Биоразлагаемая посуда. Растительные материалы - альтернатива пластика

Биоразлагаемая посуда.

Растительные материалы - альтернатива пластика

Автор: Бурнаев Григорий Викторович,

Класс: 11А

ГБОУ СОШ №2 «ОЦ» с. Кинель – Черкассы,

Самарской области

Научный руководитель:

Горячкина Ирина Анатольевна,

учитель химии и биологии

ГБОУ СОШ №2 «ОЦ» с. Кинель – Черкассы,

Самарской области

2021г

Содержание

Введение

Сегодня мы привыкли к одноразовым посудным стаканчикам, тарелочкам и столовым приборам из всевозможных пластиков, полученных из таких углеводородов, как нефть, уголь и природный газ. К ним, в частности, относятся предметы из:

- полистирола (PS) – пластик белого цвета, подходит только для холодных пищевых продуктов. Если в такую посуду наливать горячие напитки, выделяется токсин стирол, то же происходит при разогреве в духовке или микроволновке;

- поливинилхлорида (ПВХ/PVC) – один из наиболее опасных для здоровья человека. При взаимодействии с другими веществами активно выделяет винилхлорид, который является канцерогеном;

- полипропилена (PP) – чаще всего именно из него изготавливают чашки для кофе из автоматов. Посуда из полипропилена способна выдерживать высокие температуры, не изменяя своих свойств и не причиняя вреда здоровью.

Но она легко поддается химическим воздействиям. Ее категорически нельзя использовать для хранения жирных веществ, например подсолнечного или сливочного масел. Взаимодействуя с такого рода продуктами, полипропилен разрушается, выделяя при этом формальдегид и фенол. На смену углеводородному сырью пришло сырье растительное, восстанавливаемое. Из него и производят биопосуду.

Биоразлагаемое сырье – весьма популярное направление, в том числе и на посудном рынке. Прежде всего, потому, что оно опирается на высокие экологические стандарты. Как известно, экология – больная тема, и расходы отечественного госбюджета на нее намного превышают расходы на здравоохранение и другие социальные статьи. Согласитесь, сегодня каждый покупатель посуды думает об экологической составляющей. Таким сырьем в первую очередь являются бамбук, кукурузный крахмал, пшеничная солома и сахарный тростник.

Цель: Определить, является ли биоразлагаемая посуда достойной заменой пластиковой.

Задачи:

Проанализировать информацию из различных источников по преимуществам экологически чистой посуды.

Изучить свойства биоразлагаемой посуды.

Создать несколько экземпляров биоразлагаемой посуды; протестировать полученный продукт в бытовых условиях.

Сделать выводы.

Объект исследования: посуда, изготовленная на основе картофельной кожуры и яблочного пюре.

Предмет исследования: свойства и характеристики изготовленной бипопосуды.

Гипотеза исследования: посуда, разработанная на основе картофельной кожуры и яблочного пюре может стать отличной, безопасной и постоянной альтернативой пластиковой посуды.

Глава 1. Теоретическая часть

1.1 История биоразлагаемой посуды

Биоразлагаемая посуда – это посуда, которая самопроизвольно разрушается в процессе микробиологических и химических процессов. Почему же она так важна? Большинство полимеров, используемых для производства полимерной упаковки, являются биоинертными и не разлагаются в естественных условиях в течение длительного времени. Это требует определённых мер по налаживанию их утилизации, либо, когда это возможно, вторичной переработки.

Биоразлагаемую посуду научились делать еще в 1960-е годы, изготавливая из кукурузы, картофельного крахмала, пшеницы, сахарного тростника и другого растительного сырья. Однако стоили они весьма дорого, да и качество их оставляло желать лучшего. Первые биоразлагаемые полимеры, представляющие собой сочетание крахмала с различными синтетическими пластиками, были представлены в 80-е годы прошлого столетия в США, Италии и Германии на рынке упаковочных материалов. Благодаря наличию в составе природного компонента они получили способность самоутилизироваться, сохраняя при этом эксплуатационные свойства, присущие синтетическим пластикам [2]. Разработке этих материалов способствовал нефтяной кризис 1970-х годов, резко увеличивший стоимость традиционного сырья для производства полимеров. До начала XXI века биопластики не получили широкого применения, так как их производство было весьма затратным. Но новые технологии позволили снизить их себестоимость.

