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生分解性プラスチックはどのように作られるのか: プロセス、材料、用途

生分解性プラスチックはどのように作られるのか: 直接の答え

生分解性プラスチックは、生物学的原料（主に植物由来のデンプン、セルロース、発酵糖）からポリマーを調達し、それらを化学経路または微生物経路を通じて処理して、自然環境で数カ月から数年以内に分解できる材料を生成することによって作られます。石油由来の従来のプラスチックとは異なり、生分解性のバリアントは、微生物が水、二酸化炭素、有機物に代謝できる再生可能な炭素鎖を使用しています。

今日商業的に最も重要な生分解性プラスチックには次のものがあります。 ポリ乳酸(人民解放軍) 、ポリヒドロキシアルカノエート（PHA）、熱可塑性デンプン（TPS）、およびポリブチレンサクシネート（PBS）。それぞれは異なる製造ルートを通じて製造されますが、すべてに共通する原則は 1 つあります。それは、主鎖ポリマーが化石資源ではなく生物源に由来し、酵素分解経路で材料のライフサイクルを完了できるということです。

事前に明確にしておきたいのは、生分解性と生物由来の性質は同じではないということです。一部のバイオプラスチックはバイオベースですが生分解性ではありませんが、一部の石油由来ポリマーは生分解性添加剤を使用して加工できます。この記事では、生物由来で真に生分解性のプラスチックがどのように製造されるか、エンジニアリングナイロンプラスチックなどの従来のエンジニアリング材料とどのように比較されるか、そしてそれが産業および製品用途に何を意味するかに特に焦点を当てます。

原材料の原料: 生分解性プラスチックの始まり

生分解性プラスチックの製造は工場ではなく農場から始まります。生物学的原料の選択により、化学経路、加工条件、および得られるポリマーの最終的な材料特性が決まります。

コーンスターチとサトウキビ

コーンスターチは、世界的に PLA 生産の主要な原料です。まずデンプンを湿式粉砕してグルコースを分離し、次にグルコースを乳酸菌（主にグルコース）によって発酵させます。 乳酸菌 種）を使用して乳酸モノマーを生成します。サトウキビジュースは糖濃度が高く、熱帯地域、特にブラジルで好まれる原料です。欧州バイオプラスチック協会（2023 年版市場報告書）のデータによると、コーンスターチとサトウキビ由来の PLA がおおよその割合を占めています。 世界中のバイオプラスチック生産能力の 32% .

農業廃棄物由来のセルロース

小麦わら、もみ殻、サトウキビバガス、または木材パルプから抽出されたセルロースは、ますます魅力的な第二世代の原料となっています。食品サプライチェーンとの直接の競争を回避します。ただし、セルロースの結晶構造により、発酵を進める前に酵素または酸加水分解の前処理が必要となり、プロセスのステップとコストが増加します。に発表された研究 生物資源技術 (Vol. 289、2019) は、小麦わらセルロースの酵素糖化により、次のグルコース濃度が得られることを実証しました。 45～55g/L 下流の PHA 発酵には十分です。

植物油と脂肪酸

大豆油、パーム油、およびヒマシ油は、ポリウレタンベースの生分解性フォームおよび特定のポリエステルの変種の原料として機能します。ヒマシ油は食用ではなく、栽培に必要な水と農薬がトウモロコシよりも少ないため、特に注目に値します。これらの油に含まれるオレイン酸鎖とリノール酸鎖は、酸化され、生分解性ポリエステルやポリウレタンのポリオール前駆体に官能基化できる炭素-炭素骨格を提供します。

新たな原料としてのメタンと CO2

Mango Materials (USA) や Newlight Technologies などの企業は、埋め立て地や農業廃棄物から回収されたメタンを PHA 生産の唯一の炭素源として使用する発酵プロセスを開発しました。これは、温室効果ガスの隔離と生分解性ポリマーの生成を同時に行う第 3 世代の原料経路を表します。パイロット規模の施設では、以下の収量が実証されています。 細胞乾燥重量の最大 80% PHA 最適化された条件下での特定の細菌株において (出典: ネイチャーコミュニケーションズ 、2020、「パイロットスケールでのメタンからのポリヒドロキシアルカノエートの生産」）。

