生物塑料生产的生命周期评价及其进展

环境科学与生态技术15（2023）100254审查生物塑料生产的生命周期评价：最新进展Sameh Samir Alia，b，*，Esraa A. Abdelkarima，Tamer Elsamahya，Rania Al-Tohamya，Fanghua Lic，Michael Kornarosd，Antonio Zuorroe，Daochen Zhua，Jianzhong Suna，**a江苏大学环境与安全工程学院生物燃料研究所，中国镇江，212013b埃及坦塔大学科学学院植物学系，坦塔，31527c哈尔滨工业大学环境学院城市水资源与环境国家重点实验室，黑龙江省哈尔滨市，150090d生物化学工程环境技术实验室（LBEET），化学工程系，帕特雷大学，26504，帕特雷，&希腊意大利罗马萨皮恩扎大学化学工程、材料与环境系，邮编：00184我的天啊N F O文章历史记录：2022年9月3日收到2023年2月13日2023年2月15日接受关键词：生物废弃物生物经济生物塑料生命周期评估A B S T R A C T目前向可持续性和循环经济的过渡可以被视为对环境影响的社会技术反应，以及需要提高线性生产和消费模式的整体绩效。生物废弃物精炼作为石油精炼的可行替代方案的概念越来越受欢迎。生物废弃物已成为开发生物制品和生物燃料的重要原料来源。因此，有效的环境生物废物管理系统对生物产品和生物燃料的生产至关重要，可以作为循环经济的支柱。生物塑料，通常是由生物基聚合物制成的塑料，作为循环经济的一部分，将有助于实现更可持续的商业塑料生命周期，其中原始聚合物由可再生或回收的原材料制成。利用各种框架和策略来模拟和说明各国政府长期政策的化石燃料和生物塑料原料价格的其他模式。这篇综述论文强调了化石塑料对环境和人类健康的有害影响，以及对生态友好型替代品（如生物降解生物塑料）的大量需求。利用源自可再生资源的新型生物塑料（例如，生物废弃物、农业废弃物或微藻）和选择适当的寿命终止选项（例如，厌氧消化）可能是确保生物塑料生产可持续性的正确方向。从利基聚合物到大规模生物塑料市场应用，仍然需要明确的监管和财务激励措施，以产生真正的可持续影响。©2023作者出版社：Elsevier B.V.我代表中国环境科学学会哈 尔 滨 工 业 大 学 、 中 国 环 境 科 学 研 究 院 。 这 是 CCBY 许 可 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。1. 介绍多年来，塑料的消费量一直在增加，因为它们具有理想的特性，包括耐用性、低成本、耐候性、重量轻和透明性[1，2]。的*通讯作者。Tanta University，Tanta，31527，Egypt.**通讯作者。江苏大学环境与安全工程学院生物燃料研究所，镇江，212013。电子邮件地址：samh@ujs.edu.cn，samh_samir@science.tanta.edu.eg（S.S.Ali），jzsun1002@ujs.edu.cn（J. Sun）。2019年全球塑料产量达到3.38亿吨，比1975年增长640%以上[3]。虽然回收塑料可以增加资源循环并减少生产对环境的影响，但塑料的回收率仍然很低，例如在美国低于10%。大多数塑料是不可生物降解的，它们的完全分解可能需要一个多世纪[5]。在1950年至2015年期间，大约80%的废弃塑料最终进入了土地填埋场或自然环境。微塑料和纳米塑料通过塑料在自然环境中的降解而释放[7，8]。这些颗粒不仅对水生生态系统，而且对人类健康也有负面影响[7，9]。https://doi.org/10.1016/j.ese.2023.1002542666-4984/©2023作者。由Elsevier B.V.代表中国环境科学学会、哈尔滨工业大学、中国环境科学研究院出版。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表环境科学与生态技术期刊主页：www.journals.elsevier.com/environmental-science-and-www.example.comS.S. 阿里，E.A.Abdelkarim，T.Elsamahy等人环境科学与生态技术15（2023）1002542因此，生物可降解塑料，也称为“生物基聚合物”或“生物塑料”，已被提出作为用于减轻石化塑料对环境和人类健康的有害影响从食物或生物质资源，如淀粉，玉米，甘蔗和木质纤维素成分生产生物塑料（图1）。 