ไบโอพลาสติก (Bioplastic) พลาสติกชีวภาพ หรือ พลาสติกย่อยสลายได้ คืออะไร

ความหมายของไบโอพลาสติก (Bioplastic)

"ไบโอพลาสติก" (Bioplastic หรือ Biodegradable Plastic) พลาสติกชีวภาพ หมายถึง พลาสติกที่ผลิตขึ้นจากวัสดุธรรมชาติ ส่วนใหญ่ได้มาจากพืชและสามารถย่อยสลายได้ในธรรมชาติ ข้อดีคือช่วยลดปัญหามลพิษในสิ่งแวดล้อม
จาก ISO 472:1988 ให้ความหมายของพลาสติกชีวภาพ คือ พลาสติกที่สามารถเปลี่ยนแปลงสมบัติทางกายภาพ และทางเคมี จากกิจกรรมของจุลินทรีย์จากธรรมชาติ ภายในสภาวะที่กำหนดโดยสภาพแวดล้อม
จาก ASTM D20.96 ให้ความหมายของพลาสติกชีวภาพ คือ พลาสติกที่สามารถเปลี่ยนเป็นโมเลกุลเล็กจากการตัดพันธะของสายโซ่โพลิเมอร์ยาวๆ จากปฏิกิริยาทางเคมี ชีวภาพ และทางกายภาพเพื่อให้เปลี่ยนโครงสร้างด้วยการย่อยสลายภายใต้สภาวะตามธรรมชาติที่สภาวะกำหนด
จากความหมายดังกล่าวข้างต้นสรุปว่า พลาสติกชีวภาพ คือ พลาสติกที่เปลี่ยนจากโพลิเมอร์สายยาวให้เป็นโมโนเมอร์สายสั้นด้วยการแตกพันธะหรือการเปลี่ยนสมบัติทางกายภาพและทางเคมีด้วยจุลินทรีย์ในธรรมชาติส่งผลให้สมบัติต่างจากเดิม ภายใต้สภาวะแวดล้อมทางธรรมชาติหรือที่กำหนด

ประเภทของพลาสติกชีวภาพ (Bioplastic)

จากการวิจัยและพัฒนาพลาสติกชีวภาพให้มีความหลากหลายมากขึ้นตามรูปแบบการใช้งาน ทำให้มีเกณฑ์ในการจัดจำแนกประเภทมากมาย เช่น การแบ่งตามกระบวนการขึ้นรูป การใช้งาน วิธีการสังเคราะห์ กลไกการย่อยสลาย และแหล่งกำเนิด

พลาสติกชีวภาพ (Bioplastic) แบ่งตามแหล่งกำเนิด

1. พลาสติกชีวภาพแบ่งตามแหล่งกำเนิด

1.1 พอลิเมอร์ที่แยกได้โดยตรงจากพืชและสัตว์ กลุ่มพอลิแซ็กคาไรด์ เช่น แป้ง เซลลูโลส และลิกนิน กลุ่มโปรตีน เช่น เจลาติน เคซีน ไหม และ ขนสัตว์ และกลุ่มของพอลิเมอร์ที่แยกได้จากน้ำมันจากพืชและสัตว์ซึ่งอยู่ในรูปของทั้งไขมันและน้ำมัน
1.2 พอลิเอสเทอร์ที่ผลิตโดยจุลินทรีย์และพืชที่มีการตัดต่อทางพันธุกรรม เช่น พอลิไฮดรอกซีอัลคาโนเอต (polyhydroxyalkanoates, PHAs) (Lee, 1996)
1.3 พอลิเอสเทอร์สังเคราะห์จากมอนอนเมอร์ที่ผลิตจากกระบวนการทางชีวภาพ เช่น พอลิแลกติกแอซิด (polylactic acid, PLA)

2. แหล่งกำเนิดจากผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมโดยผ่านกระบวนการทางชีวภาพ