主要な生分解性プラスチックの段階的な製造プロセス

PLAの作り方：発酵から開環重合まで

PLA の生産は、確立された産業順序に従って行われます。

  1. 原料の調製: トウモロコシまたはサトウキビを加工して発酵性糖 (グルコースまたはスクロース) を放出します。
  2. 乳酸発酵: 細菌は、制御された pH と温度 (通常 37 ～ 43°C、pH 5.5 ～ 6.5) の下で糖を L-乳酸または D-乳酸に変換します。
  3. 精製: 乳酸は沈殿、酸性化、蒸留によって回収され、99.5% 以上の純度が得られます。
  4. オリゴマー化: 乳酸は真空および高温 (150 ～ 170°C) で縮合重合を受け、低分子量 PLA オリゴマーを形成します。
  5. ラクチドへの解重合: オリゴマーは触媒 (通常はオクタン酸スズ(II)) の存在下で熱的に解重合され、環状ラクチドダイマーが生成されます。
  6. 開環重合 (ROP): ラクチドは、触媒と開始剤の存在下、150 ～ 210°C で ROP を受け、重量平均分子量が 100,000 ～ 300,000 g/mol .
  7. ペレット化と配合: ポリマー溶融物は押し出され、冷却され、下流の処理のためにペレット化されます。

NatureWorks LLC (米国ミネソタ州) は、世界最大の PLA 生産施設を運営しています。 年間150,000トン ROP ルートを使用します。同社の Ingeo ブランドの PLA グレードは、包装フィルムから繊維用途まで多岐にわたります。

PHAを作る：微生物の細胞内蓄積

PHA の生産は PLA とは根本的に異なります。ポリマーは生きた細菌細胞内で細胞内エネルギー貯蔵として合成され、その後抽出されます。このプロセスには以下が含まれます。

  1. 細菌培養：次のような菌株 クプリアビドゥス ネカトル (以前は ラルストニア ユートロファ ）、 バークホルデリア・セパシア 、または組換え 大腸菌 栄養豊富な培地で栽培されます。
  2. 栄養素制限段階: PHA の蓄積を引き起こすために、窒素、リン、酸素が意図的に制限されます。細菌は炭素フラックスを PHA 合成に向けて方向転換し、場合によっては蓄積する 乾燥電池重量の最大 90% PHA顆粒として。
  3. 細胞の採取: 培養液を遠心分離して細菌バイオマスを濃縮します。
  4. 細胞の破壊と抽出: 細胞は化学的処理 (次亜塩素酸ナトリウム、界面活性剤) または機械的破壊 (ビーズミル、均質化) によって溶解されます。次に、PHA は溶媒 (クロロホルム、塩化メチレン) を使用するか、水性非溶媒沈殿ルートによって抽出されます。
  5. 精製と乾燥: 溶媒を蒸発させるか、ポリマーを非溶媒中で沈殿させ、洗浄し、乾燥させて粉末またはペレットを生成します。

最も一般的な PHA は、ポリ(3-ヒドロキシ酪酸) (PHB) とその共重合体ポリ(3-ヒドロキシ酪酸-co-3-ヒドロキシ吉草酸) (PHBV) です。 PHBV は、規則的な結晶パッキングを破壊することにより、PHB よりも柔軟性が向上し、破断点伸びの値が 2 になります。 15～50% PHB の一般的な 5% と比較します。

熱可塑性デンプン（TPS）の製造

天然デンプン顆粒は脆く親水性であるため、直接溶融加工することはできません。これらを TPS に変換するには、可塑化が必要です。デンプンと可塑剤 (水、グリセロール、ソルビトール、尿素) を混合し、二軸押出機で機械的せん断と熱 (90 ～ 180°C) を加えます。これにより、半結晶性の顆粒構造が破壊され、非晶質の溶融加工可能な熱可塑性マトリックスが生成されます。 TPS だけでは機械的性能に限界があります。通常、引張強度と耐水性を向上させるために、PLA、PBAT (ポリブチレンアジペートテレフタレート)、または PBS とブレンドされます。

PBAT の製造: 化石ベースだが生分解性のコポリエステル

PBAT は、石油由来のモノマー (1,4-ブタンジオール、アジピン酸、テレフタル酸) から溶融縮合重合によって合成されます。 PBAT は化石由来であるにもかかわらず、そのエステル結合が酵素による加水分解を受けやすいため、工業的に堆肥化可能であると認定されています (EN 13432 / ASTM D6400)。 PBAT は、脆い PLA ブレンドの強化剤として軟包装フィルムに広く使用されています。世界的には、BASF のエコフレックス (PBAT) とそのエコビオ ブレンド (PLA PBAT) が主要な市販製品です。

