Практически все полимеры и пластмассы на 99% изготовлены из таких невозобновляемых природных ресурсов, как газ, нефть или уголь. В современном мире нас окружает огромное количество предметов, изготовленных из этих ресурсов – мебель, детали автомобиля, бытовые приборы, телефоны, ткани и многое-многое другое. Большинство вещей произведено из полимеров на основе нефти или газа. Это несмотря на то, что еще в 60-е годы 20 века был изобретен процесс получения полимеров из природных материалов – сахарного тростника, кукурузного крахмала, пшеницы, картофельного крахмала и т.д. Но процесс производства таких полимерных материалов в то время стоил дорого и был более трудозатратным по сравнению с процессом изготовления полимеров из углеводородов. Но в настоящее время производство продукции из возобновляемых природных ресурсов растет быстрыми темпами.
Одна из причин – известное всем истощение запасов нефти и газа. Вторая причина – это экология. Общественные организации и промышленники стали обращать внимание на выброс диоксида углерода при производстве той или иной продукции. Кроме того, изделия из природных материалов перестали уступать по своим качествам изделиям из синтетики. Можно сказать, в настоящий момент биопластики чрезвычайно актуальны.
Столовые приборы, изготовленные из возобновляемых природных ресурсов (крахмал с полиэфиром).
Чтобы понять принципиальное отличие продукции из газа, нефти от экопродукции, необходимо определиться с терминами. Биополимеры – это класс полимеров, состоящих из схожих звеньев (мономеров). Биополимеры встречаются в природе и входят с состав живых организмов. Но в нашей статье речь пойдет о полимерах из растительного сырья – о так называемых биопластиках. При этом приставка «био» не означает то, что данный вид полимеров совершенно безопасен для окружающей среды и является биоразлагаемым.
К примеру, из углеводородного сырья давно изготавливают качественные и прочные полимеры, срок утилизации которых составляет более 200 лет. Из этого же сырья начали изготавливать и биоразлагаемые полимеры, срок разложения которых за счет специальных добавок и компонентов составляет порядка 180 дней (согласно ГОСТу). Разложение таких биополимеров происходит на компоненты, которые абсолютно нетоксичны для растений. Поэтому такие полимеры и были названы биопластиками.
Из растений можно получить либо обычные полимеры, например, амид, этилен и т.д., либо биоразлагаемые пластики. Так, например, знакомый всем полиэтилен, который повсеместно используется для упаковки и хранения продукции, получается в результате гидролиза и ферментации сахара из сахарного тростника. Ткань можно изготовить из полиамида, полученного в результате выделения из касторового масла. Все вышеперечисленные биоразлагаемые пластики абсолютно не отличаются от полимеров на основе нефти. Их разница состоит в том, что полимер из нефти не будет разлагаться порядка 200 лет, а полимер на основе растений на следующий год снова вырастет в поле. И не только в поле, к примеру, в морях добывают сырье животного происхождения – хитозан, получаемый из панциря ракообразных.
Как выглядит процесс производства, например, пластиковой бутылки из кукурузы для молока? На первом этапе выращиваются специальные сорта растений, пригодных для изготовления биопластиков – пшеница, крахмал, картофель, тростник и т.д. После сбора урожая из полученной биомассы извлекают сахар или полисахариды. Это в случае сбора вышеперечисленных растений. Если же продукция изготавливается из таких растений, как соя, рапс, клещевина (из масличных культур), то из них после сбора выделяют триглицериды.
Следующий этап – это переработка и очистка биомассы. Очистка включает в себя химические и биотехнологические стадии. Эти стадии происходят с участием различных микроорганизмов и ферментов. В конечном итоге получается либо мономер (амид, эфир, этилен, молочная кислота), либо природная биомолекула (например, крахмал). Первый пригоден для дальнейшей полимеризации, а вторая нужна для модификации.
В некоторых случаях на конечном этапе получается обычный полиэтилен. В таких случаях он предназначен для смешивания с продукцией на основе нефти. Такой полиэтилен крупные компании добавляют в свою продукцию, указывая, что данная продукция экологичная. Для такого товара, как правило, вводится, специальное название и маркировка (к примеру, Polyethylene Green и т. п.).
Маркировка обозначает, что часть мономера, входящего в состав полимера, изготовлена из биомассы.
Можно привести ряд ярких примеров такого рекламного хода. Компания «Кока-кола» выпустила в 2009 году «биобутылку» с процентным составом полимера из биомассы порядка 30%, а крупный производитель питьевой воды «Вольвика» – продукцию с 30% содержанием биополимеров.
