Биоразлагаемые материалы: дань моде или реальный шанс спасти планету?

Термином «биоразлагаемый» принято называть полимер, ухудшение прежних качеств которого может быть хотя бы частично вызвана биологической системой. В целом, деструкция полимера включает первичные процессы поглощения тепла и света, диффузии компонентов среды в материале, его обрастания микроорганизмами. Микробные ферменты инициируют дальнейшие реакции разрыва химических связей в макромолекуле. Простым языком, под влиянием воды, солнца, воздуха и микроорганизмов изделие должно разложиться на вещества, которые, в свою очередь, являются природными питательными веществами для других микроорганизмов, бактерий, растений, простейших организмов. После разложения, максимум, что может остаться, – это соли и минералы природного происхождения.

Наиболее перспективный в настоящее время полимер – полигидроксибутират (ПГБ), открытый микробиологами еще в 1925 г.

Патент на способ промышленного получения ПМК (PLA) (полимолочная кислота) был выдан еще в 1954 г., однако коммерциализация этого биопластика началась лишь в ХХI в.

В 2002 г. в США был запущен завод мощностью 140 тыс. т/год по производству ПМК из глюкозы, кукурузного крахмала. Сегодня это крупнейший производитель в мире, его мощности уже достигли 280 тыс. т/год. В ближайшие 5-10 лет планируется строительство третьего завода, сырьем для которого будут практически бесплатные отходы переработки кукурузы.

Можно выделить семь больших групп биоразлагаемых материалов в зависимости от того, на основе каких веществ они произведены.

1. На основе полисахаридов (крахмал).

Крахмал – полисахарид, накапливаемый в процессе жизнедеятельности растений в их клубнях, семенах, стеблях и листьях.

В промышленных масштабах его получают из картофеля, кукурузы, пшеницы, риса. Выбор крахмала в качестве основы для создания композиционных полимерных материалов обусловлен рядом причин:

– доступностью и практически неисчерпаемой сырьевой базой;

– наличием таких полезных свойств, которые отсутствуют у синтетических полимеров (повышенная гидрофильность, устойчивость к действию органических растворителей, легкость биохимического разложения, большая поглощающая способность по отношению к некоторым реагентам);

– возможностью синтеза производных крахмала.

2. Целлюлоза.

Целлюлоза, или клетчатка, – это природный полимер полисахарид, принадлежащий к классу углеводов.Главный источник получения целлюлозы – древесина. Древесиной называется внутренняя часть деревьев, лежащая под корой и составляющая основную растительную ткань, из которой образуется ствол дерева. Каждое растительное волокно, например хлопковое, льняное, древесное и другие, – это одна клетка, оболочка которой состоит в основном из целлюлозы. Внутри волокна имеется канал – капилляр, доступный для проникновения воздуха и влаги.

3. Хитин, хитозан.

Хитин – природное соединение из группы азотсодержащих полисахаридов, представляет собой жесткий полупрозрачный материал. Хитин в естественном состоянии находится в панцирях морских крабов, креветок, криля, омаров, лангустов, раков, а также в наружном скелете зоопланктона, включая кораллы и медузы. У таких насекомых как бабочки, божьи коровки, мухи, пчелы, жуки, хитин содержится в крылышках. Клеточные стенки дрожжей, грибов и разнообразных грибков также содержат это природное вещество.

4. Белки

Белки − это сложные органические соединения с большой молекулярной массой. Они входят в состав животных и растительных организмов.

5. Водорастворимые пластики

Пластик на основе поливинилового спирта хорошо растворяется в воде. Применяется для водорастворимых пленок.

6. Натуральный каучук

Натуральный каучук – содержится в млечном соке некоторых растений. Применение: производство шин, а также резинотехнических изделий (транспортерных лент, приводных ремней, амортизаторов, уплотнителей), электроизоляционных материалов, резиновых изделий бытового назначения, при изготовлении резиновых клеев. Некоторое количество натурального каучука используют в виде латекса.

7. Олигидроксиалканоаты

Полигидроксиалканоаты – производные полиоксимасляной кислоты. Они являются полимерами природного происхождения, способными быстро разлагаться под действием микроорганизмов почвы и воды.