S1），能够向循环经济过渡，减少化石资源的开采，具有更少的碳足迹，并有可能减少在生命周期结束时产生的环境负担[10e 12]。有两大类塑料：生物基（来自生物原料）和化石基（来自石油基材料）。生物基不可生物降解塑料，如生物基聚乙烯（bio-PE）和生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯（bio-PET），尽管是由生物资源制成，但与石油基塑料相同[13]（图S1）。2021年生物塑料的总产量约为236万吨，其中可降解材料约为155万吨，不可降解材料约为86万吨[13]。最常见的生物基可生物降解塑料类型，如聚乳酸（PLA），聚羟基烷酸酯（PHA）和热塑性淀粉（TPS），占2020年生物塑料市场的约40%[14]。这些生物塑料的各种应用包括食品包装，药用植入物和建筑结构[15]。因此，通过生命周期评估（LCA）评估生物塑料与石化塑料的环境影响至关重要生命周期评价是评估环境和经济产品或过程的性能[16]。LCA用于生产各种聚合物，比较一种聚合物与另一种聚合物的环境影响，或在促进生物聚合物的广泛使用之前评估使用生物聚合物的优点。一般来说，生物塑料的环境影响在气候变化和对化石燃料的依赖方面较低;然而，它们在富营养化和毒性方面表现出较高的影响[17]。对于生物基塑料与石化塑料的比较，应代表各种塑料的“完整”生命周期（图1）[18]。由于与各种聚合物相关的生产-使用-再利用和再循环价值链可能很长，这可能是一项具有挑战性的任务。根据欧洲循环经济中的塑料战略，应开发和使用塑料产品的创新材料和替代原料，只要有明确证据表明它们比石化塑料更具可持续性。这一战略旨在实现“循环经济”[19]。因此，为了提供有关生物塑料可持续性的明确数据，以及它们如何与传统石化塑料进行比较，广泛和精心设计的LCA研究是非常必要的。循环经济是基于恢复和再生设计，如图所示。 2. 它旨在重新设计废物处理系统，同时通过全系统创新重新构想产品和服务，最大限度地减少负面外部性。在循环模式中使用可再生能源实现了环境、经济和社会效益。因此，利用生物资源、工艺和方法，结合基于知识的制造，在所有经济部门可持续地提供产品和服务，可能是减少塑料废物积累的理想战略。这包括替代化石燃料和减少温室气体排放。此外，为区域和当地利益相关者（如政府，投资者，员工和消费者）带来无风险的利益可能被认为是生物塑料生产的关键一步。含有聚合物的危险化学品的再循环可能对环境不利。因此，循环性导致环境可持续性绩效低下。Fig. 1. 生命周期评估（LCA）和寿命终止（EoL）中的塑料价值链。图2. 循环塑料经济概念和生物塑料的生命终结。因此，在这种情况下，循环活动的加剧可能会导致损害的增加。如果循环经济要实现其承诺，行业和政策从业者必须在采用循环经济活动之前考虑可持续性因素[21]。因此，可持续性和生物经济需要社会和经济理论的范式转变。本研究扩展了以前的评论，探索生物基塑料与石化塑料的环境影响，使用生命周期评价的概念。因此，本研究旨在进行全面的文献综述，以通过确定重要的研究差距和迄今为止LCA结果的潜在局限性来澄清当前的知识状态从有机废物中生产生物塑料和生物塑料最终-S.S. 阿里，E.A.Abdelkarim，T.Elsamahy等人环境科学与生态技术15（2023）1002543生命战略的可持续性，再利用，回收和生物降解的审查。并对环境、社会和经济LCA方法进行了评价。最后，提出了生物基塑料生产面临的挑战和创新点。这项研究的目标受众包括塑料生产公司，这些公司可以从这项研究中提供的信息中受益，以促进生物基塑料的生产，LCA从业人员，学术界的科学家以及可以选择塑料替代品的最终用户或消费者。2. 化石基塑料化石塑料是现代社会中最普遍的材料之一然而，它们的生产目前对环境造成了显著的影响（图1）。 3 a）。全球塑料总产量达到83亿吨，每年以4.15亿吨的速度递增，其中63亿吨成为废弃物。其中，约8.83亿吨被回收，约8.83亿吨被焚烧，约45.42亿吨被释放到环境中或通过土地填埋处理[1]。预计到2035年和2050年，塑料产量将分别达到8亿吨和16亿吨[5]。因此，塑料废物在环境中的积累所造成的污染对人类健康和自然生态系统都构成了越来越大的危害。一氧化碳、二恶英、氮氧化物和氰化氢只是在塑料生产过程中释放到空气中的几种危险气体化合物，对人类健康和环境构成重大威胁（图1）。 3 b）。据报道，低密度聚乙烯（LDPE）在使用后产生的痕量气体增加，图三. 化石塑料对环境（a）和人类健康（b）的负面影响。