聚乳酸膜袋在受控堆肥條件下的生物降解測試

謝淑華　鄧鴻英　陳紫饒　王嘉豪　張宏濤

聚乳酸膜袋在受控堆肥條件下的生物降解測試

謝淑華鄧鴻英陳紫饒王嘉豪張宏濤

（廣東中科英海科技有限公司廣東佛山528000）

依據GB/T19277.1-2011的檢測方法，研究了聚乳酸膜袋在受控堆肥條件下的最終需氧生物分解和崩解能力。在2L的試驗體系中，以聚乳酸膜袋作為有機碳源，用無二氧化碳的空氣以受控速率對試驗混合物進行曝氣。通過測定二氧化碳產生量來確定降解率。

在本試驗條件下，測定了陽性參比物微晶纖維素和聚乳酸膜袋的生物分解百分率。

聚乳酸膜袋；受控堆肥；生物分解

隨著各國與地區紛紛實行限塑令，以減少對石油基塑料制品的使用，科研人員研發出各種生物降解材料, 希望用以代替現有的石油基塑料。隨著很多新興的環保材料推出市場，最常見的可降解材料是生物基樹脂, 如聚乳酸 (PLA)、聚羥基脂肪酸酯 (PHAs)、醋酸纖維塑料、聚丁二酸丁二酯 (PBS)、淀粉樹脂等[1]。近年來，以聚乳酸為代表的生物基樹脂越來越受到關注，聚乳酸的熱門應用領域有醫用、包裝和纖維。聚乳酸以乳酸為主要原料, 由于有良好的生物降解性, 在其生命周期中對環境的污染明顯低于石油基材料[2]。本實驗依據GB/T19277.1-2011 的檢測方法，研究了聚乳酸膜袋在受控堆肥條件下的最終需氧生物分解能力。

1 原理

本測試方法將試驗材料和培養土按比例混合后置于堆肥容器中，所使用培養土來自于穩定的腐熟堆肥。在該容器中，混合物在規定的氧氣濃度、溫度、濕度下模擬強烈需氧堆肥條件，測定試驗材料最終需氧生物分解能力和崩解程度，試驗周期不超過6個月。試驗材料在需氧生物分解過程中會產生水、二氧化碳、礦化無機鹽和新的生物質。在測試過程中定期測量產生的二氧化碳，累計試驗過程中產生的二氧化碳量，根據實際測量試驗材料的總有機碳含量可以計算出二氧化碳的理論釋放量，以試驗材料在試驗過程中實際產生的二氧化碳量與試驗材料二氧化碳的理論釋放量之比為該試驗材料的生物分解百分率。生物分解百分率不包括已轉化為新的細胞生物質的碳量，因此它在試驗周期內不代謝為二氧化碳。

2 試驗材料與實驗前準備

2.1 培養土

自制好氧堆肥，肥齡3個月，過0.5 cm篩篩選，去除雜質和惰性物質。經測定，本試驗中所用堆肥pH為7.45，水分含量為34.2 %，總干固體含量為65.8 %，揮發性固體含量為23.9 %，總氮含量為0.96 %總碳含量為16.95 %。

2.2 參比物

微晶纖維素（TLC (thin-layerchromatography) gradecellulose），來源：國藥集團化學試劑有限公司，白色或類白色粉末，色譜級。對微晶纖維素進行水分和總碳含量等指標測定，水分含量為4.7 %，總碳含量為41.96 %。

2.3 試驗材料

來源：市售某生物科技有限公司。對聚乳酸膜袋進行裁剪處理后進行總碳含量等指標測定。經測定，聚乳酸膜袋總碳含量為53.18 %，水分含量為1.4 %。

2.4 儀器設備

（1）反應裝置；（2）壓縮空氣制備裝置；（3）氣體吸收裝置；（4）氣體轉子流量計；（5）無二氧化碳空氣濕度增加裝置；（6）無二氧化碳空氣制備裝置；（7）攜式智能氣體檢測報警儀；（8）恒溫水浴鍋。

3 試驗方法

按照GB/T19277.1-2011 方法, 使聚乳酸膜袋試樣在受控堆肥條件下進行堆肥降解實驗, 通過測定聚乳酸膜袋試樣排放的CO2量來確定其最終需氧生物分解能力。

