Перспективы производства пластика биологического происхождения

Почти все известные виды полимерных соединений и пластмасс производятся из каменного угля, природного газа и нефти. Если быть точнее, процентное соотношение достигает отметки в 99%. Следовательно, окружающие нас привычные вещи, такие как упаковочные и строительные материалы, элементы автомобилей, некоторые виды текстиля, детали электронных устройств изготавливаются из невозобновляемых ресурсов.

Однако еще во второй половине XX века были придуманы технологии по получению полимеров из сырья растительного происхождения:

• кукуруза;
• пшеница и другие зерновые культуры;
• картофельный крахмал;
• сахарный тростник.

К сожалению, на тот момент они имели ряд недостатков в отличие от продукции из углеводородных соединений, а также высокую себестоимость, что не в лучшую сторону сказывалось на конечной розничной цене.

Сегодня ситуация в корне изменилась, поскольку на промышленность в этой сфере повлияло несколько весомых причин:

• пластмассы из растений перестали уступать по свойствам своим синтетическим аналогам;
• постоянно сохраняющийся тренд роста цен на нефтяное сырье;
• высокий уровень выброса СО2 в атмосферу Земли при классическом производстве;
• популяризация тенденции охраны окружающей среды.

Благодаря такому повышенному интересу к пластику биологического происхождения множество экспертных мнений склоняются к тому, что этот материал переживает стадию активного развития.

Особенности различий двух видов пластика

Прежде всего, необходимо определиться с терминологией. Биологическими полимерами принято называть молекулы с длинной структурой, которые состоят из симметричных звеньев, распространенных в природе и являющихся частью живых организмов: полисахариды, различные белки, дезоксирибонуклеиновые кислоты и т.д. Поэтому, материалы, произведенные из сырья, содержащего такие элементы, называют пластиком биологического происхождения. Именно на эту особенность в слове «биопластмасса» указывает приставка «био», не обозначая еще, что конечный продукт будет биоразлагаемым и не нанесет вреда окружающей среде.

В этом моменте имеется сходство биополимеров с прочными пластиковыми соединениями, полученными из углеводородного сырья, поскольку для них тоже есть представители, которые могут загрязнять почву более чем 2 века. Но есть и такие пластики, которые, благодаря активным присадкам, полностью разлагаются в течение полугода, что соответствует требованиям современного ГОСТа и, соответственно, не являются токсичными для растений.

Из сырья растительного происхождения также вырабатываются обыкновенные полимеры, такие как полиэтилен, полиамид и множество других, но возможно выработать и биоразлагаемую форму. К примеру, чтобы получить этиленовый полимер для упаковочного материла, необходимо сахар, добытый из сахарного тростника, подвергнуть операциям гидролиза и ферментации.

Полиамиды, используемые в текстильной промышленности, производят из касторового масла, добытого путем экстракции из клещевины. Конечный продукт в виде пластика биологического происхождения не будет иметь отличий от аналогичного материала, полученного из нефти, с той лишь разницей, что сырье для первого представляется возможным получить сколь угодно много раз. Причем не обязательно использовать растительные варианты, базу для изготовления биопластмассы можно выработать и из продуктов животного происхождения. Примером может служить хитозан, полученный из хитина, в огромном количестве содержащимся в панцире ракообразных.

Биопластмасса из крахмала

Каким образом превратить кукурузу или другую агрокультуру в пластиковую тару под молоко? Для этого необходимо произвести несколько этапов:

• взращиваются специализированные сорта маиса, клубневого картофеля, зерновой пшеницы, а также сахарной свеклы и тростника, имеющие повышенное содержание крахмала или сахара, извлекаемых впоследствии из общей биомассы;
• из таких культур, как соевые, клещевина и рапс добывают особые сложные эфиры глицерина – триглецериды;
• после того как добыто основное сырье происходит стадия переработки, при помощи методов ферментации и применения микроорганизмов, а также различные химические манипуляции, причем для каждого вида продукта технологическая цепочка индивидуальна;
• конечной стадией является получения мономеров (полиэтилен, полиамид, полиэфир, а также молочная кислота), либо природной биологической молекулы без примесей (крахмал), которые подвергаются технологиям модификации и полимеризации.

В том случае, когда на последнем этапе получается простой полиэтилен, то экономически выгодно производить его смешивание с аналогичным материалом из нефтепродуктов. Крупные корпорации зачастую пользуются такой схемой, при этом пластик такого типа получает уникальное название (к примеру, Polyethylene Green). Поэтому, если на упаковке присутствует такая маркировка, то, скорее всего, частично входящие в состав пластика мономеры получены из биологического сырья.