212天达到14.5 nmol乙烯g-1天-1，9.7 nmol丙烯g-1天-1，5.8 nmol甲烷g-1天-1和3.9 nmol乙烷g-1天-1[22]。消化和吸入微塑料和纳米塑料对人体健康有严重的毒性作用（图1）。 3 b）。微（纳米）塑料可引起多种生物反应，如遗传毒性、氧化应激、炎症、坏死和细胞凋亡[23，24]。此外，严重的疾病，如纤维化，组织损伤和致癌作用，可能会发生在连续暴露的情况下[8]。微塑料和/或纳米塑料可以通过食物链转移，并可能通过其他途径最终成为人类食物（图3b）[1，5]。大多数微塑料由于体积较大，可能会积聚在动物的消化道中，但有限量的微塑料可以通过肠道中的淋巴结到达循环系统[25]。已经研究了LDPE微粒向鸡的转移129.8 MP/g粪便[26]。这些发现表明了微观和宏观塑料通过食物链的转移。微塑料由于其尺寸而难以进入器官。在现有文献中，微塑料的体内和体外毒性评估不太彻底。然而，当涉及到纳米塑料时，它们可能会穿透肠壁并进入血液[27]。纳米塑料由于其持久性而容易在组织和细胞中积累，这可能导致代谢问题并局限于新陈代谢。纳米塑料的运输和吸收将显著增加，特别是在肠道疾病患者中，这是由于组织渗透性的变化导致炎症感染，从而增加了暴露风险（图3 b）[28]。因此，迫切需要新的策略和替代品来减轻和补救化石基塑料产品及其积累的废物，因为它们对环境和人类健康有负面影响。在这种情况下，用生物塑料取代化石塑料是避免塑料废物积累的环境，健康和经济问题的理想方法。因此，调查生物塑料生产，LCA和可持续性是改善和加强生物基塑料工业的一个重要需求。3. 全球生物塑料全球生物塑料产能将从2021年的约240万吨大幅增加至2026年的750万吨（图4a）[29]。生物降解塑料目前占全球生物塑料生产能力的64%（150万吨）。生物基，不可生物降解的塑料占近36%（80万吨）（图）。 4 a）[29]。生物基生物降解塑料的产量预计将从2017年的88万吨增加到2026年的533万吨[30]。二零一七年至二零二零年，各类生物基生物降解塑料的产量出现波动，PLA和聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）产量分别增长81. 5%和170%。相反，到2026年，淀粉混合物的产量预计将减少72.3%。然而，PBAT、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）和PHA聚合物预期分别增加500%、226.5%和166.7%（图1B）。 4 b）[30，31]。生物基非生物降解塑料的产量预计将从二零一七年的118万吨增加至二零二六年的230万吨，增幅为94.9%。Bio-PET产量减少了70.3%。但生物PE从2017年到2020年增长了8.2%。到2026年，生物PE和生物PET的产量预计将分别下降33%和95.4%然而，聚酰胺（PA）预计将增加31.1%（图4c）[12，30]。从上述数据可以清楚地看出，世界正朝着提高生物可降解聚合物S.S. 阿里，E.A.Abdelkarim，T.Elsamahy等人环境科学与生态技术15（2023）1002544见图4。 生物塑料的生产和预测。b、不同类型的可生物降解的生物塑料。 c.不可生物降解的生物塑料生产[29e31]。生物塑料优于不可降解的生物塑料。这可能是由于克服了塑料废物在环境中积累的负面影响的环保效果。生物塑料占每年产生的塑料的不到1%[32，33]。然而，尽管全球塑料产量总体上略有下降，但生物塑料市场仍在继续扩大。这一增长可能是由于越来越有用的产品和应用的出现，加上需求的增加和化石塑料的不断替代。此外，这也可能是由于人们越来越认识到世界需要过渡到循环经济，并在环境，经济和社会层面实现可持续性。除了生物塑料制造创新的不断增长和其性能的不断改进外，还实现了某些类型的新应用和相对较高的质量[34e36]。创新的生物聚合物，如PLA和PHA，是生物基生物降解塑料增长的主要驱动力PHA是一种已经研究了很长时间的聚合物类别，现在被认为是商业上可获得的，预计生产能力将在未来五年内扩大[37]。PLA是一种具有高阻隔性能的多用途生物聚合物，可用于更苛刻的应用，如包装，以取代丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS），聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）。PLA、PHA和淀粉基聚合物（SBP）占生物塑料制造的很大一部分。超过58%的全球生物塑料生产能力包括PHA，淀粉混合物，PLA或其他可生物降解的生物聚合物[38]。