojen polttoaineletkut ja suodattimet, jossa sen erinomaista kemiallista kestoa ja alhaista polttoaineiden läpäisevyyttä voidaan hyödyntää.  Sitä voidaan käyttää myös hammaspyörissä ja laakereissa sen erinomaisen kulumisominaisuuksien ja mittapitävyyden takia. Polyamidi 11 huonoja puolia ovat korkea hinta verrattuna muihin polyamideihin ja vaatimaton lämmönkesto.

Biopohjainen polyeteeni (uusiutuva polyeteeni) 
Biopohjaista polyeteeniä (bio-PE) valmistetaan sokeriruo’osta, sokerijuurikkaasta ja vehnäjyvästä. Sen ominaisuudet ovat samat kuin tavallisella polyeteenillä. Bio-PE:ttä voidaan käyttää jäykissä ja joustavissa pakkauksissa, sulkimissa, laukuissa ja muissa tuotteissa.

Geneettisesti muunnetut raaka-aineet  

Suurin osa biomuovien tuottajista ei käytä muuntogeenisiä organismeja sisältävää raaka-ainetta biopohjaisten muovimateriaaliensa tuotantoon tai tarjoa muuntogeenisistä organismeista vapaita vaihtoehtoja. Vaikka muuntogeenisiä viljelykasveja käytetään biomuovien tuotantoon, polymeerin tuottamiseen käytetty monivaiheinen käsittely ja korkea lämpö poistaa kaikki geneettisen materiaalin jäljet.  Tämä tarkoittaa, että lopullinen biomuovituote ei sisällä geneettisiä jälkiä. Tuloksena oleva biomuovituote soveltuu siksi hyvin käytettäväksi elintarvikepakkauksissa, koska se ei sisällä geneettisesti muunnettua materiaalia eikä se voi olla vuorovaikutuksessa sisällön kanssa.

Lähteet 

Muovit