生分解性プラスチック vs. エンジニアリングナイロンプラスチック : 特性の比較

材料選択における最も一般的な質問の 1 つは、生分解性プラスチックが従来の高性能材料、特にエンジニアリング ナイロン プラスチック (PA6、PA66、PA12) とどのように比較されるかということです。エンジニアリング ナイロン プラスチックは、自動車、産業、民生用途で数十年にわたって実績のある実績があります。いずれかの材料ファミリーを選択する前に、パフォーマンスのギャップを理解することが不可欠です。

一般的な生分解性プラスチックとエンジニアリングナイロンプラスチックグレードの主要な機械的特性と熱的特性の比較。データは材料サプライヤーのデータシートおよび出版された文献から編集されました。
プロパティ PLA PHA (PHBV) TPSブレンド エンジニアリングナイロン(PA66)
引張強さ(MPa) 40～65 25～40 15～30 70–85
破断伸び(%) 3～8 15～50 30～200 60～300
熱たわみ温度 (°C) 55–65 100～130 50～70 180～250
吸水率(%) 0.3～0.5 0.5～2.0 高 (5 ～ 20) 2.5～8.5
処理温度 (°C) 170～220 160～180 90～180 260～290
生分解性 工業用堆肥 土壌、海洋、堆肥 土、堆肥 なし（安定）
一般的なコスト (USD/kg、2024 年) 1.8～2.5 4.0～8.0 1.5～3.0 2.0～3.5

データが明らかにしているのは、 エンジニアリングナイロンプラスチックは、ほぼすべての機械的および熱的基準において生分解性代替品を上回ります。 。 PA66 は、PLA よりも 30 ～ 50% 高い引張強度、標準 PLA の 3 倍以上の熱たわみ温度、および優れた耐疲労性を備えています。そのため、エンジニアリング ナイロン プラスチックは、ボンネット下の自動車部品、電動工具のハウジング、ギア、産業用コネクターに最適な材料であり続けています。これらの性能レベルを必要とする用途では、ブレンド、繊維強化材との配合、または用途固有の再設計による大幅な特性変更なしでは、生分解性プラスチックは現在実行可能な代替品とはなりません。

ただし、これが全体像ではありません。 包装、使い捨て刃物、農業用マルチフィルム、短サイクル医療機器、および寿命が決まった消費者製品の場合、生分解性プラスチックは必要な性能仕様と同等またはそれを超えることができます。 目に見える環境上の利点ももたらします。エンジニアリング ナイロン プラスチック ファミリも進化を続けています。バイオベースの PA11 (ヒマシ油から作られ、アルケマが Rilsan ブランドで商品化) と PA410 (DSM 製、バイオベースと石油由来の両方のモノマーを使用) は、エンジニアリング ナイロン プラスチックが構造性能を犠牲にすることなく部分的にバイオベースの含有量を獲得するという融合を表しています。

生分解性プラスチックが実際にどのように分解されるか: 分解の科学

分解メカニズムを理解することは、生分解性プラスチックがどのように作られるかを理解することと同じくらい重要です。なぜなら、この 2 つは直接関係しているからです。製造中に作成される化学構造によって、環境内でどの分解経路にアクセスできるかが決まります。

加水分解

PLA は主に非生物的加水分解によって分解されます。水はポリマー主鎖のエステル結合を切断し、微生物の活動を必要とせずに分子量を徐々に減少させます。このプロセスは自己触媒的です。加水分解が進行するにつれて、生成された乳酸フラグメントにより局所的な pH がさらに低下し、鎖の切断が促進されます。工業用堆肥条件 (58°C、湿度 >50%) では、PLA は内部で低分子量の断片に分解します。 60～90日 、その後急速な微生物の石灰化が続きます。周囲環境温度 (土壌温度 15 ～ 20°C) では、同じプロセスに時間がかかります。 2～5年 そのため、PLA は資格なく家庭での堆肥化やポイ捨てに適しているものとして販売されるべきではありません。この動的な現実は重要です。PLA 製品の「生分解性」という用語は、いかなる環境でもすぐに消滅することを意味するものではありません。

酵素分解

PHA は、根本的に異なる主なメカニズム、つまり土壌細菌や菌類によって分泌される細胞外 PHA デポリメラーゼによる直接的な酵素攻撃によって分解されます。これらの酵素はポリマー表面のエステル結合を加水分解し、同じまたは隣接する微生物によってすぐに代謝される 3-ヒドロキシ酪酸モノマーを生成します。これにより、PHA はより広範囲の環境で分解可能になります。 海洋堆積物、淡水、土壌、堆肥 。 PHBV 薄膜は、活性汚泥中では 28 日以内に、海洋環境中では 60 ～ 90 日以内に 90% の質量を失うことが示されています (出典: ポリマーの分解と安定性 、Vol. 94、第 4 号、2009)。

