эко-планета

В последнее время все чаще в самых разных ситуациях можно встретить приставку «био» – она воспринимается как гарантия того, что товар безопасен для природы и человека. Этот тренд активно продвигают средства массовой информации, и потребитель начинает привыкать к мысли о том, что био-кефир решает все проблемы с пищеварением, био-топливо – это экологичная замена нефти, а био-экстракты заставляют косметику творить чудеса. Не обошли вниманием и упаковку, она также все чаще становится«экологичной», а производство биополимеров растет год от года. Но если толчком для разработки биотоплива послужило желание европейских стран быть независимыми от запасов нефти и ее поставщиков, то основным стимулом к разработке биополимеров стала проблема утилизации пластиковых отходов, объемы которых растут с каждым годом.

Биоразлагаемые полимеры отличаются от остальных пластиков тем, что разлагаются в окружающей среде под действием физических факторов и микроорганизмов – бактерий или грибков. Полимер считается биоразлагаемым, если вся его масса разлагается в почве или воде за период в шесть месяцев. Во многих случаях продукты распада биополимеров – это углекислый газ и вода. Любые другие продукты разложения или остатки должны исследоваться на наличие токсичных веществ и безопасность.

Сейчас разработка биополимеров ведется по трем основным направлениям: производство биоразлагаемых полиэфиров на основе гидроксикарбоновых кислот; придание биоразлагаемости промышленным полимерам и производство пластмасс на основе воспроизводимых природных компонентов. Все эти технологии активно развиваются в США и Европе, Китае, Японии и Корее. Рассмотрим основные предложения рынка биополимеров.

био-топливо

Полигидроксиалканоаты бактерий

При росте некоторых микроорганизмов в средах, содержащих питательные углеродные вещества и имеющих дефицит азота или фосфора, микробные клетки начинают синтезировать и накапливать полигидроксиалканоаты (ПГА), которые служат им резервом энергии и углерода (т.е. запасом пищи). При необходимости эти же микроорганизмы могут разлагать ПГA. Это свойство бактерий человек использует для промышленного получения полигидроксиалканоатов.

Таким образом, полигидроксиалканоаты – это полностью биоразлагаемые пластики. Хотя эти полимеры стабильны в пресной воде, они поддаются биологическому разложению в морской воде, в почве, при компостировании. В компосте при влажности 85% и температуре 20–60°С они разлагаются на воду и углекислый газ за 7–10 недель.

биополимеры _3

Возможные области применения ПГA – это изготовление биоразлагаемых упаковочных материалов и формованных товаров, нетканых материалов, одноразовых салфеток, предметов личной гигиены, пленок и волокон, водоотталкивающих покрытий для бумаги и картона. Первое подобное промышленное производство организовала в 1980 году английская фирма ICA под торговой маркой Biopol. Этот полимер характеризуется относительной термостабильностью, пропускает кислород, устойчив к агрессивным химикатам и имеет прочность, сопоставимую с прочностью полипропилена.

Biopol выпускается до сих пор несколькими компаниями, но объемы не превышают 10 тыс. тонн в год. Дело в том, что его стоимость составляет $10–15 за кг, что в 8–10 раз выше, чем у традиционных пластиков. Поэтому основные сферы его применения – медицина, упаковка некоторых парфюмерных товаров, изделия личной гигиены.

В 2010 году в США компанией Тelles был запущен завод по производству полимеров на основе ПГА мощностью 50 тыс. тонн в год. Пластик получил название Mirel, цена – $4,5–5,5 за кг. Сырьем для предприятия Тelles служит глюкоза, получаемая из осахаренного кукурузного крахмала, который составляет 60% себестоимости.