不可生物降解的生物聚合物，包括bio-PE，bio-PET和bio-PA，占全球生物塑料产能的42%以上（近100万吨）[29，39]。然而，提高生物PET生产能力的举措并没有像前几年预测的那样迅速例如，PET率从2019年的9.8%下降到2020年的7.8%[40]。这种减少可能是因为生物PET产品在化学上与其石油基对应物相当因此，生物PET将以类似的方式使用和回收，与这些下游工艺相关的排放量将相同。注意力已经转移到聚呋喃甲酸乙二醇酯（PEF），将于2023年加入塑料市场的新型聚合物[30]。PEF类似于PET;但是，它完全由生物材料制成。它还被认为具有改善的热和阻隔性能，使其适用于包装行业，其中PEF显示出更高的阻隔性能，机械性能和热性能。此外，PEF晶体生长速率约为一个数量级的幅度慢比PET和通过通过最高温度为165° C [41]。这是注射模塑，其中优选从熔体缓慢结晶除了PEF的低熔点和高玻璃化转变温度外，回收的可能性还有助于减少碳足迹。此外，PEF在工业规模上具有成本竞争力[42]。 同时，它提高了包装的可持续性，因为使用单乙二醇（MEG）时，由2，5-呋喃二甲酸（FDCA）生产的PEF是100%生物基的。因此，PEF将有可能取代PET产品。根据统计数据，包装制造业是从生物塑料行业中获利的主要业务集团[ 43]。生物塑料几乎可以取代任何类型的常规塑料及其应用。未来几年，随着PHA、PEF、生物PP和PLA等新型生物塑料的商业化，生产能力将继续发展和多样化全球生物塑料生产能力预计将从2020年的约210万吨扩大到2025年的290万吨[43]。然而，亚洲预计将成为世界上最大的生物塑料生产国，占全球工业产量的56%。欧洲目前的工业潜力为18%，而北美为16% [44]。塑料污染和其有毒环境影响极其鼓励研究和开发，以证明生物塑料是化石塑料的可行替代品因此，世界对生物塑料的需求不断增加，特别是各种生物塑料被认为是具有相同物理化学性质的化石塑料的理想替代品成本效益和适用性是限制各种生物塑料生产率的主要制约因素为了降低生物塑料的生产成本，廉价且丰富的原材料，如木质纤维素废物，微藻[11，12]和食品废物[45]，可以成为生物塑料工业的优良原料。因此，该综述建议未来的研究应指向新的废物预处理技术、基因工程和生物矿提炼平台。应更加重视为生物基产品创造可持续的回收选择和战略，因为预计生物塑料的产量将增加。4. 在向循环经济过渡期间利用可再生资源生产生物塑料生物塑料产品和材料已经吸引了全球制造商，政治家和决策者的注意力，以取代传统塑料并过渡到循环生物经济[46]。生物塑料是实现欧盟2020年可持续发展目标的主要动力[47]。欧盟国家面临的主要问题是，它们无法利用已开发的技术来扩大复杂的生物制药厂的规模，以创造和销售高价值的生物产品S.S. 阿里，E.A.Abdelkarim，T.Elsamahy等人环境科学与生态技术15（2023）1002545[48].由于缺乏对生物塑料的国际支持模式，生物塑料行业缺乏支持政策，除了禁止一次性携带袋的战略，该战略最近引起了极大的兴趣。因此，在原料供应和定价方面存在市场问题，这使生物材料和生物塑料行业处于风险之中[50]。然而，拟议研究的相关性源于这样一个事实，即使用有机废物作为原料的生物塑料制造可能会克服一些限制，以扩大生物塑料行业[51]。生物塑料可以由主要原料产生，包括水稻、高粱、大豆、甜菜、玉米、棕榈、大麦、甘蔗、小麦和马铃薯。然而，它们也可以从二次原料如生物废弃物、食用油废弃物和石油基饲料中生产[52]。马铃薯皮废物是增值生物产品如生物燃料、生物塑料和生物化学品的潜在原料[53]。利用一株解淀粉重组菌从紫薯渣中生产PHA，PHA滴度达到3.65 g L-1 [54]。木质纤维素生物质可用于生产各种类型的生物塑料（淀粉基生物塑料）。塑料和木质素基聚合物）和活性化合物（多酚、脂肪酸和聚甾醇）[55]。 利用微藻来处理食物垃圾和提取各种聚合物类型作为构建模块可以纳入生物塑料生产[12]。通过生物矿化方法获得的微藻生物质可以加工成生物塑料聚合物，如PHA，在生物塑料工业改进过程中作为潜在的原料[11]。微藻的下游加工以提取此类生物活性化合物（纤维素和脂质）可能有希望用于生物塑料生产[12]。微生物衍生的生物塑料正受到越来越多的关注，是实现生态可持续性的一个有前途的选择。处理玉米芯生物质废物以产生可发酵糖，并且由于细菌活性，成功地产生PHA和虾青素[56]。PHA和高附加值产品（虾青素）可以从有机废物中经济地产生，作为廉价的可再生资源。