В природе этот полимер синтезируется некоторыми видами микроорганизмов и играет роль внутриклеточного энергетического резерва, подобно гликогену и полифосфатам в других микроорганизмах. Полимер находится в цитоплазме клеток микроорганизмов в виде гранул и обычно составляет более 40% от их массы в сухом состоянии. Бактериальный ПГБ отличается характерными свойствами: оптической активностью, термопластичностью, пьезоэлектрическими свойствами, способностью к «чистому» биоразложению, в результате которого полимер полностью превращается в двуокись углерода и воду. Изделия из этого полимера можно получать как из расплава, так и из его растворов в органических растворителях. Производство полигидроксибутирата безотходное. Экологический аспект этих разработок настолько важен, что за рубежом ПГБ наряду с некоторыми другими биополимерами уже относят к стратегическим материалам. Низкая энергоемкость его синтеза также уникальна и заслуживает внимания в условиях энергетического кризиса

PLA пластик
Продукция на основе крахмала (PLA пластик) имеет ряд достоинств:

· Данный вид пластика никак не влияет на организм человека, его применяют повсеместно, во всех видах промышленности (он полностью биоразлагаемый, утилизируется с пищевыми отходами):

· медицина – печать имплантатов с дозированным вводом лекарственного препарата в организм;

· Производство одноразовой посуды и пленок;

· Производство игрушек и т.п.

Недостатками являются:

· стоимость производства;

· обман со стороны производителя, не имеющего соответствующих доказательств качества сырья и материалов;

· мало лабораторий, которые официально могут дать заключение, что предмет изготовлен на основе PLA и соответствует госту EN 13432 (для одноразовых упаковок и посуды);

· его нельзя повторно перерабатывать, только утилизировать, мало развито промышленное компостирование.

Целлюлоза

Из этого материала, в основном, производят одноразовую упаковку и одноразовую посуду.

Достоинства:

· низкая стоимость сырья;

· полностью биоразлагаемый материал, утилизируется с пищевыми отходами.

Недостатки:

· большое количество выбросов в окружающую среду (при производстве целлюлозы);

· нет возможности повторного использования (переработки) для пищевой промышленности;

· уничтожение лесов.


Хитин, хитозан

Достоинства: полностью биоразлагаемый материал, утилизируется с пищевыми отходами.

Недостаток: трудные химические процессы при его произодстве.


Белки

Достоинства: полностью биоразлагаемый материал, утилизируется с пищевыми отходами.

Недостаток: нецелесообразность использования исходного продукта в качестве сырья.

На скорость разложения влияет множество факторов:

исходные материалы, из чего произведен продукт;

какие минеральные добавки использовались при создании этого продукта и в каком количестве (для защиты от бактерий и микроорганизмов, чтобы изделие не разлагалось раньше времени);

толщина изделия;

способ утилизации (промышленное компостирование/домашнее компостирование, захоронение на полигоне, сжигание);

биологическая среда, в которую попадет изделие (вода, земля), температура, солнечный свет.
В среднем, период разложения PLA в воде – от 6 до 24 месяцев, в земле – от 90 до 180 дней.

Целлюлоза: от 1 до 60 месяцев в земле.

Хитин, хитиноза, белок: от 1 до 6 месяце в земле.

На сегодняшний день биоразлагаемые материалы очень тесно конкурируют с альтернативным пластиком. В основном, они применяются для изделий с коротким сроком службы. В пищевой промышленности из них производят биоразлагаемые пленки, одноразовую посуду (вилки, ложки, ножи, палочки, чашки, стаканы, бокалы, крышки, салфетки), упаковочные транспортировочные материалы (лотки для яиц из целлюлозы, подстаканники, бумажные пакеты и пр.), СИЗы.

Ухудшение экологической ситуации в мире, истощение ценных энергоресурсов (нефти, природного газа), скачки цен на эти продукты и нестабильность отраслей промышленности, напрямую зависящих от них, — все это заставило серьезно отнестись к возможности создания и использования дешевых, экологичных, «нефтенезависимых» пластиков, а именно, биоразлагаемых полимеров. Биоразлагаемые полимеры изготавливаются на основе возобновляемого растительного сырья, при захоронении происходит ее биохимическое разложение на полностью безопасные составляющие: воду, биомассу, диоксид углерода.

В настоящее время потребность в разлагаемых материалов достаточно велика. По прогнозам европейских аналитиков, рынок биоматериалов стоит перед резким подъемом. Так, в 2020 г. уже четверть мирового рынка пластмасс приходилась на биопластики – это около 30–40 млн тонн в год.

Эксперты считают, что самый высокий спрос ожидается на упаковку из полимеров монокарбоновых кислот для изготовления пленочной продукции, бутылей, а также жестких упаковок для овощей, фруктов, кисломолочных продуктов и хлебобулочных изделий. Лидирующую позицию может занять упаковка на основеполикапролактона и полигидроксиалканоатов (ПГА). Потенциал биопластика, в основном, зависит от его стоимости.