2588-0101 Вестник Евразийской науки The Eurasian Scientific Journal ООО «Издательство «Мир науки» 10.15862/32NZVN124 https://esj.today/32NZVN124.html Обзор стратегий производства биопластиков как наиболее экологически устойчивой альтернативы традиционным пластикам Review of bioplastic production strategies as the most environmentally sustainable alternative to traditional plastics Сергеев Олег Евгеньевич Сергеев Олег Евгеньевич Sergeev Oleg Evgen’evich ole13g@yandex.ru Вельможина Ксения Алексеевна Вельможина Ксения Алексеевна Velmozhina Ksenia Alekseevna anizhomlev@mail.ru https://orcid.org/0000-0001-9623-057X Политаева Наталья Анатольевна Политаева Наталья Анатольевна Politaeva Natalia Anatol’evna politaevana1971@gmail.com ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» (Санкт-Петербург, Россия) Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University Polytechnic (Saint Petersburg, Russia) 26 03 2024 2024 16 1 32NZVN124 06 02 2024 19 03 2024 2024 Сергеев Олег Евгеньевич, Вельможина Ксения Алексеевна, Политаева Наталья Анатольевна Sergeev Oleg Evgen’evich, Velmozhina Ksenia Alekseevna, Politaeva Natalia Anatol’evna CC BY 4.0 https://esj.today/32NZVN124.html

Данная научная статья представляет собой обзор современных стратегий производства биопластиков, рассматривая их как наиболее экологически устойчивую альтернативу традиционным пластикам. В статье проанализировано текущее состояние технического цикла использования пластиков и их воздействие на окружающую среду, а также оценены потенциальные воздействия на здоровье человека. Основное внимание уделено исследованию биопластиков, выявляя их преимущества в сравнении с традиционными полимерами. Особое внимание уделяется биопластиковой пленке с добавлением хитозана, рассматриваемого как эффективный компонент для улучшения экологических и функциональных характеристик материала. Авторы представляют обширный обзор мировой научной литературы и патентов, демонстрируя текущий уровень исследований в этой области. На основе анализа предложенных стратегий производства биопластиков с хитозаном делается вывод о перспективности данного направления в сфере создания экологически устойчивых материалов с учетом требований к сохранению природных ресурсов и снижению воздействия на окружающую среду. В дополнение к анализу технического цикла использования пластиков и их воздействия на окружающую среду, в статье также рассмотрены современные методы и технологии производства биопластиков. Большое внимание уделено исследованию сырьевых материалов, необходимых для производства биопластиков, и их потенциала для уменьшения зависимости от нефтепродуктов. Также в статье представлен обзор современных исследований, посвященных внедрению биопластиков с хитозаном в различные отрасли промышленности, такие как упаковочная промышленность, сельское хозяйство и медицинская индустрия. Проанализированы практические примеры использования таких материалов и их эффективность в сравнении с традиционными пластиками. В заключение статьи делается акцент на необходимости дальнейших исследований в области разработки новых методов производства биопластиков с использованием хитозана и других биоразлагаемых компонентов. Обсуждаются потенциальные препятствия и вызовы, стоящие перед широким внедрением биопластиков в промышленность, и предлагаются возможные пути их преодоления с целью создания более устойчивой модели потребления и производства. Дальнейшие исследования в этой области могут способствовать разработке новых технологий производства биопластиков и их широкому внедрению в промышленность с целью уменьшения негативного воздействия на окружающую среду и создания более устойчивой модели потребления.