2.1 แอลิฟาติก พอลิเอสเทอร์ (aliphatic polyester) เช่น พอลิคาโปรแลกโทน (polycaprolactone, PCL) พอลิบิวทิลีน ซัคซิเนต (polybutylene succinate, PSB) และ พอลิไกลโคลิก แอซิค (polyglycolic acid, PGA)
2.2 แอโรมาติก พอลิเอสเทอร์ (aromatic polyester) เช่น พอลิบิวทิลีนซัคซิเนต-เทเรฟทาเรท (polybutylene succinate terephthalate, PBST) หรือ พอลิบิวทิ-ลีน ซัคซิเนต อะดิเปต (polybutylene succinate succinate adipate, PBSA)
2.3 พอลิไวนิลแอลกอฮอล์ (polyvinyl alcohols, PVOH)
2.4 พอลิโอเลฟินที่ผ่านการเติมแต่งทางเคมี (modified polyolefin) เช่น การเติมสารเติมแต่งที่มีความว่องไวต่ออุณหภูมิหรือแสงลงในพอลิโอเลฟิน เช่น พอลิเอทิลีน (polyethylene, PE) หรือ พอลิโพรพิลีน (polypropylene, PP) เพื่อเร่งอัตราการย่อยสลายโดยแสง (photodegradation) หรือ ย่อยสลายผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชั่น (oxo-degradation) ก่อนเกิดการย่อยสลายทางชีวภาพโดยจุลินทรีย์ในขั้นตอนสุดท้าย

พลาสติกชีวภาพ (Bioplastic) แบ่งตามสารตั้งต้นหรือวัตถุดิบเริ่มต้น

1. ชีวมวล (Biomass)

- โพลิแซคคาไรด์ จากพืช (แป้ง ข้าวสาลี แป้งมันฝรั่ง แป้งข้าวโพด) จากสัตว์ (ไคตินและไคโตซาน)
- ลิกโนเซลลูโลส ฟาง ไม้

2. จุลินทรีย์ (microorganism)

- PHAs (poly(hydroxybutyrate)
- PHBV (poly(hydroxybutyrate co-hydroxyvalerate)

3. กระบวนการทางเคมี

- เปลี่ยนจากน้ำตาลพืชเป็นกรดแลคติก
- เชื่อมต่อโมโนเมอร์แลคติกเป็น poly(lactic acid(PLA)

4. พอลิเมอร์สังเคราะห์ขึ้นจากโมโนเมอร์หรือปิโตรเลียม

- สายโซ่ตรง Poly(butylene succinate, PSB)
- วงอะโรมาติก Poly(terephthilate, PBAT
ประเภทของพลาสติกชีวภาพ (Bioplastics หรือ Biodegradable Plastic) แบ่งตามสารตั้งต้น
รูปที่ 1 ประเภทของพลาสติกชีวภาพ (Bioplastics หรือ Biodegradable Plastic) แบ่งตามสารตั้งต้น

กระบวนการย่อยสลายพลาสติกชีวภาพ (Bioplastic)

กระบวนการย่อยสลายพลาสติกชีวภาพสามารถแบ่งออกเป็น 5 วิธี ดังนี้

1. การย่อยสลายได้โดยแสง (Photodegradation)

การย่อยสลายโดยแสงมักเกิดจากการเติมสารเติมแต่งที่มีความว่องไวต่อแสงลงในพลาสติกหรือสังเคราะห์โคพอลิเมอร์ให้มีหมู่ฟังก์ชันหรือพันธะเคมีที่ไม่แข็งแรง แตกหักง่ายภายใต้รังสียูวี (UV) เช่น หมู่คีโตน (Ketone group) อยู่ในโครงสร้าง เมื่อสารหรือหมู่ฟังก์ชันดังกล่าวสัมผัสกับรังสียูวี จะเกิดการแตกของพันธะกลายเป็นอนุมูลอิสระ (free radical) ซึ่งไม่เสถียร จึงเข้าทำปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วที่พันธะเคมีบนตำแหน่งคาร์บอนในสายโซ่พอลิเมอร์ ทำให้เกิดการขาดของโซ่ แต่การย่อยสลายนี้จะไม่เกิดภายในบ่อฝังกลบขยะ กองปุ๋ย หรือสภาวะแวดล้อมอื่นที่มืด หรือแม้กระทั่งชิ้นพลาสติกที่มีการฉาบด้วยหมึกที่หนามากบนพื้นผิว เนื่องจากพลาสติกจะไม่ได้สัมผัสกับรังสียูวีโดยตรง

2. การย่อยสลายทางกล (Mechanical Degradation)

