生分解性ポリマーとバイオベースポリマー

生分解性ポリマーは加水分解または酵素作用によって無害な生成物に分解される一方、バイオベースポリマーは再生可能な原料から作られます。これら2つの特性は重複するものの明確に異なり、どちらも従来のプラスチックによる環境負荷に対処するものです。

Definition

生分解性ポリマーとは、加水分解または微生物および酵素作用によって低分子量生成物に分解され、最終的に無機化されるポリマーを指します。一方、バイオベースポリマーとは、石油ではなく再生可能な生物学的原料から全部または一部が合成されたポリマーを指します。

Scope

このトピックでは、分解するように設計されたポリマーと再生可能な資源から派生したポリマーについて扱います。具体的には、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリカプロラクトン、ポリヒドロキシアルカノエートなどの加水分解性ポリエステル、デンプンやセルロース誘導体などの多糖類ベースの材料、加水分解および酵素分解の化学、生分解性とバイオベース由来の区別、そして特性、コスト、および最終処理経路におけるトレードオフについてです。

Core questions

• ポリマーを生分解性にする化学的特徴は何ですか？
• 生分解性とバイオベース由来はどのように異なり、その区別が重要なのはなぜですか？
• ポリ乳酸などの加水分解性ポリエステルはどのように分解されますか？
• 従来のプラスチックの代替を制限する特性とコストのトレードオフは何ですか？

Key theories

加水分解および酵素分解

エステル、アミド、またはグリコシド結合を含む主鎖は、水または酵素によってより小さな断片に切断され、それらの断片は生物によって代謝されます。分解速度は、結合の化学的性質、結晶性、親水性、および環境に依存します。

バイオベースと生分解性の区別

ポリマーの再生可能な起源とその分解性は独立しています。一部の石油由来ポリマーは生分解性である一方、一部のバイオベースポリマーは耐久性があるため、持続可能性の主張にはそれぞれの特性を個別に評価する必要があります。

Mechanisms

生分解は通常、加水分解可能な主鎖結合（脂肪族ポリエステルではエステル結合、多糖類ではグリコシド結合）の切断から始まります。これは水単独または微生物酵素によって触媒され、分子量が減少して断片が同化され、二酸化炭素、水、バイオマスに無機化されるのに十分な小ささになるまで進行します。分解速度は、結合の化学的性質、結晶性、表面積、親水性、および水分、温度、微生物活動といった周囲の条件によって左右されます。一方、バイオベースポリマーは原料によって定義されます。乳酸やバイオ由来のエチレンなどのモノマーは、発酵または植物源から得られ、結果として生じるポリマーが分解するかどうかとは独立しています。

Clinical relevance

これらの材料はプラスチック廃棄物問題に対処し、医療機能を提供します。堆肥化可能な包装材、農業用マルチフィルム、食品サービス用品は、持続的なごみ問題を軽減します。一方、ポリ乳酸やポリグリコール酸などの吸収性ポリエステルは、体内で安全に分解される縫合糸、薬物送達マトリックス、組織工学足場に利用されています。現実的な採用は、特性、コスト、および適切な最終処理インフラストラクチャとの適合性にかかっています。

History

脂肪族ポリエステルは、1930年代にカロザースが研究した最初の合成ポリマーの一つでしたが、当初は加水分解されやすすぎるとして見送られました。しかし、その加水分解性が後に価値あるものとなり、1970年代からは吸収性縫合糸や制御放出システムが開発され、プラスチックの持続性に対する懸念が高まるにつれて、ポリ乳酸などの大規模なバイオプラスチックが商業化されました。

Key figures

• Wallace Carothers
• Robert Langer

Seminal works

• young2011
• odian2004

Frequently asked questions

すべてのバイオベースポリマーは生分解性ですか？

いいえ。起源と分解性は独立しています。植物由来のエチレンから作られたバイオベースポリエチレンは、通常のポリエチレンと化学的に同一であり、生分解しません。一方、一部の石油由来ポリエステルは分解します。

ポリエステルが一般的な生分解性ポリマーであるのはなぜですか？

そのエステル結合は加水分解や酵素的切断を受けやすいため、主鎖が小さく代謝可能な断片に分解されます。これにより、ポリ乳酸のような脂肪族ポリエステルは、堆肥化可能であると同時に、吸収性医療材料としても有用です。