1.2 Виды биоразлагаемой посуды

Биопластики могут быть получены двумя способами: из материалов органического происхождения, например, целлюлозы (из древесины и хлопка), каучука, зерна, молока, и с использованием биотехнологий - так получают вулканизат, фибру, целлулоид и др.

Самые распространенные биополимеры: целлюлоза, микробные полиэфиры, полигидроаконаты, поливиниловый спирт, поликапролактон, полилактозная кислота, полиэтилен, полиуретаны.

Также важны следующие факторы: способы разложения, способы контроля за разложением и инициации его начала, способы оценки способности биоразложения, и способы практической реализации.

Теперь посмотрим, как подобные технологии применяются непосредственно в упаковочной индустрии.

Посуда на основе крахмала:

Термопластичный крахмал в настоящее время представляет собой наиболее широко используемый биопластик, составляя около 50% рынка биопластиков. Простой крахмальный биопластик можно сделать в домашних условиях. Чистый крахмал способен впитывать влагу и, таким образом, является подходящим материалом для производства капсул с лекарственными препаратами в фармацевтическом секторе. Можно также добавить гибкие усилители и пластификаторы, такие как сорбит и глицерин, чтобы крахмал также можно было обрабатывать термопластически. Характеристики получающегося в результате биопластика (также называемого «термопластичным крахмалом») могут быть адаптированы к конкретным потребностям путем корректировки количества этих добавок. Из-за происхождения его сырья, крахмал дешев, обилен и возобновляем. Пластмассы на основе крахмала представляют собой сложные смеси крахмала с компостируемыми пластиками, такими как полимолочная кислота. Эти сложные смеси улучшают водостойкость, а также технологические и механические свойства. Пленки на основе крахмала (в основном используются для упаковочных целей) изготавливаются в основном из крахмала, смешанного с термопластичными полиэфирами для образования биоразлагаемых и компостируемых продуктов. Эти пленки используются специально для упаковки потребительских товаров в журнальных упаковках и пузырьковых пленках. В пищевой упаковке эти пленки рассматриваются как пекарные или фруктовые и овощные пакеты. Компостирование мешков с этими пленками используется при селективном сборе органических отходов [3].

Белковая посуда:

Она может быть сделаны из белков из разных источников. Например, пшеничный глютен и казеин проявляют многообещающие свойства в качестве сырья для различных биоразлагаемых полимеров. Большие перспективы - у материалов, сделанных из кукурузы. Около 2/3 зерна состоит из целлюлозы, образующейся при фотосинтезе. Пластики из кукурузы разлагаются полностью. Несмотря на то, что для полного внедрения технологии требуется провести еще ряд исследований, уже сейчас в упаковочной индустрии существует множество продуктов из этих материалов. Например: бытовые пакеты, бутылки, плёнка. Ярким представителем посуды из кукурузы является полимолочная кислота. Она представляет собой прозрачный пластик, полученный из кукурузы. Внешне он похож на обычные массовые пластики на основе нефтехимии. У этого есть явное преимущество разложения до нетоксичных продуктов. К сожалению, он демонстрирует низкую ударную вязкость, термическую прочность и барьерные свойства.

Посуда из косточек авокадо

Компания Biofase собирает косточки от авокадо у компаний, которые специализируются на производстве гуакамоле и авокадного масла, а это около 50% мировых поставок авокадо, затем они производят посуду нужной формы и размеров.

Преимущество такой посуды - не только то, что она безопасно может разлагаться в природе, но и то, что посуда из косточек авокадо является полностью нетоксичной, даже при повторном использовании.Посудой из косточек авокадо можно пользоваться целый год, затем она начнет разлагаться естественным путем.

Чашки из апельсиновых корок

Solskin Peels – проект израильского дизайнера Ори Сонненшейн (Ori Sonnenschein). Он выпускает биоразлагаемую посуду из апельскиновых корок, которая приятно пахнет и легко перерабатывается. При создании коллекции посуды дизайнер использует технику сушки и элементарного литья. Это позволяет изготавливать из биоматериала ложки, чашки, тарелки, банки. Чтобы сделать посуду ярче, Сонненштейн выворачивает кожуру наизнанку, за счет чего получаются объекты с белой мягкой текстурой.

Биоразлагаемая посуда из морковной кожуры и скорлупы арахиса

Итальянская дизайнерская компания Who Made разработала коллекцию биоразлагаемой посуды из пищевых отходов. Она получила название Foodscapes. Посуду производят, в основном, из морковной кожуры и скорлупы арахиса. Посуда не содержит вредные добавки, консерванты, красители, загустители и регуляторы. После использования тарелки можно растворить в воде, а потом добавить в почву в качестве удобрения.