การย่อยสลายทางกลโดยการให้แรงกระทำแก่ชิ้นงานพลาสติกทำให้ชิ้นส่วนพลาสติกแตกออกเป็นชิ้นซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้โดยทั่วไปในการทำให้พลาสติกแตกออกเป็นชิ้นเล็กๆ

3. การย่อยสลายผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชชัน (Oxidative Degradation)

การย่อยสลายผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชันของพลาสติก เป็นปฏิกิริยาการเติมออกซิเจนลงในโมเลกุลของพอลิเมอร์ซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้เองในธรรมชาติอย่างช้าๆ โดยมีออกซิเจนและความร้อน แสงยูวี หรือแรงทางกลเป็นปัจจัยสำคัญ เกิดเป็นสารประกอบไฮโดรเปอร์ออกไซด์ (hydroperoxide, ROOH) ในพลาสติกที่ไม่มีการเติมสารเติมแต่งที่ทำหน้าที่เพิ่มความเสถียร (stabilizing additives) แสงและความร้อนจะทำให้ ROOH แตกตัวกลายเป็นอนุมูลอิสระ RO และ OH ที่ไม่เสถียรและเข้าทำปฏิกิริยาต่อที่พันธะเคมีบนตำแหน่งคาร์บอนในสายโซ่พอลิเมอร์ ทำให้เกิดการแตกหักและสูญเสียสมบัติเชิงกลอย่างรวดเร็ว แต่ด้วยเทคโนโลยีการผลิตที่ได้รับการวิจัยและพัฒนาขึ้นในปัจจุบันทำให้พอลิโอเลฟินเกิดการย่อยสลายผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชันกับออกซิเจนได้เร็วขึ้นภายในช่วงเวลาที่กำหนด โดยการเติมสารเติมแต่งที่เป็นเกลือของโลหะทรานสิชัน ซึ่งทำหน้าที่คะตะลิสต์เร่งการแตกตัวของสารประกอบไฮโดรเปอร์ออกไซน์ (hydroperoxide, ROOH) เป็นอนุมูลอิสระ (Free radical) ทำให้สายโซ่ของพอลิเมอร์เกิดการแตหักและสูญเสียสมบัติเชิงกลเร็วขึ้น

4. การย่อยสลายผ่านปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส (Hydrolytic Degradation)

การย่อยสลายของพอลิเมอร์ที่มีหมู่เอสเทอร์ หรือเอไมด์ เช่น แป้ง พอลิเอสเทอร์ พอลิแอนไฮดรายด์ พอลิคาร์บอเนต และพอลิยูริเทน ผ่านปฏิกิริยาก่อให้เกิดการแตกหักของสายโซ่พอลิเมอร์ ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสที่เกิดขึ้นโดยทั่วไปแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ ประเภทที่ใช้คะตะลิสต์ (Catalytic hydrolysis) และไม่ใช้คะตะลิสต์ (Non-Catalytic Hydrolysis) ซึ่งประเภทแรกยังแบ่งออกได้เป็น 2 แบบคือ แบบที่ใช้คะตะลิสต์จากภายนอกโมเลกุลของพอลิเมอร์เร่งให้เกิดการย่อยสลาย (External Catalytic Degradation) และแบบที่ใช้คะตะลิสต์จากภายในโมเลกุลของพอลิเมอร์เองในการเร่งให้เกิดการย่อยสลาย (Internal catalytic degradation) โดยคะตะลิสต์จากภายนอกมี 2 ชนิด คือ คะตะลิสต์ที่เป็นเอนไซม์ต่างๆ (Enzyme) เช่น Depolymerase lipase esterase และ glycohydrolase ในกรณีนี้จัดเป็นการย่อยสลายทางชีวภาพ และคะตะลิสต์ไม่ใช่เอนไซม์ (Non-enzyme) เช่น โลหะแอลคาไลด์ (alkaline metal) เบส (base) และกรด (acid) ที่มีอยู่ในสภาวะแวดล้อมในธรรมชาติก ในกรณีนี้จัดเป็นการย่อยสลายทางเคมี สำหรับปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสแบบที่ใช้คะตะลิสต์จากภายในโมเลกุลของพอลิเมอร์นั้นใช้หมู่คาร์บอกซิล (carboxyl Group) ของหมู่เอสเทอร์ หรือเอมไมด์บริเวณปลายของสายโซ่พอลิเมอร์ในการเร่งปฏิกิริยาการย่อยสลายผ่านปฏิกิริยาไฮโดรซิส