This scientific article provides an overview of contemporary strategies for bioplastic production, considering them as the most environmentally sustainable alternative to traditional plastics. The article analyzes the current state of the technical cycle of plastic use and its impact on the environment, as well as assesses potential effects on human health. Special attention is devoted to the investigation of bioplastics, highlighting their advantages compared to traditional polymers. Particular emphasis is placed on bioplastic film with added chitosan, regarded as an effective component for enhancing the ecological and functional characteristics of the material. The authors present an extensive review of global scientific literature and patents, demonstrating the current level of research in this field. Based on the analysis of proposed strategies for producing chitosan-containing bioplastics, the conclusion is drawn regarding the viability of this direction in creating environmentally sustainable materials, considering the requirements for natural resource conservation and reducing environmental impact. In addition to analyzing the technical cycle of plastic use and its environmental impact, the article also examines contemporary methods and technologies for bioplastic production. Significant attention is given to the investigation of raw materials necessary for bioplastic production and their potential for reducing dependence on petroleum-based products. Furthermore, the article provides an overview of recent studies dedicated to the integration of chitosan-containing bioplastics into various industrial sectors, such as the packaging industry, agriculture, and the medical field. Practical examples of using such materials and their effectiveness compared to traditional plastics are analyzed. In conclusion, the article emphasizes the need for further research in developing new methods for bioplastic production using chitosan and other biodegradable components. Potential obstacles and challenges facing the widespread adoption of bioplastics in industry are discussed, and possible ways to overcome them are proposed with the aim of creating a more sustainable model of consumption and production. Further research in this area could contribute to the development of new bioplastic production technologies and their widespread adoption in industry to reduce negative environmental impact and create a more sustainable consumption model.

 Ключевые слова пластик биопластик хитозан микроводоросли биопластиковая пленка устойчивое развитие отходы биоразложение Keywords plastic bioplastic chitosan microalgae bioplastic film sustainable development waste biodegradation Ali, S.S., Elsamahy, T., Al-Tohamy, R., Zhu, D., Mahmoud, Y.A., Koutra, E., Metwally, M.A., Kornaros, M., Sun, J. Plastic wastes biodegradation: mechanisms, challenges and future prospects // Sci. Total Environ. — 2021. — Т. 780. Mastropetros, S.G., Pispas, K., Zagklis, D., Ali, S.S., Kornaros, M. Biopolymers production from microalgae and cyanobacteria cultivated in wastewater: recent advances // Biotechnol. Adv. — 2022. — Т. 60. Al-Tohamy, R., Ali, S.S., Zhang, M., Elsamahy, T., Abdelkarim, E.A., Jiao, H., Sun, S., Sun, J. Environmental and human health impact of disposable face masks during the COVID-19 pandemic: wood-feeding termites as a model for plastic biodegradation // Appl. Biochem. Biotechnol. — 2022. — Т. 