Life cycle assessment of a biopolymer film produced from mango wastes performed at an early development stage

Abstract

O desenvolvimento de plásticos de base biológica é essencial para a transição para uma bioeconomia, especialmente materiais produzidos a partir de resíduos agrícolas. A avaliação do ciclo de vida (ACV) pode ser usada para avaliar o desempenho ambiental de tais materiais. No entanto, avaliar novos produtos, em baixos Níveis de Prontidão Tecnológica, requer uma abordagem inovadora na ACV, que envolve escalonamento de processos e cenários de produção futuros. O objetivo deste estudo é avaliar os impactos ambientais de um filme biopolímerico, produzido a partir de resíduos da manga, em um estágio inicial de desenvolvimento, e também comparar este material ao seu equivalente fóssil, o polietileno de baixa densidade (PEBD). Foram analisadas duas formulações de filme à base de amido de amêndoa de manga: filme 1, com reforço de nanocristais de amido (NCA), e filme 2, com NCA e nanocristais de celulose (NCC). Os seguintes processos foram incluídos na ACV: coleta de resíduos de manga, separação dos componentes da semente, produção de amido, nanocristais de amido, e nanocristais de celulose, e produção de filmes. Foi adotada uma fronteira do berço ao portão e unidade funcional de 1 quilograma de filme biopolímerico. Em uma situação de referência, sementes de manga são consideradas resíduos do processo de polpação da manga, enquanto em um cenário alternativo, foram modeladas como coprodutos do mesmo. Duas técnicas de produção de filme foram consideradas, casting e extrusão. Um modelo escalonado para CNC, SNC, e produção dos filmes foi obtido aplicando um método baseado em cálculos de engenharia. As categorias de avaliação de impacto analisadas foram o uso de energia não renovável, mudança climática, acidificação terrestre e eutrofização de águas doces. A análise de contribuição para o filme 1 mostrou que o amido teve a maior parte dos impactos na energia, mudança climática e acidificação, enquanto a produção de NCA foi a mais impactante na eutrofização. Os cenários de melhoria reduziram os impactos do filme 1 em até 44%. Para o filme 2, NCC teve a maior contribuição na energia não-renovável e acidificação, associada ao uso de ácidos na hidrólise e ao uso e recuperação de acido acético na produção de celulose. Os cenários de melhoria mostraram uma 53% de redução nos impactos do filme 2. O filme 1 teve um desempenho melhor do que o filme 2 em todas as categorias de impacto analisadas e, portanto, foi selecionado para a comparação com o polímero fóssil. Esta comparação, considerando diferentes cenários, mostrou que o filme PEBD teve desempenho ambiental melhor do que o polímero à base de manga na mudança climática, acidificação e eutrofização. Para energia não-renovável, o biopolímero teve melhor desempenho em todos os cenários analisados. Considerando rendimentos maximizados na produção de NCA e de amido, além das outras melhorias (cenário de melhor caso), o biopolímero teve o mesmo desempenho que o filme de PEPD nas mudanças climáticas. Uma análise de sensibilidade baseada em taxas de substituição entre os materiais mostrou que o filme biopolímerico teria que ser 44% mais fino do que o de polietileno para ter o mesmo impacto na mudança climática. Recomenda-se que a relação entre a espessura e propriedades do filme seja investigada para melhor considerar a funcionalidade de biopolímeros nanoreforçados. Sugere-se que o fim de vida do filme de biopolímero à base de manga seja incluído na ACV, bem como a análise de incerteza.

The development of bio-based plastics is a key element for the transition to a bioeconomy, especially value-added materials produced from agro-wastes. Life cycle assessment (LCA) can be used to assess the environmental performance of such materials from a holistic perspective. However, assessing novel products at low technology readiness levels requires an innovative approach to conduct LCA, which involves the introduction of scale-up assumptions and future manufacturing scenarios. The goal of this study is to assess the environmental impacts of a biopolymer film, produced from mango processing wastes, at an early research stage. We also aim to compare this material to its fossil counterpart, low-density polyethylene (LDPE). Two film formulations based on mango kernel starch (MKS) were analysed: film 1, with a starch nanocrystal (SNC) reinforcement, and film 2, with a reinforcement of SNC and cellulose nanocrystals (CNC). The following processes were included in the LCA: collection of mango waste, separation of seed components, production of starch, starch nanocrystals, and cellulose nanocrystals, and film production. We adopted a cradle-to-gate boundary and a functional unit of 1 kilogram of biopolymer film. In a reference situation, mango seeds are considered wastes of the mango pulping process, whereas in an alternative scenario, they were modelled as by-products, with the inclusion of crop production and pulping. Two potential manufacturing techniques were considered, casting (reference) and extrusion. A scaled-up model for CNC, SNC, and film production was obtained by applying engineering-based calculations. The impact assessment categories analysed were non-renewable energy use (NREU), climate change (CC), terrestrial acidification (TA), and freshwater eutrophication (FE). Contribution analysis for film 1 showed that starch had the largest share of the impacts on NREU, CC and TA, whereas SNC was the main contributor for FE. Improvement scenarios could reduce the impacts of film 1 by up to 44%. For film 2, CNC had the largest contribution in NREU and TA, mainly due to the use of acids in hydrolysis and use and recovery of acetic acid in cellulose production. Improvement scenarios showed impacts of film 2 could be reduced by up to 53%. Film 1 performed better than film 2 in all impact categories analysed and was thus selected for further assessment. Comparing the biopolymer selected to LDPE considering different scenarios of feedstock and film manufacturing techniques, it was found that the fossil-based film performed better than the mango-based polymer in three out of four indicators (CC, TA, and FE). For NREU, the biopolymer performed better for all scenarios analysed. Considering maximum yields for SNC and MKS production in addition to other improvements (best-case scenario), the biopolymer had the same performance as LDPE on climate change. A sensitivity analysis based on a functional unit of 1 m2 of film showed that the biopolymer film would have to be 44% thinner to perform as well as LDPE for climate change. It is recommended that the relationship between film thickness and its technical performance be investigated to better consider the functionality of nanoenabled biopolymer films. For further research, it is suggested that the end-of-life of the mango-based biopolymer film is included as well as uncertainty analysis.