5. การย่อยสลายทางชีวภาพ (Biodegradation)

การย่อยสลายของพอลิเมอร์จากการทำงานของจุลินทรีย์โดยทั่วไปมีกระบวนการ 2 ขั้นตอน เนื่องจากขนาดของสายพอลิเมอร์ยังมีขนาดใหญ่และไม่ละลายน้ำ ในขั้นตอนแรกของการย่อยสลายจึงเกิดขึ้นภายนอกเซลล์โดยการปลดปล่อยเอ็มไซม์ของจุลินทรีย์ซึ่งเกิดได้ทั้งแบบใช้ endo-enzyme หรือ เอนไซม์ที่ทำให้เกิดการแตกตัวของพันธะภายในสายโซ่พอลิเมอร์อย่างไม่เป็นระเบียบ และแบบ exo-enzyme หรือเอนไซม์ที่ทำให้เกิดการแตกหักของพันธะทีละหน่วยจากหน่วยซ้ำที่เล็กที่สุดที่อยู่ด้านปลายของสายโซ่พอลิเมอร์เมื่อพอลิเมอร์แตกตัวจนมีขนาดเล็กพอจะแพร่ผ่านผนังเซลล์เข้าไปในเซลล์ และเกิดการย่อยสลายต่อในขั้นตอนที่ 2 ได้ผลิตภัณฑ์ในขั้นตอนสุดท้าย (ultimate biodegradation) คือ พลังงาน และสารประกอบขนาดเล็กที่เสถียรในธรรมชาติ (Mineralization) เช่น แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ก๊าซมีเทน น้ำเกลือ กรดแลกติก แร่ธาตุต่างและมวลชีวภาพ (biomass)
จากความหมายการย่อยสลายดังกล่าวข้างต้น สรุปได้ว่า การย่อยสลายพลาสติกชีวภาพ (bioplastic) คือ การทำให้พอลิเมอร์เกิดการแตกพันธะเป็นโมโนเมอร์สายสั้นๆ โดยอาศัยปัจจัยจากสภาวะแวดล้อมทางธรรมชาติ คือ ความร้อนแสงหรือรังสียูวี แรงกล จุลินทรีย์ ออกซิเจน และ ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส (Hydrolysis) โดยอาศัยน้ำ ภายใต้สภาวะการเร่งปฏิกิริยาด้วยตัวเร่ง คือเอนไซม์ และสภาวะที่ไม่มีเอนไซม์ด้วยโลหะแอลคาไลด์ (Alkaline metal) เบส (Base) และกรด (Acid) ที่พบตามธรรมชาติ ดังตัวอย่างภาพที่ 2
การย่อยสลายพลาสติกชีวภาพด้วยปัจจัยต่างๆ
รูปที่ 2 การย่อยสลายพลาสติกชีวภาพด้วยปัจจัยต่างๆ

ปัจจัยที่มีผลต่อการย่อยสลายพลาสติกชีวภาพ (Bioplastic)