光酸化および熱プレコンディショニング

屋外環境での紫外線照射と熱サイクルは、鎖の切断を開始し、脆性を増大させ、微生物が定着しやすい表面積を拡大することにより、生分解性プラスチックをプレコンディショニングする可能性があります。これは、PBAT/TPS ブレンドをベースとした農業用マルチフィルムに特に関係しており、1 つの生育シーズン後に圃場で断片化して石灰化するように設計されています。重要なことに、この光酸化的フラグメンテーション経路は、従来のオキソ分解性添加剤が標準ポリオレフィンで機能する仕組みでもあります。しかし、結果として生じるフラグメントは生分解性ではなく、この重要な違いが、指令 2019/904 に基づく EU におけるオキソ分解性プラスチックの規制禁止につながっています。

エンジニアリングナイロンプラスチックが生分解しない理由

エンジニアリング ナイロン プラスチック (ポリアミド) は、周囲の生物学的条件下でそのアミド結合 (-CO-NH-) が PLA または PHA のエステル結合よりも加水分解に対して大幅に安定しているため、生分解に耐性があります。高温（>200°C）および高圧でのポリアミドの工業的加水分解は、ナイロンのリサイクルプロセス（アミノ分解または加水分解解重合として知られています）で使用されていますが、土壌微生物や海洋微生物には、環境条件でこれらの結合を切断できる効率的なポリアミドデポリメラーゼがありません。 エンジニアリングナイロンプラスチックは環境中で何百年も存続することができます。 これがまさにその機械的性能が何十年もの使用期間を通じて維持される理由です。これは構造コンポーネントにとって望ましい特性ですが、材料が専用のリサイクルなしで廃棄物になると環境上の責任となります。

産業および商業用途: 各材料が属する場所

生分解性プラスチックとエンジニアリングナイロンプラスチックの製造上の特徴により、それらは非常に異なる用途に適しています。どちらの材料も普遍的に優れているというわけではなく、どちらも現代の材料エコシステムにおいて重要な役割を果たしています。

生分解性プラスチックに最適な用途

  • 軟包装フィルム： PBAT/PLA ブレンドは、農産物袋、パン袋、堆肥化可能なゴミ箱ライナーに使用されます。欧州市場だけでも、2022 年には約 750,000 トンの堆肥化可能な包装材が使用されました (出典: European Bio Plastics / nova-Institute、Bioプラスチック市場データ 2022)。
  • 使い捨て食品サービス品目: EN 13432 に基づいて認定された PLA カップ、プレート、カトラリーは、多くの産業用堆肥化施設で受け入れられています。スターバックスとヨーロッパのマクドナルドは、PEコーティングされた代替品の代替品としてPLAコーティングされた紙カップを試験的に使用しています。
  • 農業用マルチフィルム: PBAT ベースのフィルムは収穫後に土壌に耕され、3 ～ 12 か月以内に分解されるため、コストのかかるフィルム除去の必要がなくなります。イタリアは、廃棄物法 (D.Lgs. 116/2020) に基づいて、認定された生分解性マルチフィルムの使用を義務付けています。
  • 医療用縫合糸および薬物送達足場: PLA、PGA (ポリグリコリド)、およびそれらのコポリマー PLGA は、1970 年代から吸収性縫合糸に使用されてきました。体のエステラーゼは、これらのポリマーを安全な代謝副産物に加水分解します。 PLGA マイクロスフェアは、1 ～ 6 か月にわたって制御された放出速度で化学療法薬を送達するために使用されます。
  • 3D プリント用フィラメント: PLA は、反りが少なく、有毒ガスが少なく、初心者レベルのプリンターが利用できる印刷温度のため、世界中で最も広く使用されている FDM 印刷材料です。世界の PLA フィラメント市場は、2023 年に約 4 億 3,000 万米ドルと評価されています (出典: MarketsandMarkets、2023 年レポート)。
  • 種子トレイと育苗ポット: TPS および PHA ベースのトレイは、苗木と一緒に地面に直接植えることができるため、移植時のショックや栽培作業でのプラスチック廃棄物の除去が不要になります。

