生物可降解聚合物的可持续设计与应用
目前，塑料污染是受到全球关注的问题。塑料产品被大量生产和消耗，并且作为持久性污染物积累，已经危及到地球上的生命。不可生物降解的聚合物降解非常缓慢，通常会在垃圾填埋场保留数年。“再用、减少、再循环” （Reuse, reduce and recycle）是解决严重塑料污染的一种方案，但对于遏制塑料在整个社会的过度使用是远远不够的。木材，玻璃和金属可以代替用于包装和容器的塑料，但由于其耐用性低，制造成本高以及不适用于酸碱等极端条件，因此应用受到限制。塑料的可行替代品应该是可降解并且与环境兼容的材料。为了解决塑料污染和实现可持续发展，利用可再生资源生产可生物降解塑料是目前的最佳方案。
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塑料的回收利用
物理回收和化学回收是广泛用于塑料产品回收的两种方法（图1）。
图1 塑料制品的回收利用策略
物理回收指将废旧塑料经过分选、清洗、破碎、熔融、造粒后直接用于成型加工的回收方法。物理回收处理最多的塑料品类是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶，将废PET瓶分离、破碎、洗涤及干燥处理后进行再造粒。但是，物理回收的绝大部分再生粒料不能与食品直接接触。物理回收技术工艺简单，成本低，投资少，所加工的塑料制品应用广泛，但对原料要求较高，无法很好地处理混合塑料和受污染的生活塑料垃圾，且不适合制作高档次的塑料制品，其应用面受到一定的限制。
化学回收是用化学手段将废塑料变成有用成分并加以利用的塑料回收法，通过水解，醇解或胺解等化学方法将塑料解聚并产生可回收的单体，然后重新聚合以制造新的塑料。化学回收在处理混合塑料和受污染的塑料等方面有很大优势，并且重新制成的化学制品和塑料，其质量与用原始材料相同，可用于食品工业。但是废旧塑料中添加剂和杂质的存在使回收程序复杂化，阻碍高纯度单体的生产并且会影响回收产品的加工成本和性能。
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可降解的生物聚合物
以农业废弃物作为原料的生物塑料是塑料的一种无污染且可持续的替代品。根据欧洲生物塑料的定义，生物塑料应该满足生物来源或者可生物降解的其中一种特性。在这种情况下，生物塑料分为两大类：可生物降解的和不可生物降解（图2）。即使是天然来源的，也不是所有生物塑料都是可生物降解的，其生物降解能力取决于降解途径和速率。可生物降解的塑料由生物聚合物制成，例如聚乳酸（PLA），淀粉等。与基于化石的传统塑料相似，基于生物的生物塑料可以回收或焚化，但是也可以在家庭或工业规模上对其进行堆肥分解，从而实现零废物循环绿色经济。下面介绍几种重要的生物聚合物。
图2 基于其来源的可生物降解聚合物的分类系统
PLA是由D-乳酸（PDLA）和L-乳酸（PLLA）对映异构体聚合而成的乳酸聚酯。PLA的结晶度，降解速率和疏水性等物理性质取决于聚合过程中掺入的PDLA和PLLA的比例。PLA已在制造包装薄膜，容器和固定产品方面获得广泛认可。PLA具有生物相容性与可降解性良好，因此医药领域应用也非常广泛，如生产一次性输液用具、免拆型手术缝合线。在不同的环境土壤样品中堆肥，纯净的PLA及添加淀粉或纤维的PLA可在3个月内降解超过50%。天然聚合物的堆肥不会影响土壤样品中生物量和生物多样性，因此，PLA是不可生物降解塑料的可行替代选择。
淀粉是一种天然存在的生物聚合物，包含两种类型，支链淀粉和直链淀粉。支链淀粉和直链淀粉的比例影响淀粉或淀粉基产品的物理化学性质，进一步影响其功能和最终应用。淀粉基生物聚合物具有许多优势，例如可再生资源，更高的生物降解性和氧气阻隔性，是商业包装应用的合适替代品。Novamont公司的产品Mater-Bi（MB™）是淀粉基生物塑料，其中淀粉和淀粉衍生物含量占60%。在有氧条件下堆肥时，聚合物在3个月内降解到其质量的26%，在好氧污泥中完全分解可能需要100天左右。Novamont公司表明，Mater-Bi生物塑料能够在4至12个月内海洋生物完全降解。
纤维素是一种天然存在的可生物降解的聚合物，来源于植物副产品，例如棉短绒，玉米秸秆和大麦秸秆等。纤维素已被用于生产玻璃纸薄膜，并且长期在包装行业中应用。为了改善多糖的机械性能，已开发出通过酯化和乙酰化形成的纤维素衍生物，以用作滤膜，摄影胶片和塑料工具等。