เพื่อให้การย่อยสลายพอลิเมอร์หรือพลาสติกชีวภาพเกิดขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพและรวดเร็วมีปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณา คือ โครสร้างทางเคมี ชนิดของจุลินทรีย์ และสภาวะแวดล้อม ดังรายละเอียดต่ไปนี้
1. โครงสร้างทางเคมีของพอลิเมอร์
พอลิเมอร์หรือพลาสติกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพจะต้องมีโครงสร้างโมเลกุลที่เอื้ออำนวยต่อการทำงานของเอนไซม์จุลินทรีย์ ซึ่งส่วนใหญ่มักต้องมีเฮเทอโรอะตอม (heteroatom) เช่น อะตอมของธาตุออกซิเจน หรือไนโตรเจน อยู่บนโครงสร้างหลักของสายโซ่พอลิเมอร์หรือมีพันธะอีเทอร์ เอไมด์ หรือเอสเทอร์ ซึ่งง่ายต่อการเกิดปฏิกิริยาไฮโดร ไลซิส ทำให้สายโซ่พอลิเมอร์เกิดการแตกหักและมีน้ำหนักโมเลกุลเล็กลงเรื่อยๆ ทำให้สามารถละลายได้ดีในน้ำและสามารถแพร่ผ่านผนังเซลล์ของจุลินทรีย์ได้ นอกจากนี้ยังมีปัจจัยที่ส่งผลต่อการย่อยสลายทางชีวภาพ เช่น พอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างเป็นกิ่งก้านจะย่อยสลายได้ช้ากว่าพอลิเมอร์ที่มีโครงสร้างเป็นเส้นตรง เนื่องจากกิ่งก้านจะกีดขวางการเข้าสัมผัสของเอนไซม์และจุลินทรีย์ ในปี ค.ศ 1978 Tokiwa และ Suzuki รายงานว่าพอลิเมอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำจะย่อยสลายได้ง่าย เนื่องจากถูกส่งผ่านเข้าไปในเซลล์ของจุลินทรีย์ได้ง่ายกว่าพอลิเมอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง นอกจากนี้แล้วความเป็นผลึกของพอลิเมอร์ยังส่งผลโดยตรงต่ออัตราการย่อยสลายได้เช่นกัน โดยอัตราย่อยสลายจะลดลงตามความเป็นผลิตที่เพิ่มขึ้น
2. ชนิดของจุลินทรีย์
ในธรรมชาติมีความหลากหลายของจุลินทรีย์ ซึ่งจุลินทรีย์แต่ละชนิดจะสามารถสังเคราะห์เอนไซม์ที่มีความจำเพาะเหมาะสมต่อการย่อยสลายพอลิเมอร์ประเภทใดประเภทหนึ่งโดยเฉพาะ ในการย่อยสลายทางชีวภาพของพอลิเมอร์หรือพลาสติกสามารถเกิดขึ้นโดยการทำงานของจุลินทรีย์มากกว่า 1 สายพันธุ์ ในสภาวะแวดล้อมที่ไม่มีจุลินทรีย์ การย่อยสลายทางชีวภาพแทบจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้เลย
3. สภาวะแวดล้อม
สภาวะแวดล้อมเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อการย่อยสลายทางชีวภาพอีกปัจจัยหนึ่งเนื่องจากการปรับสภาพแวดล้อมให้เหมาะสมต่อการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ที่สามารถย่อยสลายพอลิเมอร์หรือพลาสติกชีวภาพได้ จะส่งผลให้การย่อยสลายเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็ว โดยปัจจัยต่างๆที่มีผลต่อการเจริญเติบโตของจุลินทรีมีดังนี้
• อุณหภูมิ อุณหภูมิที่เหมาะสมส่งผลให้ทั้งกระบวนการทางเคมี ทางกายภาพ หรือ กิจกรรมของจุลินทรีย์ในดินเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็ว จุลินทรีย์ส่วนใหญ่มักจะเป็นกลุ่มที่เจริญได้ดีในอุณหภูมิปานกลาง (mesophile) ช่วงอุณหภูมิ 25-45 องศาเซลเซียส ซึ่งอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะเร่งอัตราการย่อยสลายได้ทางชีวภาพมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงอุณหภูมิ 25-35 องศาเซลเซียส จัดเป็นช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมต่อกิจกรรมของจุลินทรีย์ที่พบได้ทั่วไปในธรรมชาติ