エンジニアリングナイロンプラスチックが依然として主流である用途

  • 自動車のボンネット下のコンポーネント: PA66 または PA6 ガラス繊維強化グレードで作られたインテーク マニホールド、エンジン カバー、ケーブル タイ、燃料ライン コネクタ、冷却液リザーバーは、オイル、燃料、冷却液に対する高い耐薬品性を備え、120 ～ 150°C の連続温度に耐えます。現在、この性能範囲に達する生分解性プラスチックはありません。
  • 電気コネクタとハウジング: エンジニアリング ナイロン プラスチック (PA66) は、UL94 V-0 難燃性定格 (適切な添加剤を含む) であり、家庭用電化製品、EV バッテリー管理システム、産業用開閉装置の電気安全にとって重要な耐トラッキング性と寸法安定性を備えています。
  • 工業用ギア、ベアリング、ブッシュ: エンジニアリング ナイロン プラスチックの低い摩擦係数 (鋼に対して 0.1 ～ 0.3)、自己潤滑特性、および耐疲労性により、食品加工、繊維機械、コンベヤ システムなどの無潤滑機械ドライブに最適です。
  • 電動工具のハウジングとハンドル: PA6/66 の高い衝撃強度と表面硬度は、繰り返しの落下や過酷な使用サイクルに耐えます。ガラス繊維強化グレード (GF 30%) は、160 MPa を超える引張強度を実現します。
  • スポーツ用品およびアウトドア用品: スキービンディング、自転車ディレイラー、結束バンド、カラビナ本体は、長期にわたる UV 安定性 (スタビライザー パッケージを使用)、耐衝撃性、軽量構造性能を実現するエンジニアリング ナイロン プラスチックに依存しています。

生分解性プラスチックとエンジニアリングナイロンプラスチックの性能差を埋める現在のイノベーション

現在のポリマー研究のかなりの部分は、より需要の高い用途に使用できるように生分解性プラスチックの性能を向上させることに専念しています。同時に、工学的な利点を維持しながら、エンジニアリングナイロンプラスチックの一部を生物由来にする取り組みも進行中です。

ステレオコンプレックス PLA: 熱偏向バリアを突破する

標準的な PLA の熱たわみ温度は 55 ～ 65°C であるため、ホットフィル包装、食器洗い機対応の容器、および多くの自動車用途には適していません。ステレオコンプレックス PLA (sc-PLA) は、PLLA (ポリ-L-ラクチド) と PDLA (ポリ-D-ラクチド) を 1:1 の比率でブレンドすることによって形成され、融点が 100 ℃ の共結晶構造を形成します。 220～230℃ — いずれかのホモポリマー単独よりも大幅に高い。三井化学とトヨタ自動車の研究では、sc-PLA射出成形部品が100℃の連続使用温度に耐えることが実証され、現在エンジニアリングナイロンプラスチックを使用している一部の自動車内装部品に使用可能であることが実証されました。

靭性を高めるPHAコポリマーとブレンド

PHB の固有の脆さは、歴史的に PHA の商業的成功を制限してきました。靱性を改善するための現在の戦略には次のものが含まれます。(1) より長い側鎖 (3-ヒドロキシ吉草酸、3-ヒドロキシヘキサン酸) を生合成的に組み込んで結晶性を破壊し、延性を改善します。 （２）相溶化剤として過酸化物または過酸化ジクミルを使用して、ＰＬＡまたはＰＢＡＴと反応性ブレンドする。 (3) エポキシ化植物油による可塑化。これらのアプローチにより、破断点伸びが超過する PHA ベースの材料が生成されました。 200% 完全な生分解性を維持しながら、低密度ポリエチレンの柔軟性に近づきますが、エンジニアリング ナイロン プラスチックの性能にはまだ達していません。

バイオコンポジット強化材: 生分解性マトリックス中の天然繊維

天然繊維（亜麻、麻、ジュート、ケナフ、竹）を PLA または PHA マトリックスに添加すると、剛性と強度が大幅に向上した完全に堆肥化可能なバイオ複合材料が作成されます。 30% の繊維負荷を備えた亜麻繊維/PLA 複合材料は、次の引張弾性率を達成しました。 8～12GPa 、剛性はガラス繊維強化エンジニアリング ナイロン プラスチックに近づきますが、密度ははるかに低くなります (1.2 ～ 1.3 g/cm3 対 30% GF PA66 の場合は 1.5 g/cm3)。 Bcomp (スイス) や Trifilon (スウェーデン) などの企業は、自動車の内装パネル、スポーツ用品、家庭用電化製品の筐体に使用するために、これらのバイオ複合システムを商品化しています。