因此，使用有机废物作为原料是解决废物管理问题的关键。还有一个共识是，从整体上管理废物可以减少温室气体排放，因为废物预防和回收可以减少所有其他经济部门的排放。5. 生物基塑料的生产途径生物基塑料大量或部分来自生物来源，如有机废物，藻类，真菌，细菌和植物。一些生物基塑料类型直接由微生物和植物中天然形成的聚合物产生[12，56]。纤维素材料是植物组织的主要成分和最普遍的有机成分，自19世纪以来一直被利用[57]。来自天然来源的生物塑料也使用合成工艺生产[58，59]。生物基塑料主要有三种途径：（1）生物单体聚合，（2）天然存在的聚合物改性，(3)从微生物中提取[13，47]。本节讨论最常见的生物基塑料：聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、醋酸纤维素（CA）、淀粉基聚合物（SBP）、生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯（Bio-PET）和生物聚乙烯（Bio-PE）。表1总结了这六种生物基塑料类型的主要特征[11，39，60e81]。5.1. 聚乳酸（PLA）PLA是可生物降解的生物基塑料的最突出的例子之一。它是一种由植物来源的碳水化合物发酵产生的热塑性线性脂肪族聚酯，如糖或淀粉，并被认为是生物基塑料生产的初始途径的一个例子[49]。各种细菌物种，如乳杆菌属，在发酵过程中用于从碳水化合物产生乳酸[60，63]。如图所示。 5.利用淀粉水解得到葡萄糖，葡萄糖转化为乳酸。乳酸聚合成低分子量PLA，随后解聚成丙交酯，一种PLA的环状二聚体[82]。然后丙交酯开环聚合将产生高分子量PLA[83]。基于聚合结构单元聚合物的手性性质，可以产生PLA的三种立体化学变体[84]。所得聚合物可以是无定形的或具有不同程度的结晶度，这取决于D-与L-异构体的比例，这会影响降解和机械特性[85]。PLA可用作食品包装材料，因为其生产能力与各种商业热塑性塑料相当[61]。此外，PLA的生物相容性已被提升到组织工程和生物医学应用的最前沿[13]。此外，PLA是用于制造熔融沉积成型（一种典型的3D打印制造技术）的材料的流行材料[62]。PLA仍处于发展的早期阶段，其生产和转化过程不如世界上生产最广泛的塑料PE有效[86]。PLA的生命周期可以根据其废物人为情景进行研究，以确定影响其环境影响的主要因素。如图所示6，路径由四个不同的步骤组成。 一些LCA正在比较PLA与其他塑料对环境的影响、能源需求和GHG排放[87]。通过利用PLA的LCA，可以优化材料，使其更加环保。可归因于PLA生命周期的温室气体排放表明，将生物来源转化为乳酸，然后转化为PLA是一个能源密集型过程，会向环境排放大量二氧化碳在PLA的生命周期中，超过50%（2.8 kg CO2/kg PLA）的CO2释放是由于其转化[87]。改进聚乳酸转化工艺将具有使聚乳酸成为低碳材料的巨大潜力。5.2.聚丁二酸丁二醇酯（PBS）聚丁二酸丁二醇酯（PBS）是一种热塑性聚酯，可以从食物垃圾中生产[88]。PBS具有类似于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚丙烯（PP）的特性，用于生物医学应用，卫生产品，可生物降解袋和地膜[89]。PBS因其生物降解性和低毒性特性而在生物医学应用中引起了相当大的兴趣，尽管其低降解速率和相对较高的刚性应通过与其他聚合物（如PLA）共聚合或共混来改性[90]。加工路径如图5所示。食物垃圾的主要成分是碳水化合物、蛋白质、脂肪和水。用Ca（OH）2和NaOH预处理可显著提高PBS产量[91]。酶水解是使用最佳温度为50 ℃，反应18 h，最大葡萄糖转化率为86.5%。使用产琥珀酸放线杆菌ATCC 55618在35 ℃下生产琥珀酸12小时，琥珀酸产率为1.51 g/g葡萄糖[88]。的聚合过程通过1，4-丁二醇与琥珀酸的反应引发，以产生PBS低聚物（图 5）。然后将低聚物缩聚以产生高分子量PBS [64]。废物原料的利用可以减少对环境的影响。 如图所示 6，PBS的LCA分析基于温室气体排放、土地酸化和细颗粒物产生[88]。从食物垃圾中生产PBS的温室气体排放量约为每千克PBS 5.88千克二氧化碳当量[88]。当石油-表1不同生物基塑料和生命周期终止（EoL）的关键方面。摄取转换，PLA需的能量96.1 J m-1e0.41%木质纤维来自PBS醋酸纤维素（CA）● 地膜●土地填埋● 焚烧合成途径S.S. 