• ปริมาณก๊าซออกซิเจน ก๊าซออกซิเจนช่วยให้เกิดการย่อยสลายผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชัน และเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการย่อยสลายพลาสติกชีวภาพโดยจุลินทรีย์ ทำให้การย่อยสลายเกิดขึ้นได้รวดเร็วสมบูรณ์ สำหรับการย่อยสลายของจุลินทรีย์แบบไม่ใช้ออกซิเจนกระบวนการย่อยสลายจะเกิดช้า และทำให้เกิดกลิ่นเหม็น ดังนั้นสภาพการระบายอากาศของดินจึงมีผลกระทบต่อกิจกรรมการย่อยสลายของสารอินทรีย์โดยตรง ในขณะที่ดินที่อยู่ในสภาพขาดอากาศหรือมีน้ำขัง อัตราการย่อยสลายจะลดลงเป็นอย่างมากและเกิดขึ้นได้ไม่สมบูรณ์ ส่วนใหญ่จะเกิดการย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนไปเป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และ ก๊าซมีเทน
• ความชื้น (moisture) น้ำและความชื้นช่วยในการเกิดการย่อยสลายปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส และเป็นปัจจัยสำคัญของการย่อยสลายทางชีวภาพ ความชื้นมีความสำคัญต่อการดำรงชีวิตของจุลินทรีย์ โดยช่วยละลายธาตุอาหารที่อยู่ในดิน ช่วยในการเคลื่อนที่ อีกทั้งยังเป็นแหล่งที่อยู่อาศัยให้กับจุลินทรีย์ปริมาณความาชื้นในดินส่งผลต่ออัตราการย่อยสลายทางชีวภาพ หากดินมีความชื้นสูงเกินไปอัตราการย่อยสลายจะลดลงอย่างลวดเร็วเนื่องจากขาดก๊าซออกซิเจน ในกรณีที่ความชื้นของดินต่ำกว่าระดับที่เหมาะสมอัตราการย่อยสลายจะค่อยๆ ลดลง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความสามารถในการทนสภาพแห้งแล้งของจุลินทรีย์ด้วย
• ขนาดของวัตถุ (particle size) พบว่าขนาดของวัตถุที่มีขนาดเล็กจะทำให้กระบวนการย่อยสลายเร็วขึ้น เนื่องจากมีพื้นที่ผิวให้จุลินทรีย์เข้าไปเกาะและทำการย่อยสลายได้มากขึ้น แต่ไม่ควรให้อัดแน่นเกินไป
• ความเป็นกรด-ด่าง (pH) โดยทั่วไปแล้วเมื่อ pH เป็นกลาง การสลายตัวจะเกิดขึ้นได้เร็วกว่าในช่วงเป็นกรดหรือด่างมากเกินไป ดังนั้นการปรับ pH ของดินให้เป็นกลางจึงเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพการสลายตัวของสารอินทรีย์ในดินไปด้วย ในช่วง pH ที่เป็นการดค่อนข้างมาก กิจกรรมของแบคทีเรียส่วนใหญ่ในดินจะลดลง แต่เชื้อรายังสามารถทนอยู่ได้ กิจกรรมการย่อยสลายจึงเกิดขึ้นจากเชื้อราเป็นส่วนใหญ่
• อัตราส่วนคาร์บอนต่อไนโตรเจน (C:N ratio) ในการย่อยสลายสารอินทรีย์ไม่เพียงแต่จะย่อยสลายเพื่อให้ได้พลังงานเท่านั้น จุลินทรีย์ยังนำเอาธาตุจากสารอินทรีย์ไปใช้สร้างสารประกอบต่างๆ ของเซลล์ด้วย โดยธาตุคาร์บอนจะถูกนำไปใช้สังเคราะห์สารประกอบที่เป็นโครงสร้างหลักของเซลล์ ส่วนธาตุไนโตรเจนนั้นเป็นองค์ประกอบสำคัญของโปรตีน กรดอะมิโนและกรดนิวคลีอิกที่มีอยู่ปริมาณมากในเซลล์ของจุลินทรีย์ดังนั้นอัตราส่วนระหว่างคาร์บอนกับไนโตรเจนจึงมักเป็นปัจจัยที่บ่งชี้ว่า การย่อยสลายสารอินทรีย์นั้นจะมีธาตุคาร์บอนและไนโตรเจนเพียงพอต่อความต้องการของจุลินทรีย์และทำให้การย่อยสลายสารอินทรีย์เกิดขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่