Так, в 2009 году состоялся выпуск безопасной бутылки компанией «Кока-кола», которая содержит всего одну треть пластика биологического происхождения, а аналогичная тара у производителя питьевой воды «Вольвик» — одну пятую от общей массы. Конечно же, исследуя последние модные тренды, такие нововведения можно расценивать лишь как грамотный маркетинговый ход.

Утилизация полимеров и пластмассы

Независимо от того, какое сырье послужило основой в получении классических полимеров, острой проблемой остается вопрос их последующей утилизации. Конечно же, самым эффективным методом борьбы с пластиковым мусором является его переработка, причем нет разницы, изготовлен продукт из касторового масла, либо же из нефти. Если перерабатывать отходы не представляется возможным, то их необходимо сжигать. Кстати, энергию, выделяющуюся при сгорании мусора, можно использовать для привода в действие турбин микро электростанций, такие проекты существуют и успешно зарекомендовали себя в снабжении электричеством небольших поселений.

Еще один путь для утилизации – смешивание привычных полимеров с природными мономерами. Так, к примеру, корпорация Roquette получает модифицированный крахмал из пшеницы, интегрируя в него гидрофобные добавки, после чего добавляет это вещество в полиэтилен и полипропилен. В результате на выходе имеется композитный материал, имеющий широкий спектр вариантов использования при изготовлении тары для косметических товаров, емкостей для кисломолочной продукции и в некоторых элементах интерьера автомобилей.

Биоразлагаемые пластики и полимерные материалы

Само собой разумеется, что исследователи потеряли интерес к производству аналогов давно известных мономеров, учитывая и тот факт, что при использовании в качестве сырья нефти или природного газа их себестоимость пока что все равно получаются ниже. Наиболее целесообразно углублять познания в области создания инновационных материалов, не нарушающих равновесие окружающей среды, почвы и атмосферы Земли.

Именно поэтому наиболее модной темой является производство биоразлагаемых материалов, произведенных из растительного сырья. Такой продукт занимает четыре пятых от всего объема рынка пластиков биологического происхождения. Термин «биоразлагаемый» полностью определяет свойства таких материалов. Как уже было упомянуто выше, в течение полугода микроорганизмы, содержащиеся в почве, полностью переработают их, превратив, в конечном счете, в воду и газ, причем твердого вещества останется не более десяти процентов, которые также пригодны для использования в компостах.

Сегодня рынок изобилует биологическими пластмассами природного происхождения, при этом возможности их применения в технологической промышленности начинают преобладать над классическими полимерами. Для удобства их классифицируют при помощи двух больших групп:

• полимеры, полученные методом сбраживания сахара при помощи молочнокислых бактерий – полилактиды (ПЛА);
• материалы, полученные методом переработки различными микроорганизмами сахара природного происхождения, а также имеющие в основе процесс ферментации крахмала – полигидроксиалконоаты (ПГА).

Следует заметить, что полимеры получают также и из поливинилового спирта, лингнина, капролактона, целлюлозы и другой органики.

Крахмальный пластик

Наиболее популярным материалом для получения биоразлагаемой пластиковой продукции является крахмал, который как основу используют более чем одна треть специализирующихся в этой отрасли предприятий. Как материал это хрупкая субстанция, однако, при добавлении к нему пластификаторов растительного происхождения, таких как глицерин или сорбитол, а также волокон конопляных стеблей, льняных ростков, полимеров молочной кислоты, выработанных из брюквы или маиса, физические свойства по устойчивости к механическим нагрузкам и пластичности значительно улучшаются.

Чтобы конечное изделие было наиболее устойчивым к воде, его дополняют водонепроницаемыми ОН-группами. Как видно, использование крахмала не ограничивается только как наполнителя, он отлично модифицируется до биоразлагаемого полимера, из которого успешно изготавливается коммерческая продукция.

В механическом плане модифицированный крахмал обрабатывается теми же инструментами и методами, что и стандартная пластмасса и точно также подлежит колированию или покраске.

Конечно, по технологическим свойствам он немного хуже потенциально заменяемых классических полиэтилена или полипропилена. Но на сегодня существует уже несколько видов производств, поставляющих следующие изделия:

• поддоны для хранения и транспортировки пищевой продукции;
• пленки, используемые в сельскохозяйственном деле;
• материалы для упаковки;
• сервировочные и столовые приборы;
• сетки-авоськи для переноса и хранения фруктов или овощей.