阿里，E.A.Abdelkarim，T.Elsamahy等人环境科学与生态技术15（2023）1002546生物基塑料类型特性转化途径应用程序的价格（Vkg-1）环境影响EoL选项引用聚乳酸（PLA）生物基/可生物降解● 密度：1.24 g cm-3聚乳酸是由发酵产生的● 农业2.0● PLA碳● 生物降解[11，60e63]塑料植物衍生碳水化合物由不同的细菌物种。葡萄糖只考虑生物聚合物，这是它们的优势，产生的转化为乳酸。乳酸聚合成低分子量PLA，其随后解聚以产生丙交酯，然后高分子量PLA聚合成低分子量PLA。分子量PLA与化石基塑料相比，● 抗拉强度：50MPa● 组织工程● 由于自然排放2.8千克二氧化碳● 可堆肥● 抗弯强度：80MPa● 生物医药kg-1在其寿命期间周期● PLA节省约66%的以产生● 回收● 冲击强度：● 3D打印常规塑料● 土地填埋● 收缩率：0.37● 焚烧聚丁二酸丁二醇酯（PBS）生物基/可生物降解● 热塑性塑料，熔点约PBS是由非磷酸盐水解产生的。● 生物医药4.0● 非食用● 生物降解[64e68]塑料90e 120° C食用木质纤维素生物质。聚合过程通过1，4_丁二醇和琥珀酸的反应引发，所述琥珀酸通过以下方法产生：生物质和粮食生产过程中的废弃物可以减少PBS的环境影响● 玻璃化转变温度大约零下45到零下10摄氏度各种微生物菌株以产生PBS寡聚物。● 卫生产品● 温室气体排放~5.88千克二氧化碳当量● 可堆肥● 可生物降解的袋子kg-1的● 回收生物基/可生物降解● 密度：1.28 g cm-3CA是由纤维素通过● 纺织工业5.0● 绿色CA● 生物降解[69E72]塑料乙酰化的一些的羟基具有较低环境影响和相比之下，● 抗拉强度：30MPa传统的加工方法。● 塑料薄膜●CA可以是在自然环境中，食用后被生物降解或水解成纤维素和乙酸。这些化合物返回到环境中，没有不良影响。● 可堆肥● 吸水率：2.2%● 热脱附温度：60e 63°C● 熔化温度：170e240 ℃● 摄影薄膜●回收● 包装●土地填埋● 分离薄膜● 卷烟过滤器● 生物医用多孔微珠● 基于LCC和S-LCA，CA衍生产品是重要材料淀粉基聚合物（SBPs）生物基/生物降解塑料根据所用SBPs是由颗粒状天然淀粉通过添加增塑剂挤出而得到的材料● 纺织品2.0e 4.0●淀粉在生物塑料生产中的应用减少温室气体排放（>80%）和化石燃料消耗（>60%）● 包装●比较时对于合成塑料，淀粉可能会导致富营养化潜力和土地使用量● 制药●SBPs有更好的在评估的所有类别中，● 生物降解[73E75]● 可堆肥● 土地填埋生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯（Bio- PET）生物基/非生物降解塑料● 密度：1.38 g cm-3●由第一个-生成乙醇，氧化生成环氧乙烷，然后转化为Bio-PET● 生物医药● 耐用1.2● Bio-PET塑料具有高度的耐腐蚀性，生物降解，因为它的芳香含量高，这也促进了它在环境● 少数菌株可生物降解 ， 如 Ideonellasakaiensis201-F6[76E78]（接下页）S.S. 阿里，E.A.Abdelkarim，T.Elsamahy等人环境科学与生态技术15（2023）1002547●●e260℃是将糖发酵成异丁醇，异丁醇参与Gevo工艺生成对苯二甲酸，对苯二甲酸经缩聚生成Bio-PET● 沸点：~350°C ●纺织品制造●回收导热系数：0.15e 0.24W m-1 K-1● 折射率：1.57e1.58● 医药●土地填埋● 焚烧生物聚乙烯（Bio- PE）生物基/非生物降解塑料比重：0.941e0.965 g cm-3● 抗拉强度：3100e5500 psi● 伸长率：20e1000%由第一代乙醇生产，乙醇催化脱水产生乙烯，聚合产生生物聚乙烯● 玩具制造2.3●生物乙烯制造与从石化产品中● ●Bio-PE导致温室气体排放量约-0.75kg每千克聚乙烯的二氧化碳当量比石化聚乙烯的产量低140%;不可再生能源的使用节省约65%● 个人护理●一公斤生物PE的成本比1公斤 化 石 PE 高 出 约30%● 生物降解[39，79e81]● 可堆肥● 回收● 拉伸模量：0.6e1.8● 热脱附温度：110e130° C● 食品包装●土地填埋● 焚烧S.S. 阿里，E.A.Abdelkarim，T.Elsamahy等人环境科学与生态技术15（2023）1002548表1（续）生物基塑料类型特性转化途径应用程序的价格（Vkg-1）环境影响EoL选项的参考● 熔点：250● 第二路径● 包装● 可堆肥S.S. 