Стаканчики из яблочного пюре

Самарские ученые представили съедобную посуду, которая не только может помочь решению проблемы утилизации мусора, но и принести пользу организму. В ее состав входит натуральное яблочное пюре. Для ее производства сначала получают фруктовое или овощное пюре, затем эту массу заливают в специальную форму и сушат.

По мнению ученых, яблоко идеально подходит для производства съедобной посуды. Оно обладает лучшими вкусовыми и вязкопластическими свойствами. Яблочный стакан получился настолько прочным, что в него можно наливать кипяток. После использования посуду можно выбросить или съесть, а если поместить в воду, то она полностью растворится за 12 часов.

1.3 Основные преимущества посуды из биопластика

Биоразлагаемая посуда – уникальный вид одноразовых столовых принадлежностей, основой которых являются натуральные природные материалы.

Биоразлагаемую посуду делают из самых неожиданных видов растительного сырья: кукурузный крахмал, картофельный крахмал, пшеничная солома, сахарный тростник, бамбуковая фибра. При этом качество ее значительно выше, чем у обычной пластиковой посуды. В процессе производства биоразлагаемой посуды не используются вредные для организма человека вещества и ГМО. Для окружающей среды любой вид утилизации данных изделий также абсолютно безвреден [1].

Основные преимущества посуды из растительного сырья:

безопасная для окружающей среды – срок разложения составляет около 180 дней;

нетоксична – безопасна для природы и человека;

позволяет сократить выбросы в атмосферу – при производстве и утилизации не выделяются вредные соединения и парниковые газы в атмосферу;

легче перерабатывается – экономичное использование энергоресурсов при переработке;

широкий диапазон рабочих температур – допускает хранение продуктов в морозильной камере, а также разогрев пищи в микроволновке;

удобство использования – легкая и прочная.

1.4 Биодеградация

Биодеградация биоразлагаемой посуды - это процесс, который происходит на границе раздела твердое тело / жидкость, в результате которого ферменты в жидкой фазе деполимеризуют твердую фазу. Биопластики и обычные пластмассовые, из которых состоит биоразлагаемая посуда, содержащие добавки способны к биоразложению. Биопласты способны разлагаться в различных средах, поэтому они более приемлемы, чем обычные пластмассы. Биоразлагаемость биопластика происходит в различных условиях окружающей среды, включая почву, водную среду и компост. Как структура, так и состав биополимера или биокомпозита оказывают влияние на процесс биоразложения, поэтому изменение состава и структуры может увеличить биоразлагаемость. Почва и компост как условия окружающей среды более эффективны при биоразложении благодаря их высокому микробному разнообразию. Компостирование не только эффективно разлагает биопластики, но и значительно снижает выбросы парниковых газов. Биоразлагаемость биопластов в компостных средах может быть повышена путем добавления более растворимого сахара и повышения температуры. С другой стороны, почвенная среда имеет большое разнообразие микроорганизмов, что облегчает биоразложение биопластиков. Однако биопластика в почвенной среде требует более высоких температур и более длительного времени для биоразложения. Некоторые биопластики более эффективно разлагаются в водоемах и морских системах, однако это создает опасность для морских экосистем и пресной воды.

Глава 2. Практическая часть

2.1 Производство биопосуды (первый способ)

При разработке и создании биоразлагаемой посуды мы руководствовались общей схемой ее производства. В качестве основного компонента нашей биопосуды использовались картофельные очистки, которые, являясь пищевым отходом, обладают высоким содержанием

крахмала в своей структуре. В качестве стабилизирующего компонента мы использовали желатин и агар-агар. Агар-агар представляет собой желтовато-белый порошок, содержащий около 1,5-4% минеральных солей, 10-20% воды и 70-80% полисахаридов, в составе которых выявлены D- и L-галактозы, 3,6-ангидрогалактозы, пентозы, D-глюкуроновая и пировиноградная кислоты. Молекулы агар-агара очень длинные, что обуславливает высокую прочность на разрыв, сделанного из него студня. Желатин – бесцветный или имеющий желтоватый оттенок частично гидролизованный белок коллаген, прозрачная вязкая масса, продукт денатурации соединительной ткани животных. Содержащий в своей основе большое количество коллагена, желатин придает различным блюдам студнеобразную структуру. Данные вещества обладают большей способностью загущать биомассу и дают возможность нашей посуде держать свою форму в течение длительного времени. Для изготовления одной порции посуды мы использовали 0,5 кг картофельных очисток, которые мы тщательно промывали в воде и высушивали при комнатной температуре в течение 20 минут. Затем сырье разрезалось на мелкие дольки и помещалось в кухонный комбайн, который давал возможность измельчить очистки до пюреообразного состояния при высокой скорости оборотов. Затем данная биомасса процеживалась через марлю с целью удаления лишней жидкости.