พลาสติกชีวภาพ (Bioplastic) ผลิตจากวัสดุอะไรบ้าง

1. พอลิแลคติก แอซิค (polylactic acid, PLA)

ผลิตขึ้นจากสารตั้งต้นทางเกษตร คือ ข้าวโพด อ้อย หัวบีท และ มันสัมปะหลัง เริ่มต้นด้วยการบดหรือโม้แป้งจากพืชให้ละเอียด จากนั้นย่อยแป้งให้เปลี่ยนเป็นน้ำตาล และอาศัยกระบวนการหมักด้วยจุลินทรีย์ให้เปลี่ยนเป็นกรดแลกติค (Lactic acid) จากนั้นทำให้โครงสร้างของสารดังกล่าวเปลี่ยนแปลงเป็นวงแหวน เรียกว่า Lactide นำไปกลั่นภายใต้ระบบสุญญากาศโดยเกิดเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพอลิเมอร์สายยาวของ lactide เรียว่า พลลิแลคติคแดสิค (Polylactic acid, PLA) การปรับปรุงสมบัติของ PLA โดยการผสมพอลิเมอร์ชนิดอื่นๆ เช่น พอลิคาโปรแลคโตน (PLC) พอลิไฮดรอกซีอัลคาโนเอต (PHA) เพื่อให้ง่ายต่อกระบวนการขึ้นรูปพลาสติกแบบการเป่าและฉีด และหากหมักโดยจุลินทรีย์ Escherichia coli ซึ่งจุลินทรีย์นี้ใช้น้ำตาลเป็นแหล่งอาหารและเปลี่ยนโครงสร้างทางเคมีน้ำตาลเป็นพอลิไฮดรอกซีอัลคาโนเอด (polyhydroxyalkanoates, PHAs)
ขั้นตอนการผลิตพลาสติกชีวภาพ พอลิแลคติก แอซิค (polylactic acid, PLA)
รูปที่ 2 ขั้นตอนการผลิตพลาสติกชีวภาพ PLA

2. พอลิไฮดรอกซีบิวทิเรด (Polyhydroxybutyrate, PHB)

คือ พอลิเมอร์ที่ผลิตจากการหมักกลูโคสและกรดอะซีติก (Acetic acid) จากแบคทีเรีย ซึ่งต้องอาศัยวัฏจักรเครปส์ (Kreb's cycle, TCA cycle) เป็นตัวกลาง และต้องอาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพคือเอนไซม์ 3 ชนิด ดังนี้ 1. เอนไซม์ 3-Ketothiolase ทำหน้าที่เร่งให้เกิดการรวมตัว Acetyl CoA เกิดเป็น Acetoacetyl-Coa 2. เอนไซม์ Acetoacetyl-Coa reductase คือเอนไซม์ชนิดเร่งปฏิกิริยารีดักชันโดยทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์ Acetoacetyl-CoA เกิดเป็น (R)-Hydroxy Butyl-CoA และชนิดสุดท้าย 3. เอนไซม์ PHA synthase เร่งปฏิกิริยา Polymerizes สาร (R)-3-Hydroxybutyni-CoA เกิดผลิตภัณฑ์สุดท้ายคือพอลิเมอร์ PHD
ขั้นตอนการผลิตพลาสติกชีวภาพ พอลิไฮดรอกซีบิวทิเรด (Polyhydroxybutyrate, PHB)
รูปที่ 2 ขั้นตอนการผลิตพลาสติกชีวภาพ PHB

3. พอลิไฮดรอกซีอัลคาโนเอท (Polyhydroxyalkanoates, PHAs)

เป็นพอลิเมอร์ชีวภาพที่สังเคราะห์จากเซลล์ภายในจุลินทรีย์ ประเภทแบคทีเรีย โดยพบว่า PHA ถูกแบคทีเรียสร้างขึ้นเพื่อเป็นแหล่งอาหารและพลังงานสารสะสมในรูปเม็ดแกรนูล ซึ่งพบได้ในเซลล์ของแบคทีเรีย นอกจากนี้ยังพบว่าแบคทีเรีย Ralstonia eutropha สามารถสร้างและสะสม PHA ได้ประมาณ 90 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับน้ำหนักเซลล์แห้ง ซึ่งจัดเป็นพอลิเมอร์ชีวภาพที่มีลักษณะคล้ายเทอร์โมพลาสติก แต่ข้อดีคือสามารถย่อยสลายได้ตามธรรมชาติ โดย PHA สร้างขึ้นเพื่อเป็นแหล่งคาร์บอนสำรองให้แก่เซลล์ภายในจุลินทรีย์ พบว่าจุลินทรีย์สามารถดึงคาร์บอนสำรองกลับมาใช้ ช่วยการเจริญเติบโตเมื่ออยู่ภายใต้สภาพแวดล้อมขาดแคลนคาร์บอน และ PHA มีข้อดีคือเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม อีกประการคือมีความแข็งแรงและยืดหยุ่นได้ จึงจำแนก PHA อยู่ในกลุ่มพลาสติกประเภทพอลิเอสเตอร์ (Polyester) นับเป็นพลาสติกชีวภาพที่มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกับพลาสติกสังเคราะห์จากปิโตรเลียม คือ พอลิโพรพิลีน และ พอลิเอทิลีน