194. Al-Tohamy, R., Ali, S.S., Li, F., Okasha, K.M., Mahmoud, Y.A.G., Elsamahy, T., Jiao, H., Fu, Y., Sun, J. A critical review on the treatment of dye-containing wastewater: ecotoxicological and health concerns of textile dyes and possible remediation approaches for environmental safety // Ecotoxicol. Environ. Saf. — 2022. — Т. 231. Ali, S.S., Elsamahy, T., Koutra, E., Kornaros, M., El-Sheekh, M., Abdelkarim, E.A., Zhu, D., Sun, J. Degradation of conventional plastic wastes in the environment: a review on current status of knowledge and future perspectives of disposal // Sci. Total Environ. — 2021. — Т. 771. Geyer, R., Jambeck, J.R., Law, K.L. Production, use, and fate of all plastics ever made // Sci. Adv. — 2017. — Т. 3. Кофман, Д.И., Востриков, М.М. Термическое уничтожение и обезвреживание отходов. // НПО «Профессионал». — 2013. — С. 340. Bo-han, L., Hong-yu, L., Qing-ru, Z., Ping-zhong Y., Probst, A., Probst, J.L. Complex toxic effects of Cd2+, Zn2+, and acid rain on growth of kidney bean (Phaseolus vulgaris L) // Environment International. — 2005. — Т. 31. — С. 891–895. Awasthi, P., Chataut, G., Khatri, R. Solid waste composition and its management: A case study of Kirtipur Municipality-10 // Heliyon. — 2023. — Т. 9. Sharholy, M., Ahmad, K., Mahmood, G., Trivedi, R.C. Municipal solid waste management in Indian cities — a review // Waste Manag. — 2008. — Т. 28, № 2. — С. 459–467. Ogwueleka, T.C. Municipal Solid Waste Characteristics and Management in Nigeria // Journal of Solid Waste Technology and Management. — 2009. — Т. 6, № 3. — С. 173–180. Guerrero, L.A., Maas, G., Hogland, W. Solid waste management challenges for cities in developing countries // Waste Manag. — 2013. — Т. 33, № 1. — С. 220–232. Abur, B.T., Oguche, E.E., Duvuna, G.A. Characterization of municipal solid waste in the federal Capital Abuja, Nigeria // Global Journal of Science Frontier Research: Environment & Earth Science. — 2014. — Т. 14, № 2. — С. 1–6. Ali, S.S., Elsamahy, T., Koutra, E., Kornaros, M., El-Sheekh, M., Abdelkarim, E.A., Zhu, D., Sun, J. Degradation of conventional plastic wastes in the environment: a review on current status of knowledge and future perspectives of disposal // Sci. Total Environ. — 2021. — Т. 771. Deus, R.M., Mele, F.D., Bezerra, B.S., Battistelle, R.A.G. A municipal solid waste indicator for environmental impact: Assessment and identification of best management practices // Journal of Cleaner Production. — 2020. — Т. 242. Andeobu, L., Wibowo, S., Grandhi, S. Artificial intelligence applications for sustainable solid waste management practices in Australia: A systematic review // Science of the Total Environment. — 2022. — Т. 834. Huang, Q., Chen, G., Wang, Y., Chen, S., Xu, L., Wang, R. Modelling the global impact of China’s ban on plastic waste imports // Resources, Conservation and Recycling. — 2020. — Т. 154. Welden, N.A. The environmental impacts of plastic pollution. In Plastic Waste and Recycling: Environmental Impact, Societal Issues, Prevention, and Solutions // Elsevier Inc. — 2020. Brindha, R., Kandeeban, R., Swarna Kamal, K., Manojkumar, K., Nithya, V., Saminathan, K. Andrographis paniculata absorbed ZnO nanofibers as a potential antimicrobial agent for biomedical applications // Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology. — 2021. — Т. 12, № 4. Ramasubramanian, B., Sundarrajan, S., Rao, R.P., Reddy, M.V., Chellappan, V., Ramakrishna, S. Novel low-carbon energy solutions for powering emerging wearables, smart textiles, and