バイオベースのナイロン: 格差を埋める

「生分解性」と「バイオベース」の区別はしばしば混同されますが、バイオベースのエンジニアリングナイロンプラスチックは重要な中間領域を表します。 PA11 (Rilsan、Arkema) は 100% ヒマシ油由来で生分解性ではありませんが、 二酸化炭素排出量を 50 ～ 60% 削減 クレードルからゲートまでのベースで PA12 よりも優れています (出典: Arkema Life Cycle Assessment、2021)。 PA410 (EcoPaXX、DSM/Covestro) は 70% がヒマシ油由来のバイオベースであり、Tg 30°C、融点 250°C の PA66 の機械的性能を実現します。これらの材料は、エンジニアリング ナイロン プラスチックの構造上の利点を維持しながら、石油化学原料への依存を軽減します。これは、完全に生分解性の代替品がまだ十分ではない産業の脱炭素化における実用的なステップです。

酵素リサイクル: 使用済み製品を生産に結び付ける

Carbios (フランス) の画期的な技術は、人工好熱性クチナーゼ酵素を使用して、PET (ひいては PLA やその他のポリエステル) を 72°C で 10 時間以内に解重合して純粋なモノマーに戻します。 97%以上の解重合収率 。この酵素リサイクルルートはパイロット規模で検証され、ロレアルやネスレなどのパートナーにライセンス供与されており、最終的には生分解性ポリエステルが堆肥化されるのではなく、化学的にバージン品質のモノマーにリサイクルされ、材料ループをはるかに効率的に閉じることができることを意味する。これにより、生分解性ポリエステルは、使用済みの堆肥化可能な材料としてだけでなく、循環経済におけるリサイクル可能なプラットフォームとして位置づけられます。これは、エンジニアリング ナイロン プラスチックのリサイクル可能性の証明とより直接的に競合する物語です。

環境への影響: 生分解性プラスチックと従来の材料のライフサイクル分析

生分解性プラスチックの環境問題は、マーケティング上の主張よりも微妙なところがあります。ライフサイクル評価 (LCA) データによると、生分解性プラスチックは、すべての影響カテゴリにおいて従来の材料よりも断固として「環境に優しい」わけではありませんが、特定の使用例に関連性の高い特定の利点を提供します。

地球温暖化係数 (GWP)

欧州環境庁 (EEA、2021) による比較 LCA によると、PLA の生産はおよそ 1 kg あたり 1.3 ～ 2.5 kg CO2 換算 バージン PET では 1 kg あたり CO2 換算 3.4 ～ 4.5 kg、PA66 (エンジニアリング ナイロン プラスチック) では 1 kg あたり 2.5 ～ 3.5 kg CO2 換算と比較します。ただし、これらの数値は、生産施設のエネルギー構成、原料農業に伴う土地利用の変化、輸送距離などによって大きく異なります。 PLA が寿命の終わりに堆肥化される場合、放出される生物起源の CO2 はカーボンニュートラルであると考えられます (植物の成長中に最近大気から回収されたため)。一方、化石ベースのプラスチックを焼却すると、大気中の CO2 への正味の追加として化石化炭素が放出されます。

土地利用と食用作物競争

コーンスターチ PLA のような第一世代の生分解性プラスチックに対する主な批判は、それらが食料生産と農地を奪い合うということです。現在の世界の PLA 生産量 (約 600,000 トン/年) では、原料トウモロコシには約 120万ヘクタールの農地 — 世界の農地の 0.1% 未満 (出典: nova-Institute、「Bio-based Building Blocks and Polymers」、2023)。これは今日では比較的小規模な土地への影響ですが、規模が大きくなると、すべての化石プラスチックを第一世代のバイオプラスチックに置き換えることによる土地利用への影響は重大になります。これは、食料システムと競合しない第二世代の原料（リグノセルロース系廃棄物）および第三世代（藻類、メタン）の研究の重要な推進力です。

海洋汚染に関する考慮事項

生分解性プラスチック、特に PHA の環境上の利点として最も頻繁に挙げられるのは、海洋分解性です。海洋プラスチック汚染は、年間 800 ～ 1,200 万トンが海に流入すると推定されています (出典: Jambeck et al.、 科学 、2015）。漁網、水産養殖設備、産業廃棄物として海で失われたエンジニアリングナイロンプラスチックは、数十年かけてマイクロプラスチックの破片に分解されます。 PHA は海洋環境で生分解することが認定された唯一の市販生分解性プラスチックです (ASTM D7991 規格)、天然に存在する海洋細菌によって数十年ではなく数か月以内に代謝されます。このため、PHA は、海洋環境への損失が本質的なリスクとなる漁具、水産養殖網、海洋コーティング、つまりエンジニアリング ナイロン プラスチックの残留性が環境上の責任となる用途に特に適しています。