ตารางพลาสติกชีวภาพ (Bioplastic) ผลิตจากวัตถุดิบตั้งต้นต่างๆ

ชนิดพลาสติกชีวภาพ
วัตถุดิบตั้งต้น
สารตั้งต้น
ระยะเวลาย่อยสลาย
PLA
ฟางข้าว
พอลิแซ็กคาไรด์ (เซลลูโลส)
105 วัน (ฝังกลบดิน)
PLA
ข้าวโพด
พอลิแซ็กคาไรด์ (แป้ง)
60 วัน (58℃, ปุ๋ยหมัก)
PLA
กากสับปะรด
พอลิแซ็กคาไรด์ (เซลลูโลส)
ไม่พบข้อมูล
PLA
กากน้ำตาล ซังข้าวโพด
ลิกโนเซลลูโลส
ไม่พบข้อมูล
PLA
เศษปลาเหลือทิ้ง
ไคโตซาน
ไม่พบข้อมูล
PHB
แบคทีเรียสายพันธุ์ Cupriavidus necator (กลุ่ม Ralstonia eutropha)
อาหารเหลว+อาหาร, เลี้ยงเชื้อ+เคซีน, ถั่วเหลือง+กลูโคส
180 วัน (ฝังกลบดิน)
PHB
แบคทีเรียสายพันธุ์ Wautersia eutropha B5786
น้ำตาลฟรุกโทส+NH4CI ภายใต้อุณหภูมิ 30℃ และการเติมอากาศ
300 วัน (ฝังกลบดิน)
PHB
เกรดการค้า
Tianan Biomaterials Co,.Ltd. ประเทศจีน
110 วัน (58℃, ปุ๋ยหมัก)
PHB
เกรดการค้า P209
Biomer, ประเทศเยรมันนี
28 วัน (70% ความชื้น, 58℃, ปุ๋ยหมัก)

ประโยชน์จากพลาสติกชีวภาพ (Bioplastic)

ประโยชน์และข้อดีจากพลาสติกชีวภาพสามารถนำมาใช้ได้หลายประเภทโดยผลิตภัณฑ์พลาสติกส่วนใหญ่อยู่ในอุตสาหกรรมพลาสติกบรรจุภัณฑ์ เช่น ถุงกรองชา แก้วใส่เครื่องดื่มทั้งร้อนและเย็น ชาม กล่องใส่อาหาร ภาชนะบรรจุอาหารเหลว กล่องใส่นม ภาชนะสำหรับบรรจุผักแช่แข็งเช่น ตะกร้าพลาสติก ลังพลาสติก ถุงพลาสติก เป็นต้น นอกจากการใช้ประโยชน์ในอุตสาหกรรมพลาสติกและบรรจุภัณฑ์แล้วยังสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ในอุตสาหกรรมทางการแพทย์ เช่น ช่วยการนำยาเข้าสู่ร่างกาย หรืออาจเป็นตัวยึดกระดูก เนื้อเยื่ยต่างๆ และสามารถใช้เป็นวัสดุปิดแผล หรือไหมเย็บแผลที่สลายตัวเองได้โดยไม่เป็นพิษต่อร่างกาย สำหรับอุตสาหกรรมสิ่งทอนั้น พบว่าสามารถใช้เป็นเส้นใยสำหรับผลิตเสื้อผ้า หรือเบาะนวมหุ้มเก้าอี้หรือเฟอร์นิเจอร์ เส้นใย
โรงงานพลาสติก L.A PLastic
129/20 หมู่4 ซ.เพชรเกษม99 แยก 5
ต.อ้อมน้อย อ. กระทุ่มแบน
จ.สมุทรสาคร 74130 ประเทศไทย

TEL: 081-903-4147

Email: la2plastic@gmail.com
line qr come ติดต่อโรงงานผลิตพลาสติก
LINE ID: @laplastic
https://www.facebook.com/laplastic
Copyright © 2008 by "L.A PLASTIC"  •  All Rights reserved www.laplastic.biz Tel: 081-9034147