藻类塑料在近年受到越来越多的关注，藻类生物生长快速并且光合速率高，而且藻类生物量不与食物来源竞争，有潜力成为生物聚合物提取的可持续来源。目前，已经使用两种方法从藻类来源获得生物聚合物。其中之一是将藻类生物质以及增塑剂和添加剂进行机械挤压和复合制备。另一种方法是提取在藻类细胞的内培养的生物聚合物（淀粉，PHB）。微藻，小球藻和螺旋藻等已经被用于生产生物塑料。
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生物聚合物的应用
Novamont的Mater-Bi（MB™），Bio-on的Minerv-PHA™和Mitsubishi Chemica的GSPLA®是一些可商购的生物塑料产品，广泛用于食品包装，堆肥袋，3D打印聚合物，鱼网，医疗植入物等。
PLA具有高生物相容性，吸附性和可降解性，因此它被首选用于组织工程和药物输送系统。目前，PLA已被用于制备支架以支持大鼠骨髓基质细胞的分化。含有聚（3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯）（PHBV）的PLA膜，机械强度和生物降解能力都得到增强，可以开发成过滤膜。由PHB制成的PV膜具有良好的稳定性，溶胀率和选择性。PHAs复合材料也可用于生物医学应用，包括缝合线，支持干细胞增殖的支架和缓慢释放药物的胶囊。纤维素膜是最常用于血液透析的材料。纤维素膜中游离羟基的存在使其无法与血液中的成分发生相互作用。维生素E的修饰增强了膜的抗氧化能力以帮助减轻透析治疗期间的压力。
食品级生物聚合物，例如淀粉，壳聚糖，甲基纤维素，琼脂等，已在食品工业中被广泛用作包装材料。有研究者开发了一种由淀粉（包含23.9％±0.7直链淀粉）和甘油共混聚合物的热封袋，该袋子具有高阻隔性，并具有耐热密封性和抗撕裂性，同时保持其弹性。将可食用包装与抗菌技术结合使用有望用作抗菌活性包装，以限制食源性病原体和诱发腐败的微生物，从而扩大食品的安全性。
尽管生物塑料相对于其不可生物降解的同类产品具有多种优势，但也应考虑与其潜在应用相关的劣势。尽管生物塑料减轻了对化石燃料消耗的压力，但是其生产和经济可行性较低，影响了其普及性。相信随着生物塑料工业规模生产的发展，预计生产成本将大大降低。另一个缺点是目前生物塑料的回收利用与常规塑料相似，对现有的回收利用系统存在一定挑战，将其置于垃圾填埋场会导致温室气体的释放。因此有必要建立适当的标准和准则以可持续生产生物聚合物并管理其废弃物。
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总结
在全球范围内，塑料回收在数量上不足以实现环境可持续性。利用农业废料生产可生物降解的塑料，将是实现联合国于2015年在全球范围内发起的可持续发展目标的一步（图3）。生物聚合物领域的技术发展大大改善了其降解能力和环境安全性。此外，天然聚合物的改性增强了生物塑料的机械和物理性能。加快发展生物塑料将有助于加强绿色经济并减轻环境中温室气体的负担。
图3 可持续发展目标是实现社会与环境平衡发展的整体方法
(联合国经济和社会事务部，《展望2030》)
参考文献：
Rai P , Mehrotra S , Priya S , et al. Recent advances in the sustainable design and applications of biodegradable polymers[J]. Bioresource Technology, 2021(1):124739.
Plastics Europe, G.M.R., Conversio Market & Strategy GmbH, 2019. Plastics - the Facts 2019.
丁磊, 曹诺, 赵新. 废旧热固性塑料的物理回收和解交联回收技术探讨[J]. 橡塑资源利用, 2012(06):35-37.
关成, 姜子波, 何松元,等. 中国塑料回收行业现状分析及发展前景[J]. 塑料, 2009(03):36-38.
科茂环境：废塑料化学回收和物理回收有何不同？
知乎：塑料的化学回收，被神化了吗？
供稿：谷菲
编辑：张彤 徐娅 李晓萌
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