medical devices // Energy and Environmental Science. — 2022. — Т. 15, № 12. — С. 4928–4981. Barra, R., Leonard, S.A., Whaley, C., Bierbaum, R. Plastics and the circular economy // Scientific and Technical Advisory Panel to the Global Environment Facility. — 2018. Dris, R., Gasperi, J., Mirande, C., Mandin, C., Guerrouache, M., Langlois, V., et al. A first overview of textile fibers, including Microplastics, in indoor and outdoor environments // Environ Pollut. — 2016. — Т. 221. — С. 453–458. Besseling, E., Foekema, E., Van Franeker, J.A., Leopold, M.F., Kuhn, S., Bravo Rebolledo, E.L., et al. Microplastic in a macro filter feeder: humpback whale Megaptera novaeangliae // Mar Pollut Bull. — 2015. — Т. 95, № 1. — С. 248–252. Contam. Presence of microplastics and nanoplastics in food, with particular focus on seafood // EFSA J. — 2016. — Т. 14, № 6. Da Costa, J.P. Micro and nanoplastics in the environment: research and policymaking // Elsevier, Amsterdam. — 2018. — Т. 1. — С. 12–16. Gigault, J., Halle, A., Baudrimont, M., Pascal, P.Y., Gaufre, F., Phi, T.L., El Hadri, H., Grassl, B., Reynaud, S. Current opinion: What is a nanoplastic? // Environ Pollut. — 2018. — Т. 235. — С. 1030–1034. Song, Y.K., Hong, S.H., Jang, M., Han, G.M., Jung, S.W., Shim, W.J. Combined effects of UV exposure duration and mechanical abrasion on microplastic fragmentation by polymer type // Environ Sci Technol. — 2017. — Т. 51. — С. 4368–4376. Pinto, V.N. E-waste Hazard: the impending challenge // Indian J Occupat Environ Med. — 2008. — Т. 12, № 2. — С. 65–70. Senthil Kumar, K., Baskar, K. Recycling of E-plastic waste as a construction material in developing countries // Journal of Material Cycles and Waste Management. — 2014. — Т. 17, № 4. — С. 718–724. Santhanam, N., Ramesh, B., Khim Pohsnem, F. Concrete blend with E-waste plastic for sustainable future // Materials Today: Proceedings. — 2019. — Т. 22, № 3. — С. 959–965. Bw, J.O., Park, S.K., Kim, C.H. Mechanical properties of polyester polymer concrete using recycled polyethylene terephthalate // ACI Structural Journal. — 2006. — Т. 103, № 2. — С. 219–225. Turaga, R.M.R., Bhaskar, K., Sinha, S., Hinchlife, D., Hemkhaus, M., Arora, R., Chatterjee, S., Khetriwal, D.S., Radulovic, V., Singhal, P., Sharma, H. E-Waste management in India: issues and strategies // Journal of Decision Makers. — 2019. — Т. 44, № 3. — С. 127–162. Полугодина, И., Политаева, Н. Анализ влияния микропластика на организм человека // Мониторинг и экспертиза в системе безопасности. — 2023. — С. 32–37. Ali, S.S., Elsamahy, T., Zhu, D., Sun, J. Biodegradability of polyethylene by efficient bacteria from the guts of plastic-eating waxworms and investigation of its degradation mechanism // J. Hazard Mater. — 2023. — Т. 443. Abdelfattah, A., Dar, M.A., Ramadan, H., El-Aswar, E.I., Eltawab, R., Abdelkarim, E., Elsamahy, T., Kornaros, M., Ali, S.S., Cheng, L. Exploring the potential of algae in the mitigation of plastic pollution in aquatic environments // Handbook of Research on Algae as a Sustainable Solution for Food, Energy, and the Environment. — 2022. — С. 501–523. Sidek, I.S., Draman, S.F.S., Abdullah, S.R.S., Anuar, N. Current development on bioplastics and its future prospects: an introductory review // INWASCON Technology Magazine. — 2019. — Т. 1. — С. 3–8. Gowtham, R., Kumar, K. Suresh, A., Mohankumar, A. Revolutionizing Plastic Waste Management: Fuel Production from Discarded Plastics // Irish Interdisciplinary Journal