阿里，E.A.Abdelkarim，T.Elsamahy等人环境科学与生态技术15（2023）1002549图五. 聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、醋酸纤维素（CA）、生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯（Bio-PET）和生物聚乙烯（Bio-PE）生产途径来自不可食用的木质纤维素生物质[64，72，79，83，106]。使用基于1，4-丁二醇的产品，温室气体排放量增加[92]。在水解和PBS分离之后，在干燥过程中使用大量琥珀酸发酵过程需要大量的电力[88]。增加水解中的生物质负载率，减少PBS分离中的溶剂使用，以及采用替代蒸汽和水蒸气源将对环境产生积极影响[93]。5.3.醋酸纤维素（CA）CA是一种常用的化学改性天然聚合物，被认为是半合成聚合物[94]。CA的许多应用包括纺织工业、塑料薄膜、摄影胶片、包装、分离技术中的膜、香烟过滤器丝束和生物医学多孔珠[69，70]。CA主要来自纤维素，通过一些羟基的乙酰化（图5），是一种环保材料[72]。纤维素主要通过制浆过程从木材中获得它可以转化成各种化合物，如人造丝和玻璃纸（再生纤维素）、纤维素酯（例如，丁酸酯和乙酸酯）用于模塑、薄膜和纤维应用，以及纤维素醚（例如，羧甲基纤维素、羟乙基纤维素和乙基纤维素）用作树胶[95]。的LCA的纤维素衍生的化合物，特别是CA，表明，与传统加工方法相比，更绿色的开发路线具有更低的环境后果，并且更具可持续性[71]。 图图6描绘了CA聚合物的LCA。CA可以生物降解。然而，生物降解速率受结构和环境降解性之间复杂的相互作用控制[72]。纤维素基聚合物降解的主要机制是化学和生物水解。化学水解过程可以被强酸和强碱催化。例如，将磷酸掺入CA薄膜中加速了薄膜随后在土壤中的生物降解速率[96]。通过使用适当的酶组合可以显著提高降解速率;例如，当与能够脱乙酰化的酶组合时，纤维素酶对CA的降解得到改善[97]。150天后，降解CA的苜蓿根 瘤 菌 和 木 糖 氧 化 产 碱 菌 分 别 导 致 CA 膜 的 重 量 损 失 34% 和23%[98]。可以脱乙酰化和随机切割CA链以产生较短CA片段的酶的混合物是酶催化反应的最合适的催化剂[99]。由于脱乙酰化对于CA的进一步生物降解至关重要，因此仍然需要更深入地了解结构，环境和劣化过程之间的微妙动态，以最大限度地发挥不同的寿命终止替代品的潜力。S.S. 阿里，E.A.Abdelkarim，T.Elsamahy等人环境科学与生态技术15（2023）10025410图第六章聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯生物聚合物和醋酸纤维素生物聚合物的生命周期评估。5.4.淀粉基聚合物（SBPs）SBPs是一类很有前途的生物塑料。淀粉是一种聚合物，来源于不同的原料，如马铃薯，玉米或小麦[75]。利用非食用木质纤维素生物质生产SBP的一般方案描绘于图7a中。淀粉是由支链淀粉和直链淀粉两种主要成分组成的多糖.热塑性淀粉是通过添加增塑剂挤出的颗粒状天然淀粉衍生的材料[73]。增塑剂，如多元醇、柠檬酸盐、胺糖和酰胺，通常用于提高热塑性淀粉的可加工性。热塑性淀粉可以单独使用，也可以与其他聚合物（如PLA和其他聚酯）混合使用，以增强其特性和特性，以适应多种应用。SBPs用于各种行业，包括纺织，包装，制药和生物医学应用[100，101]。关于SBP的LCA研究较少[74，75]。图7b描述了SBP的LCA关于NREU和GWP，Mater-Bi（34%玉米淀粉）的食品包装性能优于PE和PET [102]。另一方面，Mater-Bi（36%淀粉）购物袋的性能优于PE，尽管需要16 g的额外材料才能实现等效的机械性能[103]。SBPs在所有评估类别（不包括EP）中的环境状况均优于PE，尽管SBPs在其他类别中的影响更大，这些类别通常不在LCA范围内[104]。同样，Mater-Bi购物袋对生态质量和人类健康的损害更大[103]。就NREU和GWP而言虽然人们认识到这些SBPs不能与回收的石化聚合物竞争[104]，但它仍然是石化聚合物的替代品。5.5.生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯（Bio-PET）Bio-PET是一种无色、透明、吸湿的半结晶树脂，具有出色的物理化学性质[105]。