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產業技術評析

化石原料塑膠之生物分解/再利用
發表日期:2023-08-09
作者:張志強(工研院)
摘要:
有鑑於塑膠隨意棄置造成對環境之危害,尤其近年備受矚目之海洋廢棄物中,塑膠為常見海灘廢棄物主要成分,因此各國紛紛祭出有關塑膠之限用或禁止措施,以期緩解塑膠汙染環境問題。

全文:

一、塑膠的生物分解發展趨勢

有鑑於塑膠隨意棄置造成對環境之危害,尤其近年備受矚目之海洋廢棄物中,塑膠為常見海灘廢棄物主要成分,因此各國紛紛祭出有關塑膠之限用或禁止措施,以期緩解塑膠汙染環境問題。援此,聯合國環境大會在2022年度3月達成共識,要訂定具有法律約束力之公約,以終止廢塑膠汙染,其檢討範圍將針對塑膠整個生命週期,制定新的規則;在污染防治層面,考量範圍包含海洋、空氣、土壤和食物鏈中的塑膠微粒。

在各種對應塑膠汙染的方法中,生物基(bio-based)塑膠、可生物分解(biodegradable)塑膠、可堆肥(compostable)塑膠占有一席之地,但因目前生產成本與性能仍有所不及化石原料塑膠,再加上許多地區塑膠回收基礎建設與制度不易在短時間內建立,散逸在環境中的化石原料塑膠短時間無法有效清除,因此各種原本被視為不可生物分解的化石原料塑膠,其生物分解特性的研究仍持續開發中。

初期,由於「可生物分解」的定義、測試標準並非一般大眾可熟知,因此有許多必須在特定條件下才能被分解的「可堆肥塑膠」,被誤認為可棄置於大自然環境中,事實上無法有效分解,同時有些化石原料塑膠透過混摻部分生物可分解基質(如澱粉、生物纖維),聲稱具備生物可分解性,其實只是分解成塑膠碎片或塑膠微粒,不具真正的可生物分解特性。

英國標準學會(BSI)2020年公布了一項生物可分解塑膠新標準:PAS 9017—陸域環境的戶外聚烯烴塑膠可生物分解性,明文規定塑膠必須於兩年內在戶外分解成有機物和二氧化碳,才能被歸類為「可生物分解塑膠」。歐盟委員會亦於2022年11月制定一個明確的政策框架,提出適用生物基、可生物分解和可堆肥塑膠的應用標準,以避免這些塑膠被誤用。因此,陸續有些業者推出符合PAS 9017標準的塑膠產品,包含經由添加特定成分,使原本不符合可生物分解特性的化石原料塑膠,具有符合該標準的可生物分解特性。

二、化石原料塑膠的生物分解研發進展

在幾種泛用化石原料塑膠當中,可依其化學結構骨架大致分為兩大類:第一類是以碳-碳鍵為主要骨架的聚烯類塑膠,例如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)等,主要透過乙烯基(Vinyl group)單體進行碳-碳鍵結合,具有穩定的化學結構,常態下不易發生解聚,具備較高的抗生物腐蝕(anti-biodeterioration)特性;第二種是具有雜原子(heteroatomic)骨架的塑膠,例如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氨酯(PU),具有可被水解(hydrolysable)的鍵結,有較大的機會可被生物分解。至於原本便具備可生物分解特性的PBAT (Polybutylene adipate terephthalate)與PCL (Polycaprolactone)則不在本文討論範圍內。

聚烯類塑膠的碳-碳鍵難以被生物分解,目前大部分研究推論分解機制,主要是將塑膠先透過紫外線、氧化等非生物(abiotic)前分解步驟,初步分解為具有可被生物分解的寡聚物,才能進一步被生物分解,且其分解機制、驗證步驟尚不明確,因此仍處於研究開發階段。目前有少數公司運用出在原生塑膠混煉條件下加入適當的母粒(Masterbatch),使塑膠產品在使用一段時間後,可被自然分解為較低分子量的蠟(wax)分子,這些蠟分子可進一步被自然界中的細菌、真菌等分解,達到真正自然分解的目的。此外,2017年學家發現蠟蟲(waxworm)唾腺與腸道具備能分解PE塑膠的酵素,2022年澳洲學者則發現大麥蟲(Zophobas morio)幼蟲腸道中含有數種能夠消化聚苯乙烯的酵素。

