デンプンなどを用いたスターチブレンド系バイオプラスチックの現状
◆歴史と現状
バイオプラスチック、特にデンプン混合物から作られるプラスチックの開発は、石油ベースのプラスチックに代わる持続可能な代替品を見つける必要性によって推進されてきました。
プラスチックの基材としてデンプンを使用するという概念は、20世紀初頭に遡ります。
1970年代と1980年代には、従来のプラスチックが環境に与える影響についての環境問題への懸念が高まったため、デンプンベースのプラスチックの開発に関する研究が強化されました。
原油価格の変動と主要な原油生産地域における政治的緊張により、バイオプラスチック分野の研究が強化されました。大量に入手しやすいトウモロコシ、タピオカ、キャッサバ、小麦、米などのデンプンが使われ始めました。
過去には、デンプンをポリビニルアルコールやポリ乳酸などの分解性合成ポリマーと混合したり、リンゴセルロース系バイオマスを強化充填剤として使用したり、農業廃棄物を使用したりすることによって、デンプンの特性を強化する試みが行われてきました
当初は純粋なデンプンを使用することに重点が置かれていましたが、研究者たちはデンプンをセルロースや木繊維などに、他の生分解性材料とブレンドすると、得られるバイオプラスチックの特性を強化できることに辿り着き、その研究は更に深化しています。
現在、デンプン混合物から作られたバイオプラスチックが上市して、様々な用途に使用されています。これらは生分解性として認知されはじめ、環境に配慮した消費者や業界にとって好ましい選択肢となっています。
デンプン系バイオプラスチックは柔軟性や透明性に優れ、袋、フィルム、容器などの包装材料に適しています。しかし、用途を広げるために機械的強度、耐熱性、耐湿性を向上させるには課題が残っています。
研究開発の取り組みは、デンプンベースのバイオプラスチックの性能と費用対効果の向上を目指し続けています。環境問題に対する意識の高まりとプラスチック汚染を削減するための規制圧力により、デンプン混合物から作られるバイオプラスチックの需要は増えつつあり、2017年に世界中で生産された205万トンのバイオプラスチックのうち、デンプン混合物が18.8%を占めています。今後も数年間で増加すると予想されています。
デンプン混合物から作られるバイオプラスチックは、初期の研究努力から、従来のプラスチックに代わる商業的に実行可能な代替品へとして急速な進化をしています。これらは環境上の利点をもたらしますが、その用途と市場での競争力を拡大するには、継続的な革新と改善が必要です。
では次に、デンプン混合物から作られるバイオプラスチックについて詳細を紹介します。
◆デンプンを中心としたスターチブレンド製品の特徴
デンプン混合物から作られるバイオプラスチックは、その環境に優しい性質と多様な用途により注目を集めています。
トウモロコシなどのデンプンや木質繊維やセルロースとその他生分解性樹脂をブレンドして製造するスターチブレンドと言われるバイオプラスチックについて、（1）基本特性、（2）機械的強度や耐熱性や耐候性などの物性、（3）コスト、（4）製品事例、（5）国内外のプレーヤー、（6）製品化する上での課題、（7）将来有望な市場と用途についてまとめてみました。
1.物理的特性
生分解性：デンプン混合物は生分解性です。つまり、自然なプロセスによって分解することができ、これは従来のプラスチックに比べて大きな利点です。
柔軟性：デンプン混合物は配合に応じて優れた柔軟性を示し、様々な用途に適しています。
透明性：これらのバイオプラスチックは、組成に応じて様々な程度の透明性を達成できるため、包装用途に適しています。
感湿性：デンプンベースのバイオプラスチックは、従来のプラスチックと比較して湿気に対する感受性が高く、経時的な安定性に影響を与える可能性があります。
このように該材料は、代替バイオプラスチックにはない幅広い物理的特性に対応できますが、デンプンは水素結合相互作用や分子間力の存在により加工性が非効率であるため、その応用が妨げられています。
2.機械的強度、耐熱性、耐候性など
デンプン混合物は一般に、適度な機械的強度と耐熱性を備えていますが、極端な条件下では石油ベースのプラスチックの性能に匹敵しない可能性があります。
このような用途でデンプンを使用する場合の主な欠点は、水に敏感で機械的特性が劣ることです。デンプンの改質や可塑化、マトリックス強化、ポリマーブレンドなどにより、デンプン混合物や複合材料の機械的特性を改善する試みがなされてきました。
デンプンベースのバイオプラスチックの用途範囲を拡大するために、これらの特性を改善する研究開発の取り組みが継続中です。
3.コスト
デンプンベースのバイオプラスチックのコストは、原材料の入手可能性、生産プロセス、規模の経済などの要因によって異なりますが、一般的に、デンプンベースのプラスチックは、代替バイオプラスチックよりもコスト競争力が高くなります。
世界のデンプンベースのバイオプラスチック市場は、2020年に14億ドルと評価され、2030年までに36億ドルに達すると予測されています。
一般に、特に環境への懸念が持続可能な代替品の需要を高めているため、特定の用途では従来のプラスチックと競合する可能性があります。
4.製品例
食品容器包装：容器、ラップ、袋、フィルム
使い捨ての食器：カトラリー、食品容器
帯電防止分野：帯電防止フィルム・包装、形成された保護パッケージ
農業：農業用マルチフィルム
堆肥化可能なフィルムと袋：ゴミ袋、小売用生ゴミ袋、農業用袋
5.国内外のプレイヤー