Приготовление остальных ингредиентов происходило уже другим способом. К 18 граммам агар-агара, что соответствует 2 столовым ложкам, добавлялось 20 мл холодной воды. Далее полученный раствор оставлялся на 15-20 минут при комнатной температуре, для лучшего растворения и набухания стабилизирующего компонента. После этого, полученную суспензию помещали на газовую плиту для дальнейшего растворения и получения желеобразной массы. Аналогичную процедуру, в том же соотношении ингредиентов, мы проводили с желатином. Затем картофельную массу мы делили на 2 части, одну из которых

смешивали с желатином, вторую – с агар-агаром. К полученной смеси добавлялись пищевые красители разных цветов: красный, синий, желтый, зеленый, оранжевый. Также мы готовили альтернативный состав картофельно-желейной смеси, в который вместо 18 граммов желатина добавляли 24 грамма, что соответствует 3 столовым ложкам вещества. Дополнительно готовилась картофельная смесь с агаром в том же соотношении. После этого, мы делили наши силиконовые и металлические формы для выпекания на равное количество частей, и распределяли готовую массу по формам. Металлические формы дополнительно покрывались изнутри фольгой. Запекание посуды осуществлялось в духовке газовой плиты при температуре 150 градусов. Данное значение температуры было подобрано экспериментальным путем при осуществлении первых четырех попыток производства посуды. Оно оказалось самым оптимальным, поэтому мы его также использовали при выпечке последних партий посуды, которые в последующем подвергали дополнительным тестированиям. Время запекания варьировало от одного до полтора часов в зависимости от состава картофельно-желейной или картофельной-агаровой массы. Выпекание готовой продукции осуществлялось более 10 раз, поскольку состав основной массы биопосуды подбирался экспериментальным методом, путем увеличения или уменьшения содержания некоторых компонентов в составе картофельной массы; изменения степени измельчания картофельных очистков, а также подбора оптимальной температуры для запекания посуды.

После выпекания биопосуды дополнительно проводилось ее подсушивание в духовке при температуре 40 градусов Цельсия.

2.2 Производство биопосуды (второй способ)

Свой выбор мы также остановили на изготовлении посуды из теста и яблочного пюре. Для изготовления посуды из теста мне понадобились – яйца, подсолнечное масло, соль, немного какао, мука, вода. Из вышеперечисленных компонентов я замесил крутое тесто, обернул его в пищевую пленку и поместил на 30 минут в холодильник для лучшего скрепления всех составляющих. Для начала соль я растворил в воде, а затем добавил столько муки, сколько нужно для крутого теста, а также добавил по столовой ложке какао (чтобы придать красивый «загар» тесту), крахмал (он придал тесту эластичность и прочность), растительное масло и яйца (скрепляют ингредиенты, способствует влагонепроницаемости). Для того чтобы изготовить посуду из приготовленного теста, мне нужно было придать ему форму. Я решил сделать стаканы. Для этого я раскатал тесто при помощи скалки в пласт. Как показал опыт, оптимальная толщина теста – 4-6 мм. Слишком толстая основа при большой температуре долго сохла, а тонкая – растрескивалась. Я начал придавать форму раскатанному тесту, здесь мне помог обычный стеклянный стакан. Далее «сформированные» стаканы я отправил в духовку для того чтобы пидать им прочность. Сушил при минимальной температуре и приоткрытой дверце. Для придания большей прочности, сушку я проводил в несколько этапов в течение нескольких часов.

