XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

СОЗДАНИЕ ПРОТОТИПА БИОРАЗЛАГАЕМОГО ПЛАСТИКОГО МАТЕРИАЛА ИЗ КРАХМАЛА, ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Щербакова У.А. 1

---

1МБОУ СОШ №9

Барабанова О.Н. 1

---

1ГАНОУ «РЦПД» г. Брянска

Работа в формате PDF

102.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире остро стоят две взаимосвязанные проблемы: загрязнение окружающей среды синтетическими пластиками и нерациональное использование органических отходов. Актуальность их решения подтверждается «Основами государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 года» [1], а также Целью устойчивого развития ООН № 12 «Ответственное потребление и производство» [5].

Цель исследования:

Разработать оптимальный состав и получить прототип биоразлагаемой пластической массы (биополимера) на основе картофельного крахмала, целлюлозы и молочной сыворотки, пригодный для дальнейшего производства экологичной упаковки.

Задачи исследования:

1. Изучить существующие методы синтеза биопластиков на основе крахмала и целлюлозы, а также выявить дефицит технологий переработки молочной сыворотки в полимерные материалы.

2. Разработать оригинальную рецептуру и синтезировать опытный образец биопластика из молочной сыворотки, а также изготовить контрольные образцы из крахмала и целлюлозы.

3. Обосновать биологическую и экологическую значимость использования вторичного сырья и оценить перспективы внедрения данных материалов в качестве альтернативы традиционным пластикам.

Объект исследования:

Процесс создания биоразлагаемых полимерных материалов из возобновляемого природного сырья и органических отходов.

Предмет исследования:

Разработка оптимальной рецептуры и методики получения прототипа биоразлагаемого полимера из вторичных ресурсов.

Гипотеза:

Предполагается, что использование картофельного крахмала, целлюлозы и молочной сыворотки в качестве самостоятельных функциональных компонентов позволит синтезировать биоразлагаемый полимер, что создаст научную базу для эффективной утилизации вторичного органического сырья.

• Экспериментальная часть направлена на проверку возможности использования органических отходов в качестве полноценной альтернативы синтетическим полимерам.

• Практическая значимость заключается в возможности внедрения разработки на предприятиях для создания безотходных производственных циклов.

В России есть примеры производства биоразлагаемых материалов: «ЕвроБалт», «ЭФКО», «Наша Лаба» []. Однако доля биоразлагаемых полимеров остается критически низкой. Для реализации поставленных задач и выбора оптимального пути синтеза, необходимо предварительно проанализировать опыт отечественных и зарубежных исследователей.

ГЛАВА1СРАВНИТЕЛЬНЫЙОБЗОРСУЩЕСТВУЮЩИХРЕЦЕПТУР И МЕТОДОВ СИНТЕЗА БИОПЛАСТИКА

5. 1. 1. 1. Технологическиерецептурыполучениябиопластиканаоснове крахмала

1. Группа ученых из Китая и США разработала биоактивную съедобную упаковочную пленку на основе кукурузного крахмала с добавлением нанокапсул из зеина. В состав композитной пленки вошли: кукурузный крахмал, нанокапсулы OZN, глицерин (1%) и вода. Смесь крахмала с водой нагревалась при 80°C до образования геля, после чего смешивалась с капсулами и пластификатором и высушивалась при 35°C 6-8 часов [6].

2. Канадскими учеными был разработан термопластичный крахмал (ТПС). Ингредиенты: крахмал (70 г), глицерин (15 г), сорбитол (15 г), лимонная кислота и упрочняющий полимер (PLA, PCL). Суспензия нагревалась при 70-80°C до прозрачного геля, а высушенная пленка затем смешивалась в расплаве с полимерами [7].

5. 1. 1. 1. Технологическиерецептурыполучениябиопластиканаоснове целлюлозы

1. Индонезийские ученые разработали биопластик из целлюлозы, выделенной из кожуры дуриана. Смесь включала ацетат целлюлозы (1 г), крахмал (1,5 г), хитозан (1 г) и пластификатор. Компоненты нагревались 15 мин при 50°C до загустения, после чего формовались в чашках Петри [8].

2. Индийские исследователи получили биопластик из целлюлозы листьев банана. В основе лежал ацетат целлюлозы (1 г), желатин (0,6%), глицерин (4 мл) и эфирные масла. Пленки формировались из растворов и сушились 72 часа [9].

3. Египетские ученые использовали древесные опилки. Рецептура опиралась на кукурузный крахмал (7 г), целлюлозное волокно (5%), глицерин и уксусную кислоту. Смесь нагревали при 75°C и сушили 5 дней [10].