將360 g（干重）培養土分別與60 g（干重） 聚乳酸膜袋、60 g（干重）微晶纖維素混合，360 g（干重）培養土作為空白對照，加蒸餾水將混合物的濕度調節至50 %左右。將堆肥容器放置與（58 ±2）℃的試驗環境中，用無CO2的濕度飽和空氣以0.05 L/min流量對試驗體系進行曝氣，于58 ℃±2℃條件下進行試驗。在開始的10 d里，每天測定兩次反應容器O2濃度含量，在開始的45 d里每天采用滴定分析法測定的CO2釋放量。根據試驗材料在試驗過程中實際產生的二氧化碳量與試驗材料二氧化碳的理論釋放

量之比為該試驗材料的生物分解百分率，公式如下：

式中：(CO2)T—含試驗材料與培養土混合物的堆肥容器累計釋放的二氧化碳量，單位為克每個容器（g/容器）。

(CO2)B—只含培養土的空白容器累計釋放的二氧化碳量平均值，單位為克每個容器（g/容器）。

ThCO2—試驗材料二氧化碳的理論釋放量，單位為克每個容器（g/容器）。

ThCO2= MTOT×CTOT× 44 /12

式中：MTOT—堆肥容器中試驗材料中的總干固體，單位為克(g)。

CTOT— 試驗材料的總有機碳與總干固體的比，單位為克每克（g/g）。

44 和12 — 分別表示二氧化碳的相對分子質量和碳的相對原子質量。

4 結果與討論

4.1 試驗過程中聚乳酸膜袋照片

圖1　聚乳酸膜袋照片(裁剪后)

圖2　聚乳酸膜袋與堆肥混合后照片

圖3　聚乳酸膜袋試驗45天照片

圖4　聚乳酸膜袋試驗45天清洗后照片

4.2 聚乳酸膜袋與微晶纖維素的時間-累計二氧化碳產生量曲線圖

圖5　聚乳酸膜袋與微晶纖維素的時間-累計二氧化碳產生量曲線圖

4.3 聚乳酸膜袋與微晶纖維素的時間-生物分解百分率曲線圖

圖6　聚乳酸膜袋與微晶纖維素的時間-生物分解百分率曲線圖

土壤的pH與微生物的生命活動、物質代謝有密切相關的聯系，土壤的pH偏大或偏小都會影響材料的生物分解速率。在試驗過程中每周檢測一次堆肥的pH，均在7.0~9.0之間變化，滿足標準要求。

在本試驗條件下，從圖1～圖4可以看出在試驗進行45 d過程中，聚乳酸膜袋發生了崩解現象，至試驗45 d，只剩少量細小聚乳酸膜袋碎屑。將圖5中聚乳酸膜袋和微晶纖維素的累積CO2釋放量與理論CO2產生量相比，所得結果如圖6所示，微晶纖維素在試驗45 d的生物分解百分率為73.6 %，聚乳酸膜袋在試驗45 d的生物分解百分率為64.2 %。

通過本次試驗得出，此款聚乳酸膜袋在受控堆肥條件下表現出良好的生物降解性，是一款富有發展前途的綠色包裝材料，希望在包裝行業中受到關注和應用。

5 質量控制

5.1 試驗前10 d內空白容器產生的二氧化碳量的平均值為：96.7mgCO2/(g)揮發性固體，在50 mg～150 mgCO2/(g)揮發性固體范圍內。

5.2 在試驗結束時每個堆肥容器的生物分解百分率之間的相對偏差不超過20 %。

5.3 試驗第45 d陽性參比物容器的平均生物降解百分率為：73.6 %，大于70 %。

6 研究依據

6.1 GB/T 19277.1-2011 受控堆肥條件下材料降解最終需氧生物分解能力的測定 采用測定釋放的二氧化碳的方法 第1部分：通用方法。

6.2 ISO14855-1:2012 Determination of the ultimateaerobic biodegradability of plastic materials under controlled composting conditions — Method by analysis of evolved carbon dioxide —Part 1:General method。

[1]朱錦,劉小青.生物基高分子材料[M].北京:科學出版社,2018.ZHUJin, LIUXiao-qing.BiopolymerMaterials[M].Beijing:Science

[2]夏亞棟.綠色包裝材料PLA (聚乳酸)[J].上海包裝,2016(2):39-41.XIAYa-dong.GreenPackagingMaterial-PLA (PolylacticA).

10.3969/j.issn.2095-1205.2019.05.16

謝淑華（1992-），女，廣東佛山人，主要從事環境、食品、化妝品等微生物檢測工作和材料生物降解測試。

張宏濤（1978-），男，吉林雙遼人，工程師，主要研究方向為毒理學研究。

TQ320.1

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2095-1205(2019)05-28-02