綠能前瞻永續台灣

依「技術成熟、成本效益、均衡發展、帶動產業、電價可接受」原則,達成再生能源目標

:::
:::

焦點專欄

生物可分解塑膠 應用於沼氣生產介紹

  • 發佈日期:2022/9/13
  • 資料來源:本站
  • 點閱次數:172次

聚乳酸(PLA)為一種以植物為原料生產的生質材料,其價格較趨近於一般石化塑料,是目前最普遍被使用在民生用途的生物可分解塑膠。由於聚乳酸具有可生物分解的特性,可採用堆肥與生產沼氣的方式進行資源化利用,但以聚乳酸生產沼氣會有反應時間較長與需要較高反應溫度的問題,故目前多採用熱鹼處理破壞聚乳酸結構,並與其他有機物混合,以共發酵方式進行厭氧消化,藉此提升沼氣生成速率,因此藉由相關研究資料之回顧可知,聚乳酸經適當的處理後,應用於沼氣生產確實具有可行性,配合政府淨零排放政策之推動,未來生物可分解塑膠亦可做為擴大沼氣生產料源或做為既有沼氣廠混摻料源的評估標的。

一、前言

石油的應用可製作出許多日常所需的塑膠產品,帶給人類舒適、方便的生活,但近年來對能源耗盡的危機思考,以及使用石化能源產生的環境污染與氣候暖化問題,已漸漸被重視。現行社會已開始逐漸倡導使用生質綠色塑膠來取代原有的石化塑膠製品,其中聚乳酸(Poly Lactic Acid, PLA)為眾多生分解材料中的一種,其合成製程中所消耗的能量遠低於傳統石化高分子合成製程,以生命週期(Life Cycle Assessment, LCA)評估整體 CO2排放量,聚乳酸(PLA)亦比其他石化塑料低,因其性質與價格上較趨近於一般石化塑料,因此聚乳酸(PLA)是現今最普遍被使用在民生用途之生物分解材料,因此有關生物可分解塑膠應用於沼氣生產之回顧,將以PLA為評估標的。

有關PLA回收再利用之方法如圖1所示,其中包含直接回收再利用(recycling)、解聚為單體再聚合(De-Polymerization)、生產沼氣及堆肥處理(Biogas & composting)等三種資源化方法,這些方法對環境的正面效益高,但因目前國內在生質可分解塑膠方面尚欠缺完備的回收再利用設計,故主要還是隨一般可燃性垃圾一同焚燒,但此做法並無法充分發揮聚乳酸可生物分解的特性。歐盟雖已於2015年公告堆肥指令EN 13432 certified bioplastics performance in industrial composting,其中明確說明如薄片或膜袋類聚乳酸一般的生物可分解塑膠,已被視為生質廢棄物,可採用厭氧消化生產沼氣堆肥處理予以再利用。

圖1 各種PLA再利用方法對環境影響之比較 資料來源:6th Biobased Biochemicals and Plastics (2017)
二、生物可分解塑膠應用於沼氣生產之回顧

聚乳酸是由乳酸在糖和植物中如玉米和木薯等澱粉為基礎的作物發酵中合成的脂肪族聚酯,是屬於熱塑性塑膠,可應用於玻璃,薄膜和食品包裝等。此類型的生質塑膠,可利用生物酶、氧化、水解、光解和輻解在自然環境中的進行分解(Nampoothiri et al., 2010)。在分解過程結束時,會產生二氧化碳、水和甲烷,此厭氧消化過程產生的甲烷視為可再生能源。聚乳酸的高度結晶結構條件,在好氧和厭氧中溫條件下不容易降解(Yagi H et al., 2009)。先前研究指出,嗜熱消化條件可以增加生物降解率,但長期消化過程的能耗,在操作時須多加考量。

目前從歐盟已公布的堆肥標準EN13432 (Certified bioplastics performance in industrial composting)可知,歐盟已將具有生物可分解性的生質塑膠(如PLA)視為有機廢棄物,並建議採用堆肥 (Composting)及厭氧消化(Anaerobic digestion)生產沼氣發電的方式作為最終處置。由此可知,將PLA以厭氧發酵方式處理,已被視為可行的再利用途徑。由圖2可知,PLA在高溫厭氧發酵及好氧堆肥環境下皆能有效的分解,因此從上述歐盟的經驗發現,若能先將PLA以厭氧發酵的方式生產沼氣,再將未能分解的殘餘PLA,再利用好氧堆肥方式處理,即能完全將PLA分解。

事實上許多研究已證實未經預處理之PLA可利用厭氧發酵技術轉化為沼氣,已有文獻指出(Bernat et al., 2021),在高溫厭氧發酵的環境下(58°C)約可在30天內達到產氣高峰,但在中溫厭氧發酵條件下(37°C),則須至280天方能出現產氣量高峰,最大產氣量僅為高溫厭氧發酵的60-70%左右,此顯示利用未進行預處理之PLA以中溫厭氧發酵方法並無法有效地生產沼氣,如此長的反應時間在實務上也不可行。由於一般好氧堆肥的反應溫度即是50-60℃,但國內卻很少採用50-60°C的高溫厭氧發酵技術,大多仍使採用中溫厭氧發酵技術,因此若要以中溫厭氧發酵技術處理PLA,則評估PLA可能需要先進行預處理,破壞其堅硬的結構,方有機會採用中溫厭氧發酵的方式處理。