5. 1. 1. 1. Технологическиерецептурыполучениябиопластиканаоснове молочной сыворотки

1. Биопластик от индонезийских ученых (Universitas Mataram) создавался из сывороточного белка (2%) и желатина (4%) с добавлением глицерина или сорбитола (35%). Смесь нагревали при 90°C 30 минут, добавляли пластификатор и оставляли на 24 часа [11].

2. В Индии была разработана съедобная пленка на основе изолята сывороточного белка (5–10 г), глицерина (30–60%) и активных добавок (эфирные масла, наночастицы). Белок денатурировали при 75–100°C, после чего вводили добавки и сушили 12–48 часов [12].

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ БИОПОЛИМЕРОВ

Поскольку функциональность биопластика напрямую зависит от уникальной роли каждого его компонента или типа, было крайне важно детально проанализировать существующие рецептуры и индивидуальные свойства каждого ингредиента.

2. 1. Биопластикизкрахмала

СоставбиопластиканаосновекрахмалапредставленавТаблице1.

Таблица1.Составифункциональноеназначениекомпонентовбиопластика на основе крахмала.

Метод производства:

За основу производства биопластика была взята классическая технологическая схема.

• Смешивание: В химическом стакане тщательно перемешайте крахмал, сорбитол, глицерин, уксусную кислоту и воду. Смесь выглядит, как молочная жидкость с осадком на дне.

• Желатинизация: Поставьте стакан на нагревательную плиту. Нагревайте, постоянно перемешивая.

При достижении ~70°C смесь начнет густеть и станет прозрачной. Перемешивайте интенсивно, чтобы не допустить образования «комков» крахмала.

• После загустения продолжайте, нагрев при постоянном помешивании еще 7–10 минут. Это необходимо для полной гидратации молекул амилозы и амилопектина.

• Снимите стакан с плиты. Чтобы избавиться от пузырьков воздуха, дайте смеси «отдохнуть» 5–7 минут. Залейте готовую субстанцию в форму.

2. 2. Биопластикизцеллюлозы

В композиционных материалах на основе целлюлозы полимерную матрицу обычно выполняет крахмал. В данной работе рассматривается альтернатива — использование желатина в качестве матрицы.

Пленки на крахмальной основе получаются жесткими и хрупкими. Они обладают низкой механической прочностью и склонны к разрушению, поэтому требуют добавления пластификаторов.

Желатиновая матрица, напротив, образует более эластичные и гибкие пленки, что позволяет регулировать физико-механические свойства материала.

Микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ) выступает как армирующий компонент: она препятствует распространению трещин, повышает жесткость и прочность на разрыв, уменьшает усадку при высыхании и улучшает стабильность формы готового изделия.

РецептурабиопластиканаосновецеллюлозыпредставленавТаблице2.

Таблица2.Составифункциональноеназначениекомпонентов биопластика на основе целлюлозы

Методпроизводства:

• Смешайте0.6гМКЦс20гхолоднойводы.Добавьте0.9гглицерина в эту смесь (это поможет волокнам лучше пропитаться).

• Поместите в смесь погружной миксер до момента пока жидкость не станет однородной (около 7-10 минут).

• Залейте 8 г желатина оставшимися 68.9 г воды. Оставьте до полного набухания.

• Термическаяобработка:Нагрейтежелатиннакерамическойплитедо 60–65°C.

Помешивайте до полного растворения (раствор должен стать прозрачным)

• Смешивание:Введите1.5гсорбитола.Перемешивайтедополной прозрачности раствора.

Медленно влейте подготовленную суспензию МКЦ в горячий раствор желатина при постоянном интенсивном помешивании.

• Добавьте0.1глимоннойкислоты(предварительнорастворитееёв1 мл воды). Перемешивайте еще 5 минут.

• Литьеисушка.Вылейтесмесьнаидеальноровнуюсиликоновуюили стеклянную форму.

2. 3. Биопластикизмолочнойсыворотки

В стремлении к улучшению эксплуатационных характеристик материалов на основе молочной сыворотки была разработана рецептура, которая позволяет повысить эластичность и водостойкость биопластика. Ключевым нововведением стало добавление в состав латекса, который формирует прочную полимерную сетку, армирующуюструктуруматериалаипридающуюемунеобходимыесвойства. Этот подход позволяет преодолеть некоторые ограничения традиционных биопластиков,расширяя потенциальные области их применения. ВТаблице 3 представлена детальная модифицированная рецептура.

Таблица3.Рецептурабиопластиканаоснове молочной сыворотки с добавлением латекса

Методпроизводства:

Этап1.Получение,армированиеиподготовкасыворотки

• Термоподготовкасырья.

