Οι βιοσυνθετικές ίνες αποκτούν ενδιαφέρον στην κλωστοϋφαντουργία

Εδώ, ο Δρ KH Prabhu τονίζει τη σημασία των βιοσυνθετικών ινών, τις πρώτες ύλες, τις δυνατότητες της αγοράς και επίσης συζητά τις σημαντικές ίνες όπως το πολυγαλακτικό οξύ (PLA), το πολυτριμεθυλενοτεραφθαλικό (Bio-PTT), το τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο βιολογικής βάσης (Bio-PET), το βιολογικό Πολυαμίδες (BioPA).

Τα βιοσυνθετικά, οι ίνες που προέρχονται εξ ολοκλήρου ή εν μέρει από περιουσιακά στοιχεία που βασίζονται σε βιολογικά υλικά, όπως γεωργικά απόβλητα, καλλιέργειες τροφίμων ή φυτά κ.λπ., αντιπροσωπεύουν μια εναλλακτική λύση στα αντίστοιχά τους με βάση τα ορυκτά. Λόγω της ικανότητάς τους να κατευθύνουν τη μετάβαση μακριά από μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και να βοηθούν στον μετριασμό των καιρικών συνθηκών εναλλακτικά, κερδίζουν μεγάλο ενδιαφέρον για την κλωστοϋφαντουργία. Η κύρια διάκριση μεταξύ των βιοσυνθετικών ινών και των παραδοσιακών τεχνητών ινών έγκειται στην πρώτη ύλη που χρησιμοποιείται. Οι βιοσυνθετικές ίνες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο εμπόριο σήμερα προέρχονται από άμυλα, σάκχαρα και λιπίδια που προέρχονται από καλαμπόκι, ζαχαροκάλαμο, ζαχαρότευτλα και φυτικά έλαια κ.λπ. ιδιότητες και επίσης τα περιβαλλοντικά οφέλη του.

Το ποσοστό της αγοράς βιοσυνθετικών είναι επί του παρόντος πολύ χαμηλό. Η συνολική ζήτηση βιομάζας ήταν 12,54 δισεκατομμύρια τόνοι που περιλαμβάνει ζωοτροφές, βιοενέργεια, τρόφιμα, χρήσεις υλικών, βιοκαύσιμα και επίσης πολυμερή με βάση τη βιομάζα. Το μεγαλύτερο μερίδιο περίπου 59 τοις εκατό της βιομάζας χρησιμοποιείται για την παραγωγή ζωοτροφών και το μερίδιο παραγωγής πολυμερών με βάση βιομάζας είναι μόνο 0,038 τοις εκατό. Έτσι, η ζήτηση για πρώτη ύλη βιομάζας είναι περίπου 4,8 εκατομμύρια τόνοι για την παραγωγή 4 εκατομμυρίων τόνων πολυμερών βιολογικής βάσης και περίπου 0,006 τοις εκατό απαίτηση μεριδίου γεωργικής γης (Εικόνα 1). Από την άλλη πλευρά, η γλυκερίνη (37 τοις εκατό) είναι η κύρια πρώτη ύλη που χρησιμοποιείται για την παραγωγή πολυμερών βιολογικής βάσης, αντιπροσωπεύει μια βιομάζα χωρίς χρήση γης. Η εφαρμοζόμενη βιομάζα περιλαμβάνει επίσης 24 τοις εκατό άμυλο και 16 τοις εκατό σάκχαρα, και οι δύο πρώτες ύλες προέρχονται από καλλιέργειες υψηλής απόδοσης, όπως αραβόσιτος, ζαχαρότευτλα ή ζαχαροκάλαμο, με υψηλή απόδοση στην περιοχή. Το 12 τοις εκατό της βιομάζας προέρχεται από μη βρώσιμο φυτικό έλαιο, όπως το καστορέλαιο, η πρώτη ύλη με βάση την κυτταρίνη είναι 9 τοις εκατό (χρησιμοποιείται κυρίως για οξική κυτταρίνη) και 2 τοις εκατό από βρώσιμο φυτικό έλαιο (Εικόνα 2).