相較於難生物分解的碳-碳鍵,具備可水解鍵結的PET塑膠,在生物分解發展上則具有較大進展。2016年在日本學者發現從垃圾掩埋場中的大阪堺菌 (Ideonella sakaiensis) 製造出來的一種水解酵素(稱為PETase),能將PET降解為Mono(2-hydroxyethyl) terephthalate (MHET)與Bis(2-hydroxyethyl) terephthalate (BHET),其中MHET在細菌體內會進一步被MHET酵素(稱為MHETase)降解為對苯二甲酸單乙二醇酯,接著在水中分解為對苯二甲酸與乙二醇。後續有其他研究朝向更多更有效的水解酵素開發,甚至開發出商業化生物分解PET回收單體製程。2023年瑞士科學家則發現19種菌株可在15°C黑暗環境下分解聚氨酯(PU)。

三、國際上化石原料塑膠生物分解商業化現況

(一)可生物分解PE/PP塑膠技術

英國Polymateria公司開發出一種客製化母粒(Bespoken masterbatch),可根據客戶需要的PE/PP塑膠製品使用壽命,於製造時加入該母粒(添加量約2 wt.%),使得該塑膠產品具備一定時間的使用壽命,在壽命到達前具有與一般原生塑膠相同可被回收再利用的特性,當壽命到達時未被回收,即可自然分解為分子量較低的蠟分子,該蠟分子可被自然存在的細菌/真菌進一步分解為水與二氧化碳(圖1)。該技術是根據歐洲執委會2016年發布針對「氧化分解性塑膠」對環境的影響報告中,指出塑膠分子量夠低時可被生物分解的特性。該公司測試產品通過PAS 9017標準,添加了母粒的硬塑膠容器在336天後可以完全生物分解,而薄膜則是226天分解,驗證該技術的可行性。

德國Manupackaging公司採用Polymateria公司技術,推出MANUNATURE® BD ATX聚乙烯共擠押出(coextruded)拉伸膜,可在24個月之內完全生物分解。國內業者有台塑公司推出生物可分解PP,可用於真空成型板、壓空成型板、吹瓶;高嘉塑膠推出PE分解袋,同樣符合PAS 9017陸域環境塑膠產品可分解標準。
 

圖1 英國Polymateria公司開發的PE/PP塑膠生物分解過程

資料來源:Polymateria (2023/05)
圖1、英國Polymateria公司開發的PE/PP塑膠生物分解過程
 

(二)以酵素解聚PET再利用

法國Carbios公司2020年在國際知名期刊Nature發表一種新開發的酵素,透過該酵素的生物解聚,可用於降解PET成為單體,回收單體可再製成新的PET瓶。反應在10個小時內分解90%PET,產生對苯二甲酸單體(圖2)。

Carbios於2021年在法國克萊蒙費朗成功啟動示範工廠。2023年1月宣布與生物解決方案領域的Novozymes公司建立獨家長期全球策略性合作關係。該協議確保Carbios專有PET分解酵素的長期工業規模生產和供應,將用於後續在2025年法國Longlaville投產的世界首座PET生物分解回收廠,以及未來被Carbios授權的客戶。

法國Longlaville廠原為泰國大廠Indorama Ventures之PET製造廠,2023年6月雙方簽屬同意備忘錄,將成立合資新公司,建造每年可處理5萬公噸廢PET回收廠。Indorama Ventures 計劃為該合資企業籌集約1.1億歐元的股權與融資,並打算在2023年底之前完成合約文件。該廠預計在2023年底開始建設,目標希望在2025年投產。
 