Налить 1 литр молока в химический стакан. Равномерно нагревать при постоянном помешивании до температуры 80–85°C (не допускать кипения).

• Инициированиекоагуляции.

Снять емкость с нагревательного прибора. Тонкой струйкой при интенсивном круговом перемешивании влить 10 мл 9%-го столового уксуса. Выдержатьсистемудо полного отделенияказеинового сгусткаот прозрачной зеленовато-желтой сыворотки.

• Первичнаяфильтрация.

Процедить массу через воронку со сложенным тканевым или бумажным фильтром (марля в 4 слоя) для полного удаления творожного остатка. Объем полученной сыворотки для дальнейшего синтеза — 250 г.

• Коррекциякислотности(Нейтрализация).

Исходный pH сыворотки (4.5–5.0) необходимо поднять до 6.0–6.5. Для этого приготовить раствор: 1.0 г пищевой соды растворить в 10 мл дистиллированной воды. Вводить раствор пипеткой порциями по 0.5 мл в сыворотку при непрерывном контроле лабораторным pH-метром. При достижении значений 6.0–6.5 ввод прекратить.

• Химическоесвязываниелактозы.

Внести во взвесь 0.5 г хлорида кальция (CaCl₂). Термостатировать смесь притемпературе40–50°Cвтечение10минутприпостоянномперемешивании для завершения реакции осаждения лактозных комплексов.

• Очистительнаяфильтрация.

Пропустить теплую суспензию через плотный лабораторный фильтр. Осадок на фильтре (избыточные соли кальция и денатурированный казеиновый след) утилизировать. Профильтрованная сыворотка с диспергированной целлюлозойдолжнаиметьоднородный слегкамутный вид без крупных включений.

• Введениеармирующегонаполнителя(Целлюлоза).

Отлить 30–50 мл нейтрализованной сыворотки в отдельный малый стакан. Всыпать туда 1.5–2.0 г порошка микрокристаллической целлюлозы. Интенсивно перетереть стеклянной палочкой или обработать мини-миксером до получения абсолютно однородной жидкой пасты без сухих комков. Влить полученную суспензию обратно в основной объем сыворотки, перемешивать

намагнитноймешалкевтечение5–7минутдляравномерногораспределения волокон.

• Концентрирование(Выпаривание).

Поместить стакан со смесью на водяную баню (температура бани 85–90°C). Выпаривать жидкость при постоянном помешивании стеклянной палочкой (каждые 3–5 минут во избежание образования поверхностной белковойпленки)доуменьшенияпервоначальногообъемав2–2.5раза.Смесь должна приобрести консистенцию жидкого киселя.

Этап2.Интеграциягидроколлоидовивведениеэластомера

• Подготовкакомплексногобелковогогидрогеля.

Вотдельнойтермостойкойпробиркеилимикростаканеобъединитьсухие компоненты: 3.0 г агар-агара, 8.0 г высокоблюмного желатина и 2.0 г сухого яичного альбумина. Залить 20 мл дистиллированной воды комнатной температуры, тщательно перемешать и оставить на 10 минут для набухания.

• Растворениегидроколлоидов.

Поместить емкость с набухшими белками и агаром на водяную баню. Медленнонагреватьпритемпературестрого65–70°Cдополногорастворения крупинок.

*Внимание: Превышение температуры выше 75°C на данном подэтапе вызовет преждевременную необратимую коагуляцию (сворачивание) альбумина в виде плотных хлопьев!

• Объединениебелковыхфаз.

Горячий однородный раствор гидроколлоидов тонкой струей прилить к выпаренной теплой сыворотке (температура сыворотки около 60°C). Тщательно гомогенизировать смесь мешалкой.

• Синтезвосковоймикроэмульсии.

В отдельном бюксе смешать 2.0 г карнаубского воска, 3.0 мл масла и 1.5 мл эмульгатора Tween 80. Нагреть на плитке до полного расплавления воска. Влить в расплав 2.5 мл этанола.

• Эмульгирование.

Установитьстакансосновнойбелково-целлюлознойсмесьюнамешалку. Вводитьгорячуювосковуюэмульсиюпокаплям,обеспечиваявысокую

скоростьвращенияваламешалки.Смесьдолжнаприобрестивыраженный непрозрачный кремовый оттенок.

• Введениежидкоголатекса.

Охладитьполученнуюкомпозитнуюмассудотемпературы40–45°C.При непрерывном и максимально интенсивном перемешивании ввести тонкой струйкой 5.0–8.0 мл жидкого натурального латекса. Смесь начнет быстро густеть, приобретая гладкую текстуру плотного крема.