従来のプラスチック製造装置での生分解性プラスチックの処理

従来のプラスチックから生分解性代替プラスチックへの切り替えを検討しているメーカーにとって実際的な問題は、既存の機械（射出成形機、押出機、ブロー成形ライン、熱成形プレス）が大規模な設備投資なしで生分解性材料を加工できるかどうかです。

射出成形

PLA は、標準的な往復スクリュー成形機でバレル温度 170 ～ 220 °C、金型温度 (アモルファス部品の場合は 25 ～ 40 °C、結晶 (CPLA) 部品の場合は 80 ～ 110 °C) で射出成形できます。重要な課題は、PLA が湿気に敏感であることです。事前に以下の温度まで乾燥させる必要があります。 水分含有量250ppm 加工前に（理想的には 100 ppm）、または成形中の加水分解鎖切断により分子量が低下し、部品が脆くなります。バレル内の滞留時間は最小限に抑える必要があります。PLA は、処理温度で 5 ～ 10 分後に目に見えるほど劣化し始めます。エンジニアリング ナイロン プラスチック (水分 0.2% 未満まで乾燥する必要があり、260 ～ 290 °C で処理する必要がある) と比較して、PLA はバレル ヒーターにかかる熱要求が少なくなりますが、より慎重な水分管理が必要です。

フィルム押出およびインフレーションフィルム

PBAT、TPS/PLA ブレンド、および PHA グレードは、従来のインフレーションフィルムラインで正常に処理されています。スクリュー設計の変更が必要になる場合があります。通常、PE 加工と比較して、より浅い圧縮比 (2.5:1 ～ 3:1) とより低いせん断が推奨されます。生分解性ポリエステルは溶融強度挙動がLDPEとは異なるため、ダイギャップとブローアップ比を調整する必要があります。 PHA は特に融点 (160 ～ 180 ℃) 付近で熱劣化しやすいため、狭い処理ウィンドウでの正確な温度制御が必要です。一部の PHA グレードでは、結晶化速度を改善し、押出ラインのサイクル時間を短縮するために核剤の恩恵を受けます。

熱成形

アモルファス PLA シートは 75 ～ 95°C の温度で熱成形されますが、これは従来のほとんどの熱成形基材よりも低く、温度プロファイルを変更した既存の装置での加工が可能です。結晶質 PLA (CPLA) は、専用の金型設計による 135 ～ 160°C での熱成形が必要です。 PLA はひずみ硬化挙動が高いため、熱成形 PLA の壁厚分布は HIPS (耐衝撃性ポリスチレン) よりも均一になる傾向があり、薄肉のパッケージング用途には有利です。 PLA 熱成形サイクル時間は、一般に、同様のゲージの PS と競合します。

生分解性プラスチックの製造に関するよくある質問

生分解性プラスチックは埋め立て地で分解されますか?

PLA を含むほとんどの生分解性プラスチックは、埋め立て地では効果的に分解されません。嫌気性ゾーンの低酸素、低湿度、低温といった埋め立て条件は、生分解性プラスチックが依存する加水分解経路や微生物分解経路を抑制します。埋め立て地の PLA は、従来のプラスチックと同様に数十年間存続する可能性があります。産業用堆肥化 (58°C、好気性、高湿度) は、ほとんどの認定された堆肥化可能なプラスチックにとって意図された耐用年数終了環境です。 PHA のみが嫌気性環境を含む幅広い条件下で分解されますが、その速度は活性な堆肥や海洋環境よりも依然としてはるかに遅いです。

生分解性プラスチックは、構造用途においてエンジニアリングナイロンプラスチックを置き換えることができますか?

現在の材料技術ではほとんどの場合そうではありません。エンジニアリング ナイロン プラスチック (PA6、PA66、PA12) は、引張強度 70 ～ 85 MPa、HDT 250°C まで、優れた耐薬品性といった機械的特性を備えており、現在の生分解性代替品では生分解性を損なうことなく匹敵するものはありません。 PLA または PHA マトリックスに天然繊維強化を使用したバイオコンポジットのアプローチは、剛性においてエンジニアリング ナイロン プラスチックに近づくことができますが、靭性、熱安定性、および長期の耐薬品性は依然として大幅に劣っています。構造用途の場合、バイオベースのエンジニアリング ナイロン プラスチック (ヒマシ油由来の PA11、PA410) は、性能を犠牲にすることなく環境への影響を低減するためのより実用的な手段を提供します。

堆肥化可能なプラスチックと生分解性プラスチックの違いは何ですか?