of Science & Research. — 2023. — Т. 7. — С. 69–80. Gustiawati, B., Herdiansyah, H., Frimawaty, E. A Review of the Implementation of Sustainable Plastic Waste Management // International Journal of Science and Society. — 2023. — Т. 5. — С. 690–705. Ali, S., Adel, E., Elsamahy, T., Altohamy, R., Li, F., Kornaros, M., Zuorro, A., Zhu, D., & Sun, J. Bioplastic production in terms of life cycle assessment: A state-of-the-art review // Environmental Science and Ecotechnology. — 2023. — Т. 15. Ali, S.S., Elsamahy, T., Abdelkarim, E.A., Al-Tohamy, R., Kornaros, M., Ruiz, H.A., Zhao, T., Li, F., Sun, J. Biowastes for biodegradable bioplastics production and end-of-life scenarios in circular bioeconomy and biorefinery concept // Bioresour. Technol. — 2022. — Т. 363. Zaikov, Ed. Degradation and Stabilization of Polymers (Theory and Practice) // Sci. Publ. Inc. — 1995. — С. 375. Haider, T. P., Völker, C., Kramm, J., Landfester, K., & Wurm, F. R. Plastics of the future? The impact of biodegradable polymers on the environment and on society // Angewandte Chemie International Edition. — 2019. — Т. 58, № 1. — С. 50–62. Вознесенский C.C., Сергеев A.A., Мироненко А.Ю., Братская С.Ю., Колчинский В.А. Влияние относительной влажности среды на оптические и волноводные характеристики тонких хитозановых пленок // Письма в Журнал Технической Физики. — 2012. — Т. 38, № 5. — С. 56–62. Singha, S., Mahmutovic, M., Zamalloa, C., Stragier, L., Verstraete, W., Svagan, A.J., Das, O., Hedenqvist, M.S. Novel bioplastic from single cell protein as a potential packaging material // ACS Sustain. ACS Sustainable Chem. Eng. — 2021. — Т. 9. — С. 6337–6346. Mastropetros, S.G., Pispas, K., Zagklis, D., Elsamahy, T., Ali, S., Sun, J., Kornaros, M. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) production from microalgae cultivated in wastewater // Handbook of Research on Algae as a Sustainable Solution for Food, Energy, and the Environment, IGI Global. — 2022. — С. 585–609. Leong, Y.K., Show, P.L., Ooi, C.W., Ling, T.C., Lan, J.C.W. Current trends in polyhydroxyalkanoates (PHAs) biosynthesis: insights from the recombinant Escherichia coli // J. Biotechnol. — 2014. — Т. 180. — С. 52–65. Sidek, I.S., Draman, S.F.S., Abdullah, S.R.S., Anuar, N. Current development on bioplastics and its future prospects: an introductory review // INWASCON Technol. Mag. — 2019. — Т. 1. — С. 3–8. Wurzburg, O.B. Cross-linking starches. In: Wurzburg, O.B. Modified Starches: Properties and Uses // Boca Raton: CRC Press — 1986. — С. 41–53. Li, H., Gao, X., Wang, Y., Zhang, X., Tong, Z. Comparison of chitosan/starch composite film properties before and after crosslinking // International Journal of Biological Macromolecules. — 2013. — Т. 52. — С. 275–279. Jogi, K., Bhat, R. Valorization of food processing wastes and by-products for bioplastic production // Sustainable Chemistry and Pharmacy. — 2020. — Т. 18. Ratnawati, R., Widyastuti, S., Utomo, Y., Evawati, D. Addition of Anadara Granosa Shell Chitosan in Production Bioplastics // Journal of Natural Resources and Environmental Management. — 2023. — Т. 13. — С. 175–185. Cacique, P., Rios, M., Barbosa, Iu., Wentz, A. Bioplastics production from starch and chitosan blends // Revista Eletrônica Perspectivas da Ciência e Tecnologia. — 2017. — Т. 9. — С. 46. Nandakumar, A., Chuah, J.