Επί του παρόντος, σχεδόν όλα τα εμπορικά διαθέσιμα βιοσυνθετικά είναι μόνο εν μέρει βιοβασισμένα. Απαιτείται περισσότερη δουλειά για την υποστήριξη της μετάβασης από μερικώς βιοβασικά υλικά σε πρώτες ύλες πρώτης ύλης 100 τοις εκατό βιοσυνθετικών ουσιών για βιοσυνθετικές ουσίες στο μέλλον. Η παρούσα εργασία συζητά τις ιδιότητες, την παραγωγή και τις εφαρμογές των κύριων βιοσυνθετικών ινών που παράγονται μέχρι σήμερα και επίσης, οι μελέτες LCA που πραγματοποιήθηκαν στο πολυγαλακτικό οξύ έχουν συζητηθεί λεπτομερώς.

1. Πρώτες ύλες από βιοσυνθετικές ίνες

Οι κύριες γεωργικές καλλιέργειες που χρησιμοποιούνται ως πρώτες ύλες όπως το καλαμπόκι, το ζαχαρότευτλο, το ζαχαροκάλαμο και –σε μικρότερο βαθμό– επίσης το σιτάρι και η μανιόκα, καθώς και οι ελαιούχες καλλιέργειες όπως οι σπόροι καστορέλαιου. Όλες αυτές οι πρώτες ύλες διατίθενται στο εμπόριο σε μεγάλες ποσότητες με σταθερή ποιότητα.

1. Βιοσυνθετικές ίνες

1. Πολυγαλακτικό οξύ (PLA)

Το πολυγαλακτικό οξύ (PLA) (ένας γραμμικός αλειφατικός τερεφθαλικός εστέρας) προέρχεται από 100 τοις εκατό ανανεώσιμες πηγές όπως το καλαμπόκι, το ζαχαροκάλαμο και τα ζαχαρότευτλα, και το πολυμερές είναι πλήρως βιοαποικοδομήσιμο. Θεωρείται ως εναλλακτική λύση στον πολυεστέρα τόσο από την Ομοσπονδιακή Επιτροπή Εμπορίου στις ΗΠΑ όσο και από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή της ΕΕ, δηλώνοντας μια νέα κατηγορία ινών. Ο κορυφαίος παραγωγός PLA σε μεγάλη κλίμακα είναι η NatureWorks LLC και η επωνυμία τους είναι Ingeo. Η πλειοψηφία των ινών PLA παράγονται από άμυλο καλαμποκιού. Το Lactron είναι ένα άλλο εμπορικό όνομα ινών PLA που παράγεται από την Kanebo της Ιαπωνίας μέσω ζύμωσης αμύλου αραβοσίτου. Τα ακόλουθα είναι τα βήματα ή τα στάδια που εμπλέκονται για την παραγωγή ινών PLA από βιομάζα (Εικόνα 3): Μετά τη συγκομιδή καλαμποκιού/βιομάζας, πρώτα το άμυλο διαχωρίζεται από το

• Μετά τη συγκομιδή καλαμποκιού/βιομάζας, πρώτα το άμυλο διαχωρίζεται από τα άλλα μέρη του φυτού και μετατρέπεται σε διαλυτή δεξτρόζη (γλυκόζη).
• Η δεξτρόζη στη συνέχεια ζυμώνεται προκειμένου να παραχθεί γαλακτικό οξύ, το οποίο στη συνέχεια αφυδατώνεται για να λάβει λακτίδιο.
• Ένας πολυμερισμός με τη διαδικασία ανοίγματος δακτυλίου να είναι η προτιμώμενη λύση σε αυτό το στάδιο.
• Τέλος, το πολυμερές στη συνέχεια εξωθείται σε τσιπς πολυλακτιδίου, τα οποία μπορούν είτε να χρησιμοποιηθούν για παραγωγή ινών είτε για χύτευση πλαστικού.

1. Πολυτριμεθυλενοτεραφθαλικό (Bio-PTT)

Το Bio-PTT είναι ένα μερικώς βιοβασισμένο πολυμερές, που συνήθως ανήκει στην οικογένεια των πολυεστέρων. Αποτελείται από δύο μονομερείς μονάδες, την 1,3-προπαδιόλη και το καθαρό τερεφθαλικό οξύ (PTA). 1, η 3-προπανεδόλη προέρχεται από ανανεώσιμες φυτικές πηγές όπως το καλαμπόκι ή η βιομάζα (1,3 προπανοδιόλη (ΠΟΠ). Το Sorona είναι η εμπορική ονομασία της ίνας Bio-PTT που κατασκευάζεται από την DuPont, η οποία χρησιμοποιεί μια ιδιόκτητη διαδικασία πολυμερισμού πολυσυμπύκνωσης στην διαδικασία παραγωγής.