「生分解性」とは、材料が微生物によって水、CO2、バイオマスに分解されることを意味しますが、この定義には時間スケールや必要な条件が示されていません。 「堆肥化可能」とは、より具体的で規制された用語です。EN 13432 (ヨーロッパ) または ASTM D6400 (米国) に基づいて認定されたプラスチックは、産業用堆肥化条件で 12 週間以内に 2 mm 未満の破片に崩壊し、6 か月以内に炭素含有量の少なくとも 90% が CO2 として生分解されなければなりません。堆肥化可能なプラスチックは、残留物質が植物の成長に悪影響を及ぼさないこと、および重金属含有量が規定の閾値未満に留まっていることも証明する必要があります。認定されたすべての堆肥化可能プラスチックは生分解性ですが、すべての生分解性プラスチックが堆肥化可能であると認定されているわけではありません。

生分解性プラスチックのコストは、従来のエンジニアリング材料と比較してどれくらいですか?

2024 年の時点で、汎用 PLA のコストは約 1.8 ～ 2.5 米ドル/kg であり、これは多くの標準的なエンジニアリング熱可塑性プラスチックとコスト競争力があります。 PHA は、生産量が少なく、回収プロセスがより複雑であるため、依然として 4 ～ 8 米ドル/kg と大幅に高価です。エンジニアリング ナイロン プラスチック (PA6) は標準グレードで 2.0 ～ 3.5 米ドル/kg で取引されており、特定の用途ではコスト的には PLA とほぼ同等になります。ただし、総コストの比較では、加工条件、乾燥要件、サイクル時間の影響、耐用年数終了時の認定された堆肥化可能なサプライチェーンの必要性の違いを考慮する必要があります。生分解性プラスチックの生産が世界的に拡大するにつれ、バイオプラスチックの総生産能力は2023年の218万トンから2028年までに630万トン以上に増加すると予測されています（出典：欧州バイオプラスチック/nova-Institute）。2020年代後半までにはほとんどのグレードで従来のプラスチックとコストが同等になると予想されています。

生分解性プラスチックは、従来のプラスチック廃棄物の流れとともにリサイクルできますか?

これは現実的な重大な懸念事項です。生分解性プラスチック、特に PLA は一般に、PET、HDPE、または PP の従来のリサイクルの流れと互換性がありません。 PET リサイクルの流れにおける PLA の少量の汚染 (<1%) であっても、溶融挙動と光学的透明度の違いにより、リサイクルされた PET 製品に目に見える欠陥が生じる可能性があります。機械選別システムでは、PLA を PET から分離するために近赤外 (NIR) 分光法を使用することが増えていますが、精度は完璧ではありません。認定された堆肥化可能なプラスチックの正しい廃棄経路は、街頭のリサイクル箱ではなく、産業用堆肥化です。酵素リサイクル技術（Carbios の PETase プラットフォームなど）により、最終的には汚染レベルに関係なく、生分解性ポリエステルを化学的に解重合してモノマーに戻すことが可能となり、選別の課題が解決される可能性があります。

環境への懸念からエンジニアリングナイロンプラスチックは段階的に廃止されつつあるのでしょうか?

いいえ、エンジニアリング ナイロン プラスチック (ポリアミド) は段階的に廃止されていません。その長い耐用年数、機械的および化学的ルートによるリサイクル可能性、高い性能重量比により、電気自動車、航空宇宙、再生可能エネルギーインフラの軽量化戦略において重要な材料となっており、これらすべてがシステム全体の二酸化炭素排出量を削減します。エンジニアリングナイロンプラスチック分野の傾向は、生分解性材料で置き換えるのではなく、バイオベース含有量（PA11、PA410、新興バイオベースのヘキサメチレンジアミンおよびアジピン酸ルートからの部分的にバイオベースのPA66およびPA6）を増やす方向にあります。リサイクル内容の PA グレード (使用済みの漁網、繊維廃棄物、または産業スクラップから作られた) も、バージンのエンジニアリング ナイロン プラスチックよりも環境への影響が低いドロップイン代替品として利用可能になりつつあります。

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