Схема производства биополимеров
Каким бы образом не были получены полимеры, всегда остается проблема их утилизации. Разные полимеры можно утилизировать различными способами. Например, в настоящее время, полиамид из касторового масла, а также полиэтилентерефталат из биомассы и полиэтилен необходимо после сбора перерабатывать наравне с продукцией на основе нефти. В случае невозможности дальнейшей переработки этих продуктов, их необходимо сжигать.
Некоторые компании, как, например, компания Roquette, модифицируют пшеничный крахмал, добавляя к нему гидрофобные группы, смешивая с обычным полиэтиленом или пропиленом, а затем используя их при производстве композитного материала. Их такого материала можно изготовить множество различной продукции, например, стаканчики для йогурта, упаковку для косметики и т.д.
В настоящий момент более 80% рынка биопластиков составляют биоразлагаемые пластики, которые были получены из растительного сырья. Большинство исследователей предсказывает большой спрос на продукцию на основе биоразлагаемых пластиков, ведь постепенно в моду входит интерес создавать что-то новое и уникальное, не приносящее вред окружающей среде.
Плюсов у биоразлагаемых пластиков множество – они всего за полгода перерабатываются почвенными микроорганизмами до диоксида углерода и воды, или же до метана, который в дальнейшем может быть использован в качестве компоста. С каждым годом все больше подобной продукции появляется на рынке – причем их технологические свойства во многом даже превосходят традиционные полимеры.
Биоразлагаемые пластики делятся на группы: полилактиды (ПЛА) и полигидроксиалконоаты (ПГА). Первые представляют из себя полимеры на основе молочной кислоты и образуются в процессе молочнокислого брожения, вторые являются продуктами растительного сахара. Существуют еще продукты, в основе которых лежат такие вещества как: целлюлоза, лигнин и др.
Материалы на основе крахмала представляют отдельную большую группу, так как крахмал является на сегодняшний день самым распространенным сырьем для получения биоматериалов. Более 30% предприятий производят биопродукцию именно на основе крахмала.
Почему именно крахмал? Сам по себе крахмал хрупкий и не прочный, но при добавлении в него различных растительных пластификаторов он приобретает пластичность и прочность. В качестве таких пластификаторов может выступать глицерин, сорбидол, прочность крахмалу также придают волокна конопли, льна, полимеры молочной кислоты и т.д. При помощи гидрофильных групп можно получить продукцию на основе крахмала, устойчивую к воздействию влаги. Помимо вышеперечисленных свойств, такая биопродукция способна разлагаться в почве. Крахмал можно использовать не только в качестве наполнителя, но и модифицировать его.
Продукцию, изготовленную на основе модифицированного крахмала производят на таком же оборудовании, что и обычную пластмассу. Пока крахмал не может полностью заменить продукцию их полипропилена и полиэтилена, так как его технические свойства пока уступают последним. Но в настоящий момент из крахмала изготавливают пленку для пищевых и непищевых продуктов, подложки, столовые приборы, посуду, различные коробки, сетки для овощей и фруктов и многое другое.
Одна из групп биоразлагаемых пластиков – полилактиды (ПЛА). Их называют также полимерами молочной кислоты. Они получаются в процессе ферментации сахаров сахарного тростника, кукурузы или иной биомассы. Полилактиды стоят на втором месте после крахмала. Порядка 20% специализирующихся на производстве биопластиков компаний (из 80 организаций) произодят продукцию на основе ПЛА. Но чаще всего полилактиды смешиваются с крахмалом для большей рентабельности производства и для скорейшего биологического разложения. Из ПЛА изготавливают продукцию с коротким сроком службы (различные упаковки). Полилактиды прозрачные и яркие и в скором времени могут легко конкурировать с полиэтилентерефталатом и полистиролом.
Производство биопластиков в мире по регионам на 2010 год (в процентах)
Третья группа – это полигидроксиалконоаты (ПГА). Примерно 8% компаний произодят продукцию на их основе. ПГА в свою очередь делятся на полигидроксибутират (ПГБ) и полигидроксивалерат (ПГВ). Из полигидроксиалконоатов производится продукция, обладающая водоотталкивающими свойствами – упаковочные материалы, предметы личной гигиены, нетканые материалы, пленки, волокна и т.д.
Объем производства упаковки из любого вида пластиков (как биоразалгаемых, так и обычных) в настоящее время составляет порядка 60%.
Динамика роста производства биопластиков (в тыс. тонн). Сюда входят как пластики, полученные из растительного сырья, но не биоразлагаемые (верхняя часть столбиков), так и все биоразлагаемые пластики, в том числе полученные из углеводородов (нижняя часть столбиков).
