客观日本

大阪大学用淀粉和纤维素开发出高强度高耐水性的海洋生物降解塑料

2020年03月17日 能源环境

大阪大学研究生院工学研究科的麻生隆彬副教授和宇山浩教授等组成的研究团队与日本食品化工公司合作,通过巧妙组合淀粉和纤维素等常见生物质(Biomass),开发出了海洋生物降解塑料。团队利用自主开发的技术混合淀粉和纤维素后,淀粉的耐水性大幅提高,获得的膜状复合材料显示出优异的耐水性和高强度。在海水中还具有高度的生物降解性。

此前实用化的海洋生物降解塑料大多仅限于脂肪族聚酯,因性能、价格和产量的问题,尚未实现广泛普及。

此次,麻生副教授等人的研究团队着眼于成本低廉且地球上大量存在的淀粉和纤维素生物质资源,通过巧妙组合这些材料的衍生物,开发出了高强度的塑料膜。该薄膜不仅克服了淀粉耐水性不足的缺点,在海水中还显示出优异的降解性。此次的成果不仅大大有助于解决海洋垃圾问题,还能为地球的物质循环和二氧化碳减排做出贡献。

大阪大学用淀粉和纤维素开发出高强度高耐水性的海洋生物降解塑料

图1:以淀粉和纤维素为原料的海洋生物降解塑料

研究背景

海洋垃圾的主要问题在于废塑料,因为很多塑料在环境中无法分解。日本开发的海洋生物降解塑料有PHBH(钟化公司制造)和PBS(三菱化学公司制造),均属于脂肪族聚酯,性能不如聚乙烯和聚丙烯等现有塑料,还存在价格高(2倍以上)和产量极低(产量:一万几千吨/年;全球塑料为3亿吨/年)等问题。为打破这种现状,亟需开发可以解决海洋垃圾问题、且能低成本大量制造的海洋生物降解塑料。

麻生副教授和宇山教授等人的研究团队着眼于价格低廉且地球上大量存在的生物质资源,利用自主开发的复合技术,开发出了海洋生物降解塑料膜。玉米和薯类富含的主要成分淀粉,以及棉纤维的植物的主要成分纤维素,价格低廉且产量丰富。研究团队利用自主开发的技术组合这些材料的衍生工业品,大幅提高了淀粉的耐水性,在水中也不再溶解。通过该技术获得的薄膜,颜色透明,强度为通用塑料两倍以上(图2)。另外,在海水中浸泡一个月后,薄膜发生分解,上面布满小孔,孔附近附着很多菌类(图3)。这表明,薄膜表面形成了生物膜,生物膜代谢的酶促进了薄膜的生物降解。

大阪大学用淀粉和纤维素开发出高强度高耐水性的海洋生物降解塑料

图2:开发出透明、高强度的淀粉/纤维素复合薄膜

大阪大学用淀粉和纤维素开发出高强度高耐水性的海洋生物降解塑料

图3:显示复合薄膜海洋生物降解性的电子显微镜照片

淀粉是唾手可得的廉价材料,但存在耐水性等问题,因此未被积极用作塑料原料。但研究发现,利用淀粉和纤维素等多糖类材料之间的强相互作用不仅能提高耐水性,还可以复合化形成透明的高强度薄膜,且具有海洋生物降解性。制造工艺也非常简单。今后计划与企业合作开发工业化流程,尽快实现实用化。此前开发的海洋生物降解塑料PHBH和PBS是生物质经过发酵后生产的,因此未保留生物质的结构。而此次开发的技术可以直接利用生物质固有的结构,可以说是一项基于天然的独特生物质结构的成果。

如果这项研究成果能实用化,将为海洋塑料问题的解决做出巨大贡献。利用地球上大量存在的廉价淀粉和纤维素,可以构筑物质循环,有助于削减二氧化碳排放量。作为有助于大大改善地球环境的新技术,其实用化备受期待。

日文发布原文

文:JST客观日本编辑部

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