Молочная кислота как основа для полимеров

Полимеры молочной кислоты (ПЛА), также называемые полилактиды, получаемые с использованием процесса ферментации сахара из маиса или других подходящих биоматериалов, достаточно широко распространены. В мире существует 80 предприятий, получаемых пластик биологического происхождения, а полимеры, используя ПЛА, производят около одной пятой от этого количества компаний.

Для достижения большей скорости разложения материала бактериями и повышения рентабельности изготовления ПЛА соединяют с крахмалом. По своим свойствам полилактиды могут смело конкурировать с полистиролом или полиэтилентерефталатом, поскольку отличаются яркостью и прозрачностью.

Они пригодны для производства короткоживущих изделий:

• упаковочный материал для всех видов продукции и выпечки;
• исчезающие нити для наложения хирургических швов;
• тара для воды, сока или молока.

Алифатические полиэфиры в пластиковой промышленности

На третьем месте по значимости стоят полигидроксиалканоаты (ПГА), относящиеся к биодеградируемым полиэфирам, их выпускают чуть менее одной десятой от всей биополимерной промышленности. Наиболее распространенными и востребованными из этой группы являются полигидроксибутират и полигидроксивалерат, их производство также основано на ферментации и дальнейшей обработки сахара. Как основа они используются для изготовления следующих типов изделий:

• нетканые пленки и упаковочные материалы;
• гигиенические одноразовые салфетки и другая продукция из этой отрасли;
• гидрофобные слои для бумаги или картона.

Если говорить о распределении биопластика по отраслям промышленности, то три пятых от общего числа произведенного материала расходуется на изготовление упаковочных материалов, причем как биоразлогаемых, так и традиционных. Спектр применимости очень высок, от одноразовой посуды и укрывочных материалов в сельском хозяйстве до корпусов бытовой электроники и элементов автомобилей, при этом область использования продолжает расширяться.

Биоразлагаемый пластик в медицине

Разлагаемые пластики биологического происхождения находят свое применение и в медицинской отрасли. Связано это с тем, что полимерные материалы, произведенные из биологических молекул, имеют высокую совместимость с живыми тканями, при этом в отличие от классических пластиков способны рассасываться. Ярким примером может быть опыт немецких хирургов по использованию полилактидных штифтов.

Срок их полного разложения в организме составляет два года, что позволяет избежать повторной операции пациента, как это бывает в случае с металлическими аналогами.

Американские исследователи работают над медицинскими биодеградируемыми имплантами из комбинированных полимеров, которые. К примеру, они могут быть использованы для лечения хрящевой ткани. Японские ученые представили прозрачную нанопленку из хитозана, применяемую в качестве своеобразного пластыря для ускоренного заживления поврежденных участков кожи. Она является отличной заменой привычным хирургическим нитям или скобяным изделиям.

Нюансы производства биоразлагаемого пластика

Важным преимуществом использования пластмасс биологического происхождения является экологическая составляющая, а именно снижение уровня выброса двуокиси углерода в атмосферу Земли. Ключевым моментом является то, что при проращивании биологической массы она потребляет диоксид углерода, который необходим для ее развития. По закону сохранения энергии и масс, даже если в конце цикла неразлагающиеся полимеры подвергнуть кремации, в окружающую среду будет выброшено такое количество углекислого газа, которое было потреблено сырьем во время жизни.

Если верить проделанным оценкам, то полимеры, изготовленные из крахмала чище органического полиэтилена вплоть до трех с лишним тонн CO2 по отношению к одной тонне продукции. Оптимистично настроенные аналитики и исследователи в каждом своем труде подчеркивают, что производство ПЛА как минимум в два раза чище по выбросам вредных веществ, чем аналогичная выработка материалов из нефтяного сырья.

Очевидно, что изготовление полимерных материалов из возобновляемого сырья позволит решить вопрос зависимости от нефтяных запасов, а именно уменьшить потребность в них. Но среди современных экспертов существует мнение или даже опасение, что такое производство может нанести серьезный ущерб сельскому хозяйству, отняв значительную долю ресурсов. Как показывает практика, за это не стоит беспокоиться, поскольку распределение всех запасов биомассы, используемой в целях обеспечения жизни человека, можно представить следующим образом:

• Чуть более 60 % используется как сельскохозяйственные растения. Пригодные к употреблению в пищу;
• Около 33 % составляют запасы для пиломатериалов, бумаги и картона, а также печного топлива;
• В районе 5 % подвергаются обработке для получения биотоплива и пластика биологического происхождения.