虽然生产全部生物PET在经济上尚不可行，但生物PET部分由可再生资源生产，被认为是最重要的生物塑料之一。生物PET的应用从包装到纺织品制造各不相同[106]。生物基PET的总产量为54万吨（占全球生物塑料年产量的26.3%），预计到2020年将达到700万吨，利用乙醇作为原料[19]。到2020年，年生产率可能降至生物塑料总产量的7.8%，然后到2021年降至生物塑料年产量的1.2%。图5显示，生物PET由乙醇糖或淀粉发酵制成，然后转化为各种代谢产物并转化为MEG，并通过常规酯交换与化石基对苯二甲酸（TPA）结合，以产生部分生物PET（23%生物基聚合物）[106]。TPA和MEG是在整个生产过程中聚合成PET的单体。该途径是两种单体与作为副产物的水的缩聚（图5）。因此，为了获得完全由可再生材料制成的生物PET，两种前体都应该从这种可再生材料获得。目前，只有生物质的MEG成分占整个生物含量的30%，S.S. 阿里，E.A.Abdelkarim，T.Elsamahy等人环境科学与生态技术15（2023）10025411可以大规模使用。剩下的70%的生物PET仍然是从化石中产生的[107，108]。文献[78，108，109，110]中描述了一些生物PE的LCA研究。 图 8描述了生物PE的LCA。Piccinno等人[111]确定实验室操作的LCA研究具有局限性，因为它们不反映大规模生产的特性。作者开发了一种方法，用于扩大LCA，由五个组成部分。例如，与实验室生产相比，每公斤产品对环境的影响可能会显着降低。作者建议，扩大LCA的框架可能是生态设计目的的有效支持，并有助于确定过程改进的关键步骤[111]。通过LCA，生物PET塑料由于其高芳香含量而具有高度的抗生物降解性，这也促进了其在环境中的积累[112]。关于环境生命周期评估支柱和PET废物的升级循环，Yoshida et al.[113]报道，新鉴定的细菌Ideonella sakaiensis201-F6可以使用PET作为唯一的能量和碳源I. Sakaiensis将聚合物水解成它的两种单体（乙二醇和TPA）。生物降解过程中的主要酶是PETase和MHETase[113]。5.6.生物聚乙烯（Bio-PE）Bio-PE目前使用从甘蔗等粮食作物中提取的第一代乙醇生产[79]。图5描绘了生物PE生产的途径然后将乙醇催化脱水以产生乙烯，乙烯随后聚合以产生PE或氧化以产生环氧乙烷，然后水解以产生生物基单乙二醇（bio-MEG），bio-PET的生物基组分。乙烯向生物PE的后续转化不受原料来源的影响;它可以是石化的或生物基的[80]。Bio-PE具有各种应用，包括玩具制造、化妆品、个人护理和食品包装[39]。LCA用于评估Bio-PE产品和服务的环境影响（图8）。LCA广泛应用于生物基材料的环境评估[114]，也可用于提供等效功能的产品之间的比较断言。Bio-PE是一种由可再生资源制成的塑料[114，115]。以前，就LCA而言，人们认为生物乙烯的生产与从石化产品中获得的乙烯相比不会具有成本竞争力，但从2008年开始，从甘蔗中生产的一桶乙醇的成本开始与一桶原油的成本相匹配（约115美元对80美元）[79]。一公斤生物PE的成本比一公斤化石PE高出约30%[39]。生物乙烯用于合成其他聚合物，如PS、橡胶、环氧树脂、PVC和三元乙丙橡胶，这可能是生物基乙烯利用的进一步生物基可能性。采用包含天然纤维后的Bio-PE的机械性能来提高所得复合材料的刚度[81]。采用成本低、对环境影响小的颗粒和天然纤维来提高机械强度和模量，并选择生物PE作为结构木塑的生物基聚烯烃绿色基体，图7. 利用非食用木质纤维素生物质生产淀粉基聚合物（SBP）的一般方案（a）和SBP生命周期评估（b）。图第八章生物基聚对苯二甲酸乙二醇酯（Bio-PET）和生物聚乙烯（Bio-PE）的生命周期评估。S.S. 阿里，E.A.Abdelkarim，T.Elsamahy等人环境科学与生态技术15（2023）10025412-天然纤维复合材料[116]。在结构应用中使用此类填料的问题在于，当暴露于水分和水环境时，PE基木塑复合材料或天然纤维复合材料会吸湿，导致物理化学变化和老化[117]。这种行为可能是由于填料遇水膨胀、填料降解以及聚烯烃与填料之间的交叉粘合所致。生物聚乙烯的生产导致温室气体排放量约为0.75 kgCO2当量/kg聚乙烯，比石化聚乙烯的生产低140%; 不可再生能源的使用节省约65%[80]。使用生物质作为生产过程的蒸汽来源可以进一步减少温室气体排放。生物基聚合物对人类健康和生态系统质量的影响高出两个数量