Τα ακόλουθα είναι τα βήματα ή τα στάδια που εμπλέκονται για την παραγωγή ινών Bio-PTT από βιομάζα (Εικόνα 4):

• Το άμυλο από το καλαμπόκι ή τη βιομάζα μετατρέπεται σε ζάχαρη με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης.
• Μετά τη ζύμωση, το Bio-PDO που λαμβάνεται υποβάλλεται σε επεξεργασία ή αντιδρά με χημικό ή βιολογικό PTA.
• Τρίτον, ο πολυμερισμός επεξεργάζεται το μείγμα σε Bio-PTT.
• Τέλος, η εξώθηση ινών/νήματος Bio-PTT πραγματοποιήθηκε μέσω της διαδικασίας περιδίνησης τήξης.

1. Βιοβασισμένο τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (Bio-PET)

Εικόνα 4: Διαφορετικά στάδια που εμπλέκονται στην παραγωγή ινών Bio-PTT.

Το PET είναι κοινώς γνωστό ως τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο ή πολυεστερική ίνα στον τομέα της κλωστοϋφαντουργίας και της μόδας. Λόγω της μη βιοδιασπασιμότητας και των περιβαλλοντικών ζητημάτων του PET, είναι πλέον δυνατή η κατασκευή πολυεστέρα μερικώς βιολογικής βάσης, καθώς μόνο ένα από τα μοριακά δομικά στοιχεία είναι διαθέσιμο σε μαζική κλίμακα ως εναλλακτική λύση βιολογικής βάσης. Ένα τέτοιο είδος ινών PET μερικώς βιολογικής βάσης είναι διαθέσιμο στην αγορά και οι περισσότερες από τις ιδιότητές του ταιριάζουν με το συμβατικό PET. Η Toray είναι ένας από τους κορυφαίους κατασκευαστές Ecodear PET, το οποίο αποτελείται από 30 τοις εκατό περιεκτικότητα σε συνθετικό πολυμερές βιοβασισμένο. Απέδειξαν επίσης με τις δοκιμές τους σε εργαστηριακή κλίμακα ότι το PET μπορεί να παραχθεί από 100 τοις εκατό ανανεώσιμη πρώτη ύλη βιομάζας. Το παράδειγμα της βιολογικής πρώτης ύλης PET και τα στάδια παραγωγής επισημαίνονται στο Σχήμα 5.

Εικόνα 5: Διαφορετικά στάδια που εμπλέκονται στην παραγωγή ινών Bio-PET.

1. Πολυαμίδια που βασίζονται σε βιολογικά προϊόντα (BioPA)

Σήμερα, τα βιο-βασισμένα πολυαμίδια (BioPA) αποκτούν σημασία για να αντικαταστήσουν τις συμβατικές ίνες πολυαμιδίου με βάση το πετρέλαιο, δηλαδή το Nylon 6 και το Nylon 6,6. Η κύρια πρώτη ύλη που χρησιμοποιείται για την παραγωγή του BioPa είναι το έλαιο Ricinus Communis (καστορέλαιο) που λαμβάνεται από τους σπόρους του. Το σπορέλαιο έχει μοναδικά αλειφατικά οξέα, συγκεκριμένα το σεβακικό οξύ και το ενδεκανοϊκό οξύ, τα οποία είναι τα κύρια συστατικά που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή του BioPA. Με βάση τη χημική μοριακή δομή του πολυαμιδίου, η πραγματική βιοπεριεκτικότητα του πολυμερούς διαφέρει από το 60% που είναι ένα μερικώς βιο-βασισμένο πολυμερές έως και 100 τοις εκατό (πολυμερή πλήρως βιο-βάσης). Αυτό οφείλεται κυρίως στην πρόσθετη απαίτηση μοριακών μπλοκ που δεν μπορούν να προέρχονται από βιολογικές πρώτες ύλες. Το Rilsan της Arkema κατασκευάζεται με πολυμερισμό 11-αμινοενδεκανοϊκού οξέος. Η παραγωγή των PA6,10, PA10,10 και PA10,1 πραγματοποιείται από 2 οδούς Biobased DA10 και DC10. 100% βιολογικής βάσης είναι το EVO PA10 της Fulgar, 10 ινών. Το Polyamide 6 αναμένεται να είναι το μεγαλύτερο τμήμα προϊόντων στην παγκόσμια αγορά σύμφωνα με την Πρόβλεψη Αγοράς Bio-polyamide 2016 – 2024 από την Έρευνα Αγοράς Διαφάνειας. Η παραγωγή βασικών μοριακών δομικών στοιχείων για το Nylon 6 μέσω μικροβιακής ζύμωσης, με χρήση ειδικών γενετικά τροποποιημένων μικροβίων πραγματοποιείται από την Genomatica.