2.3 Тестирование биоразлагаемой посуды

К тестированию готовой продукции мы приступили после ее полного остывания. При этом можно отметить, что произведенная посуда легче извлекалась из силиконовой формы, чем из фольгированной металлической. Физические свойства посуды зависели от того какой стабилизирующий компонент использовался (агар-агар или желатин) и от его содержания в

составе картофельной массы. Посуда, произведенная на основе агара-агара была более гладкой и ровной по текстуре, по сравнению с посудой, в состав которой добавлялся желатин. При этом посуда в основу которой входило 24 грамма агара была более лучшего качества, чем образец, в котором содержалось всего 18 граммов агара. Первый тест изготовленной посуды проводился на степень устойчивости к горячей и холодной воде. Для этого в каждые 2 образца посуды, в данном случае тестировались стаканчики, наливалось по 15 мл холодной (180С) и горячей воды (1000С). Устойчивость посуды измерялась количеством времени, в течении которого посуда способна была выдержать холодную и горячую жидкости. При данном тестировании также принимались во внимание разные свойства стабилизирующих компонентов (агара и желатина).

Далее изготовленные стаканы также прошли испытание на прочность и влагонепроницаемость. Я залил в изготовленные стаканы горячий кофе. В один – с молоком, в другой – без. И стал вести наблюдение. Стакан, в котором был кофе без молока, простоял около 30 мин и дал течь; стакан, в который был налит с кофе с молоком, продержался дольше: 40 минут и тоже протек. Однако этого времени вполне достаточно, чтобы, не спеша, насладиться напитками.

Заключение

В современном мире всё больше людей обращают внимание на «состояние здоровья» нашей планеты. Огромный ущерб планете наносит пластиковый мусор. Большинство упаковочного мусора не разлагается или имеет длительный срок разложения. Но есть альтернатива – биоразлагаемые материалы. Они быстро разлагаются и являются перспективной заменой пластиковых упаковок.

Если раньше такую посуду можно было встретить только у экологически ответственных и передовых компаний и ресторанов, в скором времени она может стать обязательной для использования во всех общественных местах:

во время авиа- и железнодорожных ланчей;

в сфере кейтеринга;

для кофе-брейков;

на выставках и презентациях;

в работе кафе и ресторанов;

в службах доставки еды;

для пикников и барбекю.

Согласно принятым нормам, биоразлагаемая посуда не должна содержать бисфенол А, диоксины, а также другие соединения, которые могут привести к тяжелым заболеваниям.

Надо отметить, что биоразлагаемость – качество условное и выполняется оно при строго определенных условиях, то есть в результате правильной утилизации с использованием специального оборудования (должно происходить термопрессование). В противном случае ничего с такой посудой не произойдет, ни на мусорной свалке, ни в садово-огородной компостной куче. Также следует понимать, что каждый производитель наделяет свою посуду определенными свойствами, поэтому одинаковых условий эксплуатации и утилизации быть не может.

Изготовленная мною посуда в домашних условиях из предложенных биоразлагаемых компонентов, несомненно, лучше посуды, изготовленной из пластика. Она сделана из натуральных продуктов. Не наносит ущерба окружающей среде и здоровью человека. Таким образом, можно отметить, что посуда, изготовленная из картофельной кожуры, яблочного пюре в основе которой содержится агар-агар, может стать вполне устойчивой альтернативой пластиковой посуде.

Список источников информации

Литературные источники:

Буряк В.П. Биополимеры - настоящее и будущее//Полимерные материалы. 2005. N12 (79) с. 22-27.

Легонькова О.А., Сухарева Л.А. Тысяча и один полимер от биостойких до биоразлагаемых. - М.: Радио Софт, 2004.

Суворова А.И., Тюкова И.С., Труфанова Е.И. Биоразлагаемые полимерные материалы на основе крахмала // Успехи химии. 2000. Т. 69. N5. С. 498-503.

Яковина Е.Ю., Яковин А.Ю. Экопосуда из кукурузного крахмала. Сборник XV Международной научно-практической конференции «Современные технологии: актуальные вопросы, достижения и инновации». – Пенза: МЦНС «Наука и Просвещение». – 2018. – С. 80-83.

Шериева, М. Л. Биоразлагаемые композиции на основе крахмала / М. Л. Шериева, Г. Б. Шустов, Р. А. Шетов // Пластические массы. – 2004. – №10. – с. 29–31.

Интернет – источники:

http://posudainfo.ru/m/issue/9837.html

https://www.cleanton.by/page/news/yekostandarty-posuda-iz-biorazlagaemogo-materiala.html

https://recyclemag.ru/article/alternativa-odnorazovomu-plastiku-ekoposuda-kostochek-avokado-upakovka-dzhuta-bambuka

ПРИЛОЖЕНИЕ