圖2 法國Carbios公司開發的PET塑膠生物分解技術

資料來源:Carbios (2023/05)
圖2、法國Carbios公司開發的PET塑膠生物分解技術
 

四、各國認證標章與依循測試標準比較

目前所謂生分解塑膠的測試標準主要以堆肥化測試為主,包含ASTM D6400、ASTM D6868、ASTM D5338、EN 13432,以及我國的CNS 14661(表1),主要測試條件是在58±2°C、無滅菌蒸汽存在、水分50~60%、pH 7-9的環境下進行。PAS 9017則是模擬在露天陸地環境的風化條件下,經730天後分解程度是否達90%以上,尚未包含對淡水、海洋、掩埋、厭氧環境下之分解特性評估。

表2列出各國主要的生分解塑膠認證標章以及依循的測試標準,可看出目前大部分標章所採用的測試標準皆為堆肥化標準,因此未來在產品的標示上應明確區分「可堆肥」、「可生物分解」以利區別使用後處理方式。目前化石原料塑膠的生分解標準,已有業者依循PAS 9017為標準,真正符合在陸域風化條件下可自然分解之特性。
 

表1 各種可堆肥/可生物分解塑膠的測試標準
編號 原文名稱 方法分類
ASTM D6400 Standard Specification for Labeling of Plastics Designed to be Aerobically Composted in Municipal or Industrial Facilities 堆肥化
EN 13432 Requirements for packaging recoverable through composting and biodegradation 堆肥化
ASTM D6868 Standard Specification for Labeling of End Items that Incorporate Plastics and Polymers as Coatings or Additives with Paper and Other Substrates Designed to be Aerobically Composted in Municipal or Industrial Facilities 堆肥化
ASTM D5338 Standard Test Method for Determining Aerobic Biodegradation of Plastic Materials Under Controlled Composting Conditions, Incorporating Thermophilic Temperatures 堆肥化
CNS 14661 可堆肥化塑膠 堆肥化
PAS 9017 Biodegradation of polyolefins in an open-air terrestrial environment. 生分解

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2023/08)
 

表2 各國生分解塑膠認證標章與依循測試規範

表2 各國生分解塑膠認證標章與依循測試規範

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2023/08)
 

五、結論:實際應用的挑戰

根據European Plastics在2022年4月發表的資料估計,未來全球生物可降解塑膠產能將持續擴增,到2026年將超過5,000千公噸,其中尤以中國大陸因政策限制不可降解塑膠的應用,未來新建產能擴增最多。然而在實際應用上,目前可降解塑膠仍需以堆肥化處理為主,在大多數缺乏堆肥條件的應用場合上,限制了可降解塑膠的發展。臺灣雖早已將生物可分解塑膠材質列入公告為應回收塑膠容器之一,但由於在分類辨識上的困難、數量不具回收再利用規模等因素,最終在2023年環保署開始計畫將PLA塑膠列入限制使用範圍,使得生分解塑膠在未來推動上蒙上一層陰影。

目前有許多非營利組織團體,包含WWF、Wildlife and Countryside Link、Environmental Investigation Agency (EIA)、GreenPeace等,對於生分解塑膠有不同的見解,認為生分解塑膠並無法解決塑膠的環境汙染問題,尤其當人們誤認為可堆肥塑膠可於大自然環境中自然分解時,反而造成該種塑膠更容易被隨意棄置於環境中,因此反對包含生分解塑膠在內的任何「將塑膠生命終結於環境中」之方案,也認為新的PAS 9017標準可能導致更多塑膠流入自然環境。

針對化石原料塑膠,原本被歸類於不具可生物分解特性,目前在新的研究發現下,已能發展出新的解決路徑。以PET生物分解成單體回收再製PET而言,雖可達到封閉循環的目的,但其製程成本與減碳效益仍需與現有成熟的機械回收法比較,反應效率也必須與化學回收法相比較,若能在處理複合材質與製程汙染性上取得優勢,或許有希望開拓出一線生機。至於PE/PP塑膠目前在生物分解上的成果,僅能視為一種環境友善的方案,可作為減少塑膠汙染的一種策略,而不能作為可以棄置於環境中的理由,畢竟未完全分解前的任何塑膠,棄置在環境中皆有可能造成生物的危害。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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