-A., Sudesh, K. Bioplastics: A boon or bane? // Renew. Sustain. Energy Rev. — 2021. — Т. 147. Xia, Q., et al. A strong, biodegradable and recyclable lignocellulosic bioplastic // Nat. Sustain. — 2021. — Т. 4, № 7. — С. 627–635. Chandra, D., Kumar, A., Mahapatra, C. Fabricating Chitosan Reinforced Biodegradable Bioplastics from Plant Extract with Nature Inspired Topology // Waste and Biomass Valorization. — 2023. — С. 1–14. Zhang, H., Su, Z., Wang, X. Starch-based rehealable and degradable bioplastic enabled by dynamic imine chemistry // ACS Sustain. Chem. Eng. — 2022. — Т. 10, № 26. С. 8650–8657. Blilid, S., et al. Phosphorylated micro- and nanocellulose-flled chitosan nanocomposites as fully sustainable, biologically active bioplastics // ACS Sustain. Chem. Eng. — 2020. — Т. 8, № 50. — С. 18354–18365. Andrade, S.M.B. de, Ladchumananandasivam, R., Rocha, B.G. da, Belermino, D.D., & Galvão, A.O. Preparação e caracterização de membranas de quitosana de camarões (Litopenaeus vannamei) e caranguejos (Ucides cordatus) // Revista BioFar. — 2012. — Т. 7, № 2. — С. 102–111. Jufri, M., Lusiana, R., Prasetya, N. Effects of Additional Polyvinyl Alcohol (PVA) on the Physiochemical Properties of Chitosan-Glutaraldehyde-Gelatine Bioplastic // Journal Kimia Sains dan Aplikasi. — 2022. — Т. 25. — С. 130–136. Muhammad, R.R. Synthesis Of Bioplastic From Avovo Seed Starter With Chitosan Filling Ingredients // Jurnal Teknologi Kimia. — 2020. — Т. 9, № 2. — С. 1–11. Bhardwaj, S., Bhardwaj, N.K., Negi, Y.S. Effect of degree of deacetylation of chitosan on its performance as surface application chemical for paper-based packaging // Cellulose. — 2020. — Т. 27, № 9. — С. 5337–5352. Bonilla, J., Fortunati, E., Vargas, M., Chiralt, A., Kenny, J.M. Effects of chitosan on the physicochemical and antimicrobial properties of PLA films // J Food Eng. — 2013. — Т. 119, № 2. — С. 236–43. Lee, S.Y., Park, S.J. TiO2 photocatalyst for water treatment applications // J Ind Eng Chem. — 2013. — Т. 19. Siddiqi, K.S, Rahman, A., Tajuddin, Husen A. Properties of zinc oxide nanoparticles and their activity against microbes // Nanoscale Res Lett. — 2018. — Т. 13. — С. 141. Suryanegara, L., Fatriasari, W., Zulfiana, D., Anita, S., Masruchin, N., Gutari, S., Kemala, T. Novel antimicrobial bioplastic based on PLA-chitosan by addition of TiO2 and ZnO // Journal of Environmental Health Science and Engineering. — 2021. — Т. 19. Retno, A.L., Wahyu, P.P. Membran Kitosan Termodifikasi Tripolifosfat-Heparin Dan Aplikasinya Pada Permeasi Urea Dan Kreatinin // Analit: Analytical and Environmental Chemistry. — 2018. — Т. 3, № 1. — С. 11–21. Aarti, R., Deshmukh, H.A., Chanin, Kh., Abhishek, N., Jin-Ho, Yu., Hee-Sik, K., Beom, S.K., Biodegradable films based on chitosan and defatted Chlorella biomass: Functional and physical characterization // Food Chemistry. — 2021. — Т. 337. — С. 1–10. Nursalam, H., Muhammad, F., Surya, N., Haeria, H. Profil Indeks Pengembangan Ikatan-Silang Gelatin-Kitosan, adDawaa // Journal of Pharmaceutical Sciences. — 2019. — Т. 2, № 2. — С. 77–87. Tessaro, L., Luciano, C.G., Quinta Barbosa Bittante, A.M., Vinícius Lourenço, R., Martelli-Tosi, M., José do Amaral Sobral, P. Gelatin and/or chitosan-based films activated with “Pitanga” (Eugenia uniflora L.) leaf hydroethanolic extract encapsulated in double emulsion // Food Hydrocolloids. — 2021. — Т. 113. — С. 1–12. Jabber, L.J.Y., Grumo, J.C., Alguno, A.C. Influence of cellulose fibers extracted from pineapple (Ananas comosus) leaf to the mechanical properties of rigid polyurethane foam // Materials Today Proceedings — 2020. — Т. 46. — С. 1735–1739.