Τα στάδια παραγωγής πολυαμιδίου 11 (PA11) με βάση το Bio είναι τα ακόλουθα:

• Αρχικά το λάδι εκχυλίζεται και καθαρίζεται μετά τη συγκομιδή των καστορίνων
• Το αλειφατικό οξύ που εκχυλίζεται στη συνέχεια αμινώνεται (αφυδατώνεται) για να παραχθεί αμινο 11 μονομερές. Περαιτέρω, ακολουθεί η διαδικασία πολυμερισμού, η οποία οδηγεί στην εξώθηση σφαιριδίων πολυαμιδίου 11.
• Τέλος, τα pellets μετατράπηκαν σε θερμοπλαστικές ίνες ή καλουπωμένα συστατικά.

Τα στάδια παραγωγής Bio-based Polyamide 10,10 (PA10,10) είναι τα ακόλουθα:

• Το PA10,10 είναι επίσης κατασκευασμένο από καστορέλαιο, είναι ένα πολυαμίδιο τύπου AABB με μακριές αλυσίδες
• Πρώτον, εξάγεται το λάδι καρτόρ
• Μετά από αποτελεσματικό καθαρισμό, το ρικινελαϊκό οξύ το κύριο ενδιάμεσο που χρησιμοποιείται για τη διαδικασία πυρόλυσης μετατρέπεται σε σεβακικό οξύ (το διοξύ).
• Το σεβακικό οξύ που λαμβάνεται παραπάνω μετατρέπεται σε δεκαμεθυλενοδιαμίνη (η διαμίνη) μέσω της διαδικασίας εμψύχωσης.
• Ακολουθεί ο πολυμερισμός αυτών των δύο συστατικών. Στη συνέχεια μπορούν να εξωθηθούν σφαιρίδια PA10,10, τα οποία είναι κατάλληλα για θερμοπλαστικά πολυμερή που χρησιμοποιούνται για χύτευση με έγχυση, βιομηχανικά νήματα ή άλλες εφαρμογές.

1. Σκέψεις για τη βιωσιμότητα

Γενικά, η αρχική εργασία Αξιολόγησης Κύκλου Ζωής (LCA) για τα βιοσυνθετικά έχει βασιστεί στο επώνυμο πολυμερές Ingeo PLA της NatureWorks. Περαιτέρω εργασίες LCA βρίσκονται σε εξέλιξη για την κατανόηση των χαρακτηριστικών βιωσιμότητας των βιοσυνθετικών. Εξετάζοντας τα ευρήματα LCA ινών PLA, η περισσότερη ενέργεια χρησιμοποιείται κατά τη διαδικασία ζύμωσης, περίπου το 36 τοις εκατό χρησιμοποιείται κατά την παραγωγή καλαμποκιού και στο χτένισμα και των δύο ενεργειών και είναι πολύ χαμηλότερη σε σύγκριση με τη συμβατική παραγωγή πολυεστέρα. Επιπλέον, απαιτείται αποτελεσματική εργασία LCA για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τον αντίκτυπο στη βιωσιμότητα, ειδικά όταν εξετάζετε τις ίνες 2ης και 3ης γενιάς. Για βιοσυνθετικά μπορούν να εφαρμοστούν οι ακόλουθες πιστοποιήσεις:

• Πιστοποίηση Cradle to Cradle
• Πιστοποίηση Working Landscapes
• BioPreferred – πρόγραμμα από το USDA για παγκοσμίως αναγνωρισμένη πιστοποίηση βιοβασισμένου περιεχομένου.
• Σχέδιο Βιοβασισμένου Περιεχομένου για την ποσοτικοποίηση της περιεκτικότητας σε βιομάζα
• Πρότυπα βιωσιμότητας πρώτων υλών, όπως η Στρογγυλή Τράπεζα για τα Αειφόρα Βιοϋλικά (RSB), η Διεθνής Πιστοποίηση Αειφορίας και Άνθρακα (ISCC) για Βιοβασισμένα Προϊόντα και το ISCC+,
• Πρότυπο αξίωσης περιεχομένου (CCS).

Αυτό το άρθρο συζήτησε τις βιοσυνθετικές πρώτες ύλες, την αγορά και τη διαδικασία παραγωγής διαφορετικών βιοσυνθετικών ινών. Τα βιοσυνθετικά έχουν τη δυνατότητα να μειώσουν την υπερθέρμανση του πλανήτη αντικαθιστώντας τα ορυκτά συνθετικά με βάση το πετρέλαιο, αλλά η πρόκληση έγκειται στο πώς πρέπει να προέρχονται και να χρησιμοποιούνται υπεύθυνα για να αξιοποιήσουν τις δυνατότητές τους και επίσης να αποφύγουν τυχόν αρνητικές επιπτώσεις. Είναι πολύ σημαντικό για την τρέχουσα κλωστοϋφαντουργία να χρησιμοποιήσει κάθε εργαλείο για να αναλύσει και να μειώσει τον αντίκτυπο που σχετίζεται με τη χρήση συνθετικών ινών με βάση τα ορυκτά καύσιμα και επίσης είναι καιρός να υποστηριχθούν οι μεταβάσεις. Με την αποτελεσματική προσέγγιση LCA (Cradle to end of life), ο εντοπισμός των κινδύνων και των ευκαιριών για τα βιοσυνθετικά μαζί με τις βέλτιστες πρακτικές και στρατηγικές θα έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του αποτυπώματος άνθρακα και μπορεί να ξεπεράσει τους συνθετικούς κινδύνους.

• βιβλιογραφικές αναφορές
• Sohel Rana, Subramani Pichandi, Shama Parveen και Raul Fangueiro, Κεφάλαιο 4 «Βιοσυνθετικές ίνες: Παραγωγή, Επεξεργασία, Ιδιότητες και Παράμετροι Αειφορίας τους», Οδικός Χάρτης για Βιώσιμα Κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα και Ένδυση, Επιστήμη Κλωστοϋφαντουργίας και Τεχνολογία Ένδυσης, Springer Science+Busioreness 10.1007/978-981-287-065-0_4.
• https://renewable-carbon.eu/publications/publication-type/graphics/

1. FAO, 2021. «FAOSstat». https://www.fao.org/faostat/en/
2. Bonsucro, 2020. https://bonsucro.com/
3. https://win-win.info/index.php/sustainable-concepts/biosynthetic-fibres/

Σχετικά με τον Συγγραφέα

Ο Δρ KH Prabhu είναι Ανώτερος Τεχνολόγος (Βαφή & Φινίρισμα) στην Texcoms Textile Solutions, Σιγκαπούρη. Έχει πάνω από 11 χρόνια εμπειρία στον τομέα της επεξεργασίας κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων, εργάζεται στη βιομηχανία, την παροχή συμβουλών, τον ακαδημαϊκό χώρο και την έρευνα. Η ειδικότητά του είναι η επεξεργασία κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων, η πράσινη χημεία, τα λειτουργικά φινιρίσματα, οι λειτουργικές βαφές, οι φυσικές βαφές και τα τεχνικά υφάσματα κ.λπ. Έχει 11 ερευνητικές δημοσιεύσεις, 20 άρθρα κριτικής (Εθνικό & Διεθνές) και ένα κεφάλαιο βιβλίου. Έχει πραγματοποιήσει διάφορες συμβουλευτικές εργασίες και οδήγησε διάφορες διαδικασίες, λεπτομερείς έρευνες των μονάδων επεξεργασίας κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων στην Ινδία, το Μπαγκλαντές, τη Νότια Αφρική και την Ινδονησία.