新時代の生分解性素材ポリ乳酸はグリーン環境保護の「未来への鍵」

制作：中国科学普及協会

著者: 丁建勲、李宏傑、楊家鎮 (中国科学院長春応用化学研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

プラスチックは私たちの生活に多くの利便性をもたらし、多くのプラスチック製品が食品、衣類、住居、交通機関に使用されています。しかし、プラスチックに関しては、環境に優しくないという共通の印象を多くの人が持っています。一般的に使用されている石油由来のプラスチックは自然環境で分解されにくく、その汚染対策も世界的な課題となっているためです。

近年、「白い汚染」「マイクロプラスチック」「ゴミ大陸」といった問題が広く注目を集めています。非分解性プラスチックが自然に与える負担にますます注目が集まり、非分解性プラスチックに対する人間社会の規制が主流になってきています。しかし、プラスチック製品は私たちの日常生活のいたるところに存在しています。その結果、生分解性プラスチックが徐々に新たなトレンドになってきました。

この目的のために、科学者たちは「自然に由来し、自然に還る」という新しい概念を提唱し、トウモロコシなどのバイオマスを生分解性ポリ乳酸（PLA）プラスチックに変換する合成経路を開発し、化学の魔法を通じてプラスチック汚染制御の実現可能な解決策を提供しました。このプラスチックは、植物のデンプンから変換され、製造過程で環境に優しくない石油化学原料を廃棄し、生分解性に優れた、環境に優しいプラスチックです。

PLA の普及は非分解性プラスチックの使用を効果的に削減することができ、プラスチック汚染の抑制に大きな意義があります。それでは、トウモロコシなどのバイオマスから段階的に PLA がどのように変換され、日常生活、バイオ医薬品の研究開発、農業生産、繊維、エンジニアリング製造などで 1 世紀にわたって繁栄してきた従来の石油ベースのプラスチックに取って代わるのでしょうか。調べてみましょう！

PLAリサイクルプロセスとその応用

(画像出典: 自作、一部のイラストは参考文献 26-29 より引用)

作物をプラスチックに変える魔法

PLA は、オリゴマー化、環化、重合などのプロセスを経て乳酸 (LA) から作られる脂肪族ポリエステルです。 PLA の変換プロセスは次のとおりです。化学者は、トウモロコシなどの作物から抽出したデンプンを加水分解と微生物発酵によって効率的に LA に変換し、さらに縮合重合または開環重合によって PLA に変換することで、作物をプラスチックに変える「魔法」を実現します。

LA モノマーにはヒドロキシル基 (-OH) とカルボキシル基 (-COOH) の両方が含まれているため、それぞれ別の LA モノマーのカルボキシル基およびヒドロキシル基と縮合反応を起こすことができます。このようにして、LA モノマーが相互に反応し、高分子量の PLA 材料が得られます。

では、なぜこのような環境に優しい素材が当初は広く使われなかったのでしょうか?実際のところ、このプロセスは思ったほど簡単ではありません。準備プロセスには、化学的、工学的な問題やボトルネックが多く存在します。例えば、縮合反応中に生成された水分子（H2O）は時間内に排出できず、反応の進行が大きく阻害されます。さらに、反応条件が厳しいため、この方式の工業生産の可能性も低下します。

しかし現在では、PLA の製造方法が改善され、プロセス全体の制御性が向上しました。 PLA の工業生産の現在の主流であるラクチド開環重合法は、PLA 分子の制御可能な合成を実現できます。

しかし、日常生活のニーズを満たす PLA プラスチックを得るには、特定の分子量だけでは決して十分ではありません。加工技術や改質方法の進歩も重要です。次に、PLA の特徴と、PLA を生活に身近なさまざまなアイテムに変える方法を紹介します。

PLA の合成経路と LA、ラクチド、PLA の化学構造。 A. 直接重縮合によるPLAの合成。 B. ラクチド開環重合によるPLAの合成。 C. LA、ラクチド、PLAの立体異性体

（写真提供：Homemade）

PLAの特性と改質

PLA の特性に関して、1 つ指摘しておくべきことがあります。LA にはキラル炭素原子が含まれており、L-乳酸 (L-LA) と D-乳酸 (D-LA) に分けることができます。前者は人体で代謝されるLAと同じ構造ですが、D-LAを大量に摂取すると毒性の副作用が出ます。

したがって、市販の PLA は一般に L-LA から合成された左利き型 PLA (PLLA) です。さらに、D-LAから合成される右旋性PLA（PDLA）と、L-LAとD-LAの共重合から合成されるポリ（D、L-LA）（PDLLA）があります。

PLA の化学構造から、PLA 骨格内の多数のエステル結合が、その優れた分解性能の鍵であることが推測できます。堆肥化条件（高温、高湿度、微生物の作用）下では、PLA はわずか数か月で H2O と二酸化炭素 (CO2) に完全に分解され、その後植物の光合成によってリサイクルされます。