国内のプレーヤーには、バイオプラスチック生産を専門とする企業、デンプン生産に携わる農業企業、新しい製剤を開発する研究機関などが含まれる可能性があります。
国際的なプレーヤーには、持続可能性とバイオプラスチックに重点を置く多国籍企業のほか、この分野で革新的な技術を持つ研究機関や新興企業が含まれる可能性があります。
6.製品化における課題
性能の最適化：生分解性を維持しながら、従来のプラスチックに匹敵する特性を達成することが重要な課題です。
スケールアップとコスト：従来のプラスチックとの競争力を維持しながら生産をスケールアップすることは困難な場合があります。
規制順守：生分解性と堆肥化性に関する規制要件と基準を満たすことは、市場に受け入れられるために非常に重要です。
消費者教育：バイオプラスチックの利点と適切な廃棄について消費者を教育することは、広く普及するために不可欠です。
7.将来有望な市場と用途
食品包装：使い捨てプラスチックへの関心が高まる中、デンプン混合物から作られた生分解性包装材料の需要が高まっています。
農業：バイオプラスチックは、農業において、マルチフィルム、種子コーティング、及び土壌中で生分解し、環境への影響を軽減できるその他の堆肥化可能な製品として用途を見つけることができます。
自動車：デンプンベースのバイオプラスチックは自動車の内装に応用できる可能性があり、石油ベースのプラスチックへの依存を軽減します。
医療：生体適合性デンプン混合物は医療機器や包装に使用でき、持続可能なヘルスケア製品への需要の高まりに応えることができます。
全体として、デンプン混合物を使用するバイオプラスチックの将来の市場は、環境への懸念、規制措置、及び従来のプラスチックの持続可能な代替品に対する消費者の好みによって促進され、有望であるように見えます。しかし、商業的に広く普及するには、技術的な課題に対処し、コスト競争力を確保することが重要です。
◆デンプン系バイオプラスチックの実用化・事業化に向けた生産設備や工場環境対策
これら考えに基づき、実用化や事業化を推進するためには、生産設備や工場について、環境対策の重要性を無視することは出来ません。
そこで、環境対策を考慮した生産設備や環境ソリューション事項をまとめてみました。
1.水処理装置
バイオプラスチックの生産では廃水が発生するため、排出する前に処理する必要があります。これには、汚染物質を除去するための物理的、化学的、生物学的プロセスが含まれます。生産工程で発生する廃水をろ過、沈殿させ、生物学的処理プロセスを採用し、排出前に廃水から汚染物質や汚染物質を除去します。
2.排ガス処理装置
大気排出を制御し、環境汚染を最小限に抑えるための排気ガス処理システムの設置が必要で、具体的には、スクラバー、触媒コンバーター、微粒子フィルターなどの技術を採用し、排気ガスから有害な汚染物質を除去します。
3.エネルギー効率の高い機器
エネルギー効率の高い機械や設備を導入し、製造工程におけるエネルギー消費を削減します。EMSといったエネルギー使用量を監視及び最適化するためのエネルギー管理システムの導入を検討する必要があります。
4.廃棄物管理システム
廃棄物の発生を最小限に抑え、材料のリサイクルと再利用を促進するための廃棄物管理システムの導入。
5.持続可能な原材料
生産プロセスで使用される原材料は持続可能なものである必要があり、たとえば、農作物残渣の使用は、バイオプラスチック生産のための持続可能な原料源として提案されています。
プラスチックスクラップや包装廃棄物などの材料のリサイクルを促進するための廃棄物の回収と分別も重要です。
6.グリーンインフラストラクチャ
雨水の流出を管理し、生産施設の環境フットプリントを削減するための屋根緑化やレインガーデンなどのグリーンインフラストラクチャ要素の統合。
生物多様性を高め、工場敷地周辺の環境の質を改善するための持続可能な造園実践の実施。
7.ライフサイクルアセスメント（LCA）
生産から廃棄までのバイオプラスチックの環境への影響を評価するには、LCAを実施する必要があります。これは、改善できる領域を特定するのに役立ちます。
大気と水の質、廃棄物管理、排出制御を管理する関連する環境規制と基準の遵守を確保・確認して、改善すべき領域を特定するための定期的な監査と検査を実施します。
8.再生可能エネルギー
温室効果ガスの排出をさらに削減するために、可能であれば、生産プロセスで再生可能エネルギー源を使用する必要があります。
9.環境の監視と報告
大気と水の質、エネルギー消費、廃棄物の発生などの主要なパフォーマンス指標を追跡するための環境モニタリングプログラムの確立する必要があります。
環境規制と企業の持続可能性目標の順守を実証するために、環境パフォーマンス指標を規制当局、利害関係者、一般の人々に定期的に報告し、社会との共存も考慮すべきです。
10.研究開発
生産プロセスを改善し、コストを削減し、原材料を多様化するには、継続的な研究開発が必要です。これらの措置は、バイオプラスチックの生産と商業化が可能な限り環境に優しいものであることを保証するのに役立ちます。
◆まとめ
これらの環境対策を実施することで、生産設備や工場の環境負荷を最小限に抑え、持続可能な形でデンプン系バイオプラスチックの実用化・事業化を推進することができます。さらに、これらの措置は、バイオプラスチック産業全体の環境持続可能性を高め、より循環的で資源効率の高い経済への移行に貢献することができます。
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