從相關文獻研究發現,以熱鹼法作為PLA的預處理是可行的方法。根據Sutisa(2009)等人指出,NaOH濃度和反應時間是影響聚乳酸降解最主要的兩個因素,受溫度的影響不太顯著,而聚乳酸有進行熱鹼的預處理作業,其生物降解率為20.14%,比未預處理的聚乳酸高 4.7 倍、生質氣體的產出量則高於3.7倍。另外已有文獻 (Shakira et al., 2019)指出,當聚乳酸與廚餘在掩埋場進行厭氧消化時,經過70天後,有經過鹼處理的聚乳酸可產生較多的甲烷,聚乳酸的重量減少了54%,這項研究的結果說明,聚乳酸經過鹼性的預處理後再與廚餘和污泥進行厭氧發酵,可減少聚乳酸的固體含量並有效地生成甲烷。

圖2 各種生物可分解塑膠適用之生物再利用方法及操作溫度

由上述可知,熱鹼處理應能對PLA結構造成破壞,方有助於PLA生成沼氣。目前已有文獻指出(Sutisa et al., 2009),PLA 薄膜在 0.5 M NaOH及60°C處理24小時後,即能發現PLA表面有明顯的破壞情形,而且可觀察到許多孔隙,如圖3。

事實上,PLA經熱鹼法處理後,被破壞的PLA應會分解為乳酸,而乳酸就是厭氧發酵過程的中間產物,相關研究也已證實添加乳酸確實有助於沼氣量的提升(Satpath et al., 2017),藉此可推測熱鹼法處理應會藉由生成乳酸,進而增加沼氣產量。

另一方面,近期有研究顯示,在厭氧發酵生產沼氣中導入固定化技術(immobilization),將有助於沼氣量的提升。例如Pate, S (2021)的研究即指出,在厭氧發酵中加入幾丁質(chitosans)作為厭氧污泥的固定化單體,發現其沼氣產量是未加入幾丁質的23.9倍,此顯示加入的幾丁質雖然無法被分解並轉化為沼氣,卻能使厭氧污泥因固定化的效果而使沼氣產量增加。由於PLA與幾丁質皆為高分子聚合物,加入的PLA若尚未被分解利用,也可能會被微生物污泥作為固定化的擔體,進而與文獻相似呈現沼氣產量增加的現象。

圖3 文獻中PLA 薄膜經熱鹼處理後之SEM圖 (參考來源:Sutisa et al., 2009) (A圖:未經預處理的PLA 薄膜;B圖:經過熱鹼處理的 PLA 薄膜)

由上述可知,儘管已有許多研究皆指出,PLA確實可應用於生產沼氣,但仍有以下問題需要探討及克服:

  • PLA單獨用用生產沼氣時,需要採用50-60°C的高溫厭氧發酵技術,同時至少需要兩個月以上的長時間反應,才能有效地轉換為沼氣,此將不利於PLA生產沼氣在實務上的應用,唯在厭氧發酵後,再結合好氧堆肥處理,可有效地將PLA分解,因此在厭氧發酵後殘留未分解的PLA,應仍可接受。
  • PLA經鹼處理後確實有助於沼氣的生成,因此有潛力與沼氣生產整合,但鹼處理操作條件仍有待建立。
  • 基於PLA單獨應用於沼氣生產會有上述的問題,因此將PLA與其他有機原料混摻,以共發酵方式生產沼氣,將可能是降低厭氧發酵反應溫度及提升PLA生產沼氣效果的方向,目前相關文獻多只探討混摻廚餘或污泥,基於農業廢棄物亦為未來可能被大量利用的生質原料,因此如何運用農業廢棄物與PLA進行共發酵生產沼氣,應可進一步考慮。
參考文獻

  • Bernat, K., Kulikowska, D., Wojnowska-baryła, I., and Zaborowska, M. Thermophilic and mesophilic biogas production from PLA-based materials: Possibilities and limitations. Waste Management, 2021.119, 295.
  • Nampoothiri, K. M., Nair, N. R., and John, R. P. An overview of the recent developments in polylactide (PLA) research. Bioresource technology, 2010.101, 8493.
  • Patel, S., Gupta, R. K., kondaveeti, S., and Otari, S. Conversion of biogas to methanol by methanotrophs immobilized on chemically modified chitosan. Bioresource Technology, 2020. 315, 123791, DOI:10.1016/j.biortech.2020. 315, 123791.
  • Shakira R.H., Parameswaran, P., Astmann, B., Devkota, J. P., and Landis, A. E. Anaerobic codigestion of food waste and polylactic acid: Effect of Pretreatment on Methane Yield and Solid Reduction. Advances in Materials Science and Engineering, 2019. https://doi.org/10.1155/2019/4715904
  • Sutisa, S., Kullavanijaya, P., and Chavalparit, O. Anaerobic biodegradation of polylactic acid under mesophilic condition using thermal-alkaline pretreatment. IOP Conference Series: Materials science and engineering, 2017.222, 012009
  • Yagi, H., Ninomiya, F., and Kunioka M. Anaerobic biodegradation tests of poly(lactic acid) under mesophilic and thermophilic conditions using a new evaluation system for methane fermentation in anaerobic sludge. International journal of molecular sciences, 2009. 10(9): 3824.
回到上頁

Copyright © 工業技術研究院綠能與環境研究所 製作︱經濟部能源局 指導

Copyright © Industrial Technology Research Institute.

地址:10595臺北市松山區南京東路三段248號2樓︱電話:(02)8772-0089

網站開放資料宣告隱私權保護政策資訊安全宣告

網站更新日期:2022/10/2︱ 瀏覽人次:13,149,254

通過A檢測等級無障礙網頁檢測 我的E政府

本網站為響應式網頁設計(RWD),建議使用 IE9.0 以上 / Firefox / Chrome 瀏覽器