Таким образом, очевидно что даже при увеличении производственных мощностей по выпуску биопластика процентное соотношение останется почти неизменным. Т.е., конкуренция не возникает, более того многие заводы-изготовители стараются в технологическом процессе использовать отходы двух вышеперечисленных отраслей, которые остаются после обработки пиломатериалов и сельхозпродукции.

Несмотря на кажущуюся новизну, производство биопластика из растительного сырья было известно достаточно давно. Однако, популярность нефти не давала этому направлению развиться должным образом и только в последнее время оно набирает обороты. К примеру, в 2010 году объем промышленности по изготовлению биопластика уже составлял 724000 т (что занимает 0,2 % от всей доли мирового рыночного сектора пластмасс). На сегодня эти цифры увеличились в связи с экспоненциально кончающимися запасами нефтяных ресурсов и таким же ростом цен на них, а также с появлением новых методов и технологий по получению пластика биологического происхождения. Немаловажным является маркетинговый фактор, позволяющий компании сделать себе имидж защитника окружающей среды, что сейчас занимает все тренды.

Заключение

Массовое изготовление и внедрение продукции из пластика биологического происхождения всегда инициируется компаниями,связанными с пищевой промышленностью и косметической отраслью. В качестве примера следует привести несколько таких представителей:

• французское предприятие по производству молочной продукции Danone использует для своего бренда «Активиа» ПЛА емкость с названием Ingeo, изготовленную фирмой Nature Works;
• знаменитые поставщики лимонадов одноименных брендов Coca-Cola и Pepsi Cola используют ПЭТ тару из растительного сырья;
• минерализированная вода с торговым названием Biota и кисломолочная продукция Stonyfield Farm также расфасовываются в ПЛА емкости Ingeo;
• крупный производитель косметики RPC презентовал пилотную партию ПГА упаковки для своей продукции.

Следует заметить, что корпорации участвуют в сохранении окружающей среды не только ради самой идеи, они также имеют с этого солидную выгоду в виде заниженной ставки по налогам благодаря реализации проектов по уменьшению выброса углекислого газа в атмосферу. Но все же есть некоторые недостатки, которые учитываются при внедрении пластиков биологического происхождения. Так, для газированных напитков не представляется возможным использовать биоразлагаемый материал, поэтому берется традиционный ПЭТ, более устойчивый к агрессивной среде. Кисломолочная продукция, расфасованная по ПЛА стаканчикам имеет серьезные требования по хранению при никих температурах.

Несмотря на то, что экспертное мнение прогнозирует сильный рост производства пластиков биологического происхождения на начало 2020 года, в конкретных цифрах это около 5 000 000 тонн или до 5 % от общей суммы, сегодня о массовом изготолвении такой продукции говорить еще рано.

Такой медленный прогресс интеграции биопластика в повседневную жизнь обоснован его высокой себестоимостью, конечная цена до 7 раз дороже нежели у нефтяных аналогов. Но судя по тому, что около 5 лет назад этот показатель был больше в 50 раз, явный позитивный тренд налицо.

Большинство типов углеводородных полимеров уже удалось повторить при помощи использования сырья растительного происхождения, поэтому вопрос стоит только в глобализации процесса, как только индустрия сделает шаг вперед и все заводы освоят эту технологию, пластики биологического происхождения смогут составить достойную конкуренцию нефтяному производству.

Нельзя не упомянуть о том, что прогресс не останавливается на достигнутом и свойства уже полученных материалов постоянно модернизируются, примером могут служить вышедшие на новый уровень и ставшие фаворитами полимеры, которые эксплуатируют фармакологическая и медицинская промышленности. Также сюда следует отнести молочную кислоту, являющуюся основой для получения полилактидов, производственная масса которых составляет одну пятую миллиона тонн в год.

Не стоит думать, что эфемерная выгода при добыче нефти будет являться главным мотиватором в производстве полимеров. С годами технологические процессы будут отработаны и окружающая среда станет куда гораздо более чище, чем сейчас. И отправляясь на природу человек уже будет наблюдать повсюду разбросанные пластиковые бутылки и пакеты.