пластиковая посуда

Полимолочная кислота

Одним из самых перспективных биопластиков для применения в упаковке считается полилактид или полимолочная кислота – ПМК, продукт конденсации молочной кислоты. Молочную кислоту, из которой в дальнейшем искусственно синтезируют полилактид, производят бактерии. Производство молочной кислоты микробиологическим способом дешевле традиционного, так как бактерии синтезируют ее из доступных сахаров в технологически несложном процессе. Изделия из ПМК характеризуются высокой жесткостью, прозрачностью и блеском, напоминая в этом отношении полистирол. Из листов полилактида можно формовать тарелки, подносы, получать пленку, волокно, упаковку для пищевых продуктов и косметики, имплантанты для медицины, бутылки для молока, соков, воды, но не для газированных напитков, так как ПМК пропускает углекислый газ. Из ПМК также изготавливают игрушки, корпусы сотовых телефонов, компьютерные мышки и ткани. Изделия из ПМК при компостировании полностью разлагаются на воду и углекислый газ за период 20–90 дней.

Патент на способ промышленного получения ПМК был выдан компании DuPont еще в 1954 году. Однако коммерциализация этого биопластика началась лишь в XXI веке. В 2002 году в городе Блэр в США фирмой NatureWork был запущен завод мощностью 140 тыс. тонн по производству ПМК из глюкозы кукурузного крахмала. Сегодня это крупнейший производитель ПМК в мире. Продукцию завода NatureWork перерабатывают множество компаний, только в Европе их более 30. В Европе также функционирует несколько заводов ПМК, ряд мелких производителей есть и в Азии. Несмотря на то, что ПМК – самый дешевый из биопластиков ($2,2–4,5 за кг), его развитие тоже сдерживается ценой. Однако считают, что новые технологии сделают его конкурентоспособным по сравнению с полиэтиленом и полипропиленом уже к 2020 году.

биополимеры _5

Модифицированный крахмал и другие природные полимеры

Применение для изготовления упаковки биоразлагаемых природных полимеров интересно тем, что ресурсы исходного сырья постоянно возобновляемы и практически не ограничены. Наиболее широко для производства биоразлагаемых упаковочных материалов используется крахмал. Пластмассы на основе крахмала обладают высокой экологичностью и способностью разлагаться в компосте при 30°С в течение двух месяцев. С целью снижения себестоимости биоразлагаемых материалов бытового назначения (упаковка, пакеты для мусора) используется неочищенный крахмал, смешанный с поливиниловым спиртом и тальком. Модифицированный крахмал можно производить на том же оборудовании, что и обыкновенную пластмассу, его можно окрашивать, на него можно наносить печать с использованием обычных технологий. Правда, физические свойства модифицированного крахмала уступают свойствам полиэтилена низкого и высокого давления и полипропилена. И все же крахмал уже нашел применение на некоторых рынках. Из него методом горячего формования изготовляют поддоны для пищевых продуктов; методом литьевого формования – сельскохозяйственные пленки, пенопластовые упаковочные материалы; столовые приборы и сеточки для овощей и фруктов – методом экструзии.

Для производства биоразлагаемых пластиков на основе природных полимеров можно также использовать и другие природные полисахариды: целлюлозу, хитин, хитозан. Такие полимеры полностью разлагаются в компосте за 4 недели. На их основе формованием получают бутыли, одноразовую посуду, пленки для мульчирования.

биополимеры _4Придание биоразлагаемости традиционным полимерам

Еще один способ — придание свойств биоразлагаемости традиционным промышленным полимерам: полиэтилену, полипропилену, поливинилхлориду, полистиролу. Этого можно добиться путем ввода в полимерную молекулу специальных добавок, которые на свету и/или в тепле катализируют разложение полимеров. Использование биоразлагающих добавок целесообразно при производстве пакетов, сельскохозяйственных и упаковочных пленок, одноразовой посуды, бутылок и т.п.