• Дегазацияирозлив.

Внестифинальные2.5млэтанолапокаплямдлямгновенногоразрушения поверхностной пены и воздушных пузырей. Быстро вылить готовую композитную массу в подготовленные плоские силиконовые или фторопластовые формы, равномерно распределяя слой шпателем.

• Режимсушкииожидаемыефизико-механическиесвойства.

Сушка: Экспозиция образцов в формах проводится при температуре 22–25°C в защищенном от прямых солнечных лучей месте. Время первичного структурирования — 24 часа. Полное удаление влаги и завершение полимеризации латексной фазы наступает через 48–72 часа.

• Добавления латекса в молочную сыворотку, обеспечит повышенную эластичность, прочность и улучшенную гидрофобность.

• Эластичность и прочность: Молекулы латекса создают гибкие мостики между жесткими глобулами альбумина и кристаллическими волокнами целлюлозы. Полученный материал демонстрирует гибкость (допускает многократный изгиб на 180° без образования трещин).

• Гидрофобность: Сочетание карнаубского воска и полимеризованного латекса блокирует капиллярное проникновение воды внутрь белковой матрицы,делаяпластикустойчивымккратковременномупогружению в воду и воздействию высокой влажности.

ГЛАВА 3 ОЦЕНКА СТЕПЕНИ РАЗЛОЖЕНИЯ ПРОТОТИПА БИОПЛАСТИКА ИЗ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ В УСЛОВИЯХ КОМПОСТИРОВАНИЯПРИЛАБОРАТОРНЫХИСПЫТАНИЯХ

Одной из ключевых характеристик, определяющих экологическую ценностьбиопластическогоматериала,являетсяегоспособностьк

разложению.

Для оценки этого показателя в работе было проведено экспериментальное исследование в условиях имитированного компостирования,базирующеесянаположенияхГОСТР57225-2016

«Пластмассы. Определение степени разложения пластмасс в имитированных условиях компостирования при лабораторных испытаниях».

Согласно методике ГОСТа, определяется степень разложения образцов при лабораторных испытаниях в условиях, имитирующих интенсивный аэробныйпроцесскомпостирования.[3]Используемаятвердаяосновасостоит из синтетических твердых отходов, инокулированных со зрелым компостом, полученным из промышленного компостированного растительного материала. Кусочки боипластика всех видов (целлюлоза, крахмал, молочная сыворотка, молочная сыворотка с добавлением латекса) компостируются с подготовленнойтвердойосновой.СоставэтойсмесипредставленвТаблице6.

Таблица6.Составсинтетическихтвердыхотходов

Исследованиепроводилосьвтечение30днейвтермостатеприпостоянной температуре 50°C, что соответствует условиям активного компостирования, регламентированным ГОСТом.

• На протяжении всего эксперимента поддерживался оптимальный уровень влажности: первые две недели увлажнение было интенсивным, затем продолжалось в чуть меньшем объеме для обеспечения необходимых микробиологических процессов.

• В течение первой недели смесь активно перемешивалась для равномерного распределения микроорганизмов и доступа кислорода. По истечении 30 дней образцы биопластика из молочной сыворотки были извлечены из композиционной смеси.

• Согласно ГОСТу, предполагалось взвешивание образцов до и после исследования для количественного определения степени разложения. Однако, в нашем случае, разработанный биопластик разложился практически полностью.

Визуальный осмотр образцов после извлечения показал, что от первоначального материала остались лишь единичные, тончайшие фрагменты, представляющие собой крошки, не подлежащие точному взвешиванию, промыванию и высушиванию ввиду их минимальных размеров и количества.

На основании полученных результатов, можно с уверенностью утверждать, что образцы биопластических материалов на основе агропромышленных отходов обладаютисключительно высоким потенциалом кбыстромубиоразложению.Небольшойсрокразложения,являетсязначимым преимуществом и подчеркивает перспективность его использования в качестве экологичного упаковочного материала.

ВЫВОДЫ

1. Проведенный литературный обзор показал, что рецептуры биополимеров на основе крахмала и целлюлозы широко описаны в научном сообществе, в то время как доступные технологии и составы переработки молочной сыворотки в твердые полимеры в России практически не представлены, что открывает значительные перспективы для биологических исследований.

2. В ходе экспериментальной работы были успешно синтезированы три типа биополимеров из органических отходов. Авторская модифицированная рецептура на основе молочной сыворотки с интеграцией целлюлозы и натурального латекса позволила создать материал, обладающий необходимой эластичностью и гидрофобностью.