さらに、PLAは人体内で分解され、その加水分解生成物であるLAは人体に吸収され利用されます。この優れた生体適合性により、バイオメディカルの分野で極めて高い応用価値を示します。

PLA の主な分解経路の概略図: PLA の光酸化と加水分解 (左)、微生物によって生成される酵素による PLA の生分解 (右)

（写真提供：Homemade）

PLA は、優れた環境への配慮、生分解性、生体適合性に加え、従来の石油由来のプラスチックに匹敵する物理的特性も備えています。

注: PET はポリエチレンテレフタレート、PS はポリスチレン、HIPS は耐衝撃性スチレン、PP はスチレンです。

（データソース：文献10）

PLA は優れた熱成形特性を備えているため、押し出し成形、真空成形、ラミネート、ブロー成形、射出成形、紡糸、発泡などによりさまざまなプラスチック製品に加工することができ、幅広い応用範囲を持っています。

（データ出典：蚌埠市バイオベース材料産業発展計画）

しかし、PLA には、脆性破壊、制御不能な劣化サイクル、不十分な生体適合性など、その用途においていくつかの欠点もあります。

科学者たちも PLA に関するこれらの問題の解決策を積極的に模索しています。例えば、ブレンド、共重合、ナノ複合、立体複合などの手段を通じて、PLA の靭性、制御可能な分解サイクル、親水性、抗菌性などの特性がさらに向上し、PLA の応用範囲が大幅に広がりました。

注: PBS はポリブチレンサクシネート、PBAT はポリブチレンアジペート、PHDA はポリ (ヘキサメチレンデカメチレンアジペート)

PLAの応用と開発

PLA は実は馴染みのないものではなく、生活のあらゆる場面で遭遇する可能性があります。

食の観点から見ると、近年のテイクアウト、宅配、ケータリング業界の急速な発展と、国が発布した「プラスチック禁止」などの政策の推進により、PLA製品の商品化は大きく前進しました。毎日ミルクティーを飲むとき、紙ストローに加えて、PLAストローが一般的に使用されるようになりました。

着用の観点から見ると、PLAと抗菌剤を配合したPLA衣類は消費者に好まれています。

日常生活の観点から見ると、可塑化され強化されたPLAは日用品のシェルや子供のおもちゃに使用され、子供が有害なプラスチック粒子を摂取することを効果的に防ぐことができます。

医療用途の観点からは、PLAの親水性と生体適合性を向上させ、PLAの分解時間の制御を強化することにより、PLA血管ステント、吸収性材料、外科用縫合糸などのバイオメディカルポリマーが徐々に実用化されつつあります。

さらに、PLA マルチや砂バリアなどの材料は市場が広く、環境ガバナンスに大きな意義があり、非常に大きな応用市場を持っています。

2017年から2021年までの中国のポリ乳酸消費量の統計

（データソース：Guanyan Report Network）

現在、国内のPLA生産能力は年間約25万トンですが、近年PLAの需要は増加傾向にあります。現在、各社が建設中または計画中のPLA生産ラインの総生産能力は年間150万トンを超えています。 PLA は今後 3 ～ 5 年でさらに普及すると予想されます。

国内のPLA産業は急速に発展していますが、依然として2つの大きな課題に直面しています。まず、業界の主要技術を早急に改善する必要があり、次に、PLA の生産コストをさらに削減する必要があります。現在、PLA の生産コストは、一般的に使用されている石油由来のプラスチックの 3 倍以上であり、従来のプラスチックを置き換えることは困難です。生産技術におけるコスト削減に加え、PLA 産業のレイアウトを強化し、PLA 生産ラインの構築を加速して、そのコストを従来のプラスチックと同等の「安価な」レベルまで引き下げることも必要です。

結論

現在、PLA は、その優れた生分解性、生体適合性、幅広い応用性により、日常生活、バイオ医薬品の研究開発、農業生産、繊維、エンジニアリング製造などの分野で地位を確立しています。しかし、100年にわたって開発されてきた石油由来のプラスチックと比較すると、PLA の生産コストの高さと生産プロセスの複雑さが、依然としてその普及を妨げる主な理由となっています。

現在、「デュアルカーボン」戦略とプラスチック禁止の実施により、PLA は新たな市場開発の機会を迎えています。穀物から生産されるこのプラスチックは、「自然から、自然に還る」という環境保護の理念を実現し、プラスチック汚染の問題を解決する方向性を示しています。いつの日か、環境に優しく分解可能なプラスチックが普及し、プラスチック製品がもたらす利便性を享受しながら、自然との共存を実現できるようになるかもしれません。

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編集者：郭 雅新