Проблемы тут две. Добавки должны допускать обработку полимера традиционными способами (литье, формование, выдув, экструзия), причем при температурной обработке полимеры не должны разлагаться. Кроме того, добавка должна ускорять разложение полимера на свету, но допускать длительный период его использования. Иными словами, добавка должна «включать» разложение в определенный момент. Это существенная сложность. Современные добавки допускают типовые способы обработки полимеров, но с условием, что время нахождения сырья в зоне нагрева не должно превышать 7–12 минут. Малый процент добавки (обычно 1–8%) почти не сказывается при этом на остальных технологических режимах обработки, единственное – нужно равномерно распределять ее по объему полимера.

Срок деградации варьируется от 9 месяцев до 5 лет. Стоимость добавок может составлять от $4,2 до $18 за кг в зависимости от производителя. Основными производителями таких добавок являются американские компании WillowRidgePlastics, BioTecEnvironmental, ECM BioFilms и британская SymphonyEnvironmental.

эко-посуда

Перспективы рынка

Биоразлагаемые полимеры, особенно те, которые производятся из биологического сырья, составляют пока очень небольшую долю мирового рынка пластмасс. Согласно данным Института перспективных технологических исследований Европейской комиссии, к 2020 годудоля этих материалов на рынке полимеров Европы будет составлять не более 5%.

К числу основных применений биоразлагаемых пластмасс относится упаковка пищевых продуктов. Другое распространенное применение – одноразовые бутылки и стаканчики для воды, молока, соков и прочих напитков, тарелки, миски и поддоны. Еще один рынок сбыта для таких материалов – производство мешков для сбора и компостирования пищевых отходов, а также пакетов для супермаркетов. Развивающимся применением этих полимеров является рынок сельскохозяйственных пленок и косметика.

Преимущество биоразлагаемых полимеров – возможность стандартной обработки на стандартном оборудовании; стойкость к разложению в обычных условиях; отсутствие проблем с утилизацией отходов; независимость от нефтехимического сырья. Их основные недостатки – ограниченные возможности для крупнотоннажного производства и высокая стоимость (пока в среднем 2–5 евро за кг). Однако новые крупномасштабные производственные системы снижают затратность производства биоразлагаемых полимеров, а усовершенствованные технологии полимеризации делают эти материалы более прочными и износостойкими.

Во многих странах местные и национальные законы стимулируют использование биоразлагаемых материалов. Так, в Тайване с 2003 года полимерные пакеты запрещены к использованию во всех торговых центрах. Так же поступили в Лос-Анджелесе в 2007 году. С пластиковыми пакетами борются в Кении, Руанде и Танзании. В Бангладеш использование пластиковых пакетов запрещено полностью после того, как было обнаружено, что они, засорив дренажные системы, явились основной причиной наводнений в 1988 и 1998 годах, которые затопили две трети страны. В ряде европейских стран существуют налоги на пластиковые пакеты. Если меры по охране среды будут ужесточаться, а цены на нефть и газ вырастут, то возможно, что переход к производству биоразлагаемых пластиков из возобновляемого сырья наступит гораздо быстрее, чем мы этого ожидаем.

Однако пока биоразлагаемые полимеры занимают лишь небольшой сегмент общего рынка пластмассовых материалов. Полимеры из природного сырья не могут составить конкуренцию традиционным пластикам по самой простой причине – ценовой. Точно так же использование дорогих биоразлагающих добавок приводит к удорожанию изделий и из традиционных полимеров.

Тем не менее, растущая экологическая озабоченность потребителей и правительственная политика, которая поощряет сохранение естественных ресурсов, стимулируют рост продаж биоразлагаемых полимеров. Прогнозы развития рынка биопластиков весьма оптимистичны.

Ожидается, что самые дешевые из сегодняшних биопластиков смогут конкурировать с традиционными по цене к 2020 году. Вместе с тем, осознание той реальной цены, которую человечество должно платить за сохранение среды своего обитания, так или иначе приведет к введению серьезных ограничений на использование неразрушающихся изделий массового спроса и переходу к пусть более дорогим, но более экологичным материалам. Поэтому крупнейшие частные компании и научные центры многих стран занимаются поисками новых, более дешевых технологий получения биопластиков.

Айнур Велиева