Биоразлагаемые пластики нашли свое применение и в медицине. В хирургии используются полимеры из биомолекул – они быстрее, чем обычные пластики, приживаются и лучше совместимы с человеческими тканями. В Германии производятся операции по установке хирургических штифтов из полилактидов – такие винты сами рассасываются в течение двух лет и нет необходимости проводить повторную операцию, как это происходит при установке металлических штифтов. Американские врачи исследуют возможность установки имплантов из биоразлагаемых полимеров. А японские ученые изобрели клеящуюся пленку. Они изготовлена из хитозана, практически прозрачна и имеет толщину десятки нанометров – такая пленка предназначается для скорейшего заживления внутренних ран, в дальнейшем она могла бы заменить хирургические скобы или нити.
Эти ручки практически полностью (кроме чернил) изготовлены из модифицированного крахмала
Огромное преимущество биопластиков перед традиционными пластиками – это их экологичность. По сравнению с пластиками из нефти выброс углекислого газа при утилизации биопластиков многократно ниже. Процент выброса в атмосферу диоксида углерода зависит от биомассы, а растения, из которых она получается растут благодаря поглощению диоксида углерода. В случае, если неразлагаемые пластики на основе растений после использования будут сожжены, то при этом они выделят то же количество углекислого газа, которое они поглотили в процессе роста. Если подсчитать, то использование биопластиков поможет сократить выброс диоксида углерода от 0,8 до 3,2 на тонну продукции по сравнению с традиционным пластиком. А при изготовлении продукции на основе полилактидов в атмосферу выбрасывается в два раза меньше углекислого газа, нежели при изготовлении пластиков на основе нефти. Конечно же, изделия на основе возобновляемых природных ресурсов значительно уменьшат зависимость от продукции на основе полезных ископаемых.
Упаковки из биопластиков.
Полимеры из растений начали получать несколько десятилетий назад, но долгое время их производство оставалось лишь на начальном этапе. В последнее время эта отрасль начала активно развиваться. Так, например, в 2010 году было произведено 724 тысячи тонн биопластиков. Данный показатель составляет 0,2% мирового рынка производства пластмасс (250 миллионов тонн в год). В настоящее время отрасль по производству пластиков на основе растительного сырья растет довольны быстро. Как уже отмечалось, одной из главных причин этому является истощение природных запасов нефти и газа, немаловажную роль играет и стремление компаний «озеленить» свою продукцию.
Биопластики на основе полилактидов, крахмала и целлюлозы
На производство биопластиков ориентированы в первую очередь крупные компании-производители. Например, самые яркие компании-представители недавнего времени, это: Danone (стаканчики для йогурта «Активия» из ПЛА), Coca-Cola и PepsiCo, (бутылки из растительного аналога полиэтилентерефлата (ПЭТ), RPC (пробная серия косметической упаковки из ПГА) и другие.
Безусловно, производство продукции из биоматериалов для данных компаний – это в не только хороший рекламных ход, но и стремление вызвать позитивное к себе отношение, а также забота об окружающей среде. Но, кроме того, производя подобного рода продукцию, компании-гиганты снижают себе ставку налогов.
Контейнеры для фруктов — одно из применений полимера молочной кислоты.
Все же, несмотря на мнение экспертов, которые прогнозируют массовый выпуск биопродукции (по их расчетам к 2020 году объем производства будет составлять порядка 3,5–5 миллионов тонн биопластиков), говорить о полной замене биопластиками традиционной продукции пока не приходится.
Полигидроксиалканоаты, произведенные микробами из растительного сахара, — материал для упаковки
Одна из основных проблем, касающихся массового производства биопластиков – это дороговизна товара. На сегодняшний день стоимость биопластиков превышает стоимость традиционных полимеров из углеводородного сырья в 2-7 раз. Но не стоит сбрасывать со счетов то, что всего 5-6 лет назад растительная продукция была дороже в 35-100 раз. Многие эксперты считают, что через некоторое время цена биопластиков снизится и они смогут составить конкуренцию привычным нам полимерам, ведь на сегодняшний лень практически все группы полимеров из невозобновляемых природных ресурсов уже имеют аналоги. Постепенно свойство материалов совершенствуются, и все новые производители обращают внимание на биопластики.
Следует отметить высокую конкурентоспособность полимеров, которые имеют уникальные свойства – это те полимеры, которые используются в медицине и в фармакологии. К таким полимерам можно также отнести молочную кислоту, из которой изготавливается порядка 200 тысяч тонн полилактидов в год.
Несмотря ни на что, сектор изготовления продукции из биоматериалов необходимо развивать – ведь это нужно не только настоящему, но и будущему поколениям. Накопленные знания обязательно пригодятся нашим потомкам.