3. Результаты лабораторных испытаний в среде активного компостирования доказали исключительно высокую способность полученных образцов к полной биологической деградации всего за 30 дней микробиологического воздействия.

4. 4. Использование вторичных органических ресурсов в качестве сырья закладывает фундамент для создания новых биоразлагаемых материалов. Их внедрение в производство экологичной упаковки способствует развитию циклических безотходных технологий и значительному снижению глобальной нагрузки на экосистемы.

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ

1. Российская Федерация. Законы. Основы государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 года": [утв. Президентом РФ 30.04.2012г.] – Москва, 2012.

2. Российская Федерация. Законы. Стратегии социально-экономического развития Брянской области до 2030 г. [утв. постановлением Правительства Брянской области 26.08.2019г.] – Брянск, 2019.

3. ГОСТ Р 57225-2016 «Пластмассы. Определение степени разложения пластмасс в имитированных условиях компостирования при лабораторных испытаниях».

Электронныересурсы:

4. Не выливай — переработай! Как решить проблему молочной сывороткиизаработатьна ней// СвоеФермерство отРосельхозбанка: [сайт]. – 17 марта 2026. – URL: https://svoefermerstvo.ru/svoemedia/articles/ne-vylivaj-pererabotaj-kak-reshit-problemu-molochnoj-syvorotki-i-zarabotat-na-nej-1 (дата обращения: 17.03.2026).

5. Ответственное потребление и производство. Обеспечение перехода к рациональным моделям потребления и производства // Знай свои цели: [сайт]. – 08 сентября 2021. – URL: https://sdg.openshkola.org/goal12?ysclid=mmd8xhsjy9889897445 (дата обращения: 17.03.2026).

6. Вy Yue Wang ,ORCID, Rong Zhang , Saeed Ahmed ,Wen Qin and Yaowen Liu / Preparation and Characterization of Corn Starch Bio-Active Edible Packaging Films Based on Zein Incorporated with Orange-Peel Oil // - URL: https://www.mdpi.com/2076-3921/8/9/391(датаобращения: 22.10.2025).

7. AarshaSurendren,AmarK.Mohanty,QiangLiuandManjusriMisra/ A review of biodegradable thermoplastic starches, their blends and composites: recent developments and opportunities for single-use plastic packaging alternatives// – URL: https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2022/gc/d2gc02169b (дата обращения: 22.10.2025).

8. Rahmatullah,RizkaWulandariPutri1,LeilyNurulKomariap,Harry Waristian2 , Alek Al Hadi2 , Kavin Handoko1 , Muhamad Fadhil Gufron / The EffectofPlasticizerTypeandConcentrationonCelluloseAcetate-BasedBioplastic from Durian Skin// - URL: https://www.jeeng.net/The-Effect-of-Plasticizer-Type-and-Concentration-on-Cellulose-Acetate-Based-Bioplastic,192677,0,2.html(датаобращения: 22.10.2025).

9. AchuthJayakrishnan,ShireenShanana,ReshmaAishwarya./Preparation and evaluation of bioactive cellulose acetate films from Musa acuminate//-URL: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/su/d3su00450c.(дата обращения: 22.10.2025).

10. Eman M. Abdel Hamid, Ahmed E. Mohamed, Ahmed A. Mohamed, AbdallahA.Galal,AbdelrahmanA.Mekhemr,EslamS.Saleh,MohamedI.Hassan, Mohamed H. Ahmed & Shehab K. Elgendy / Optimization of corn starch/glycerol, acetic acid, and cellulose fibers ratio on biodegradable plastic synthesis by Box–Behnken design (BBD) // - URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s10098-025-03135-7.(дата обращения: 22.10.2025).

11. Fahrullah Fahrullah, Djoko Kisworo, Bulkaini Bulkaini, Haryanto Haryanto,BaiqRaniDewiWulandani,WahidYulianto,AzharyNoersidiq&Vebera Maslami / The Effects of Plasticizer Types on Properties of Whey-Gelatin Films //-URL:https://www.researchgate.net/publication/372451288_The_Effects_of_Plasticizer_Types_on_Properties_of_Whey-Gelatin_Films(датаобращения: 22.10.2025).

12. Vandana Chaudhary,Priyanka Kajla,Parveen Kumari,Sneh Punia Bangar,Alexandru Rusu,Monica Trif,Jose M. Lorenz. / Milk protein-based active ediblepackagingforfoodapplications:Aneco-friendlyapproach//-URL:https://www.frontiersin.org/journals/nutrition/articles/10.3389/fnut.2022.942524/full (дата обращения: 22.10.2025