БИОПОЛИМЕРЫ Кристиан Бонтен
Р
астущее экологическое сознание во всем мире изменило отношение потребителей к товарам. Одним из ключевых трендов на рынке упаковки стало производство биопластмасс. Биополимеры — собирательное понятие, обозначающее решения, связанные с категорией «био», «биология». И здесь выделяются два ключевых направления.
Биоразлагаемость и биопроисхождение Первое направление — биоразлагаемые полимеры, которые полностью ассимилируются, усваиваются природной средой. Биоразлагаемость – биологический процесс в материи, которая за счет жизнедеятельности организмов (бактерий и грибков) полностью преобразовывается в воду, CO2, метан, энергию или новую биомассу. Появление биоразлагаемых полимеров наметило альтернативные пути утилизации отходов и к уменьшению количества мусора на планете. Вторая группа биополимеров представлена материалами на биооснове. Они сами возникают из природы, и здесь принято говорить о возобновляемых ресурсах — таких, которые могут быть восстановлены максимум в течение двух поколений (например, кукуруза, рожь, трава, бактерии) Использование при производстве полимеров возобновляемого сырья позволяет сократить выбросы CO2, и снизить зависимость от ископаемых источников сырья.
Компостируемые полимеры
Биополимеры: спасение или утопия? Биополимеры аккумулируют значительные усилия разработчиков, но не решают возложенных на них экологических и экономических задач 46
Отдельным классом внутри понятия биоразлагаемости выделяется «компостирование», которое предполагает, что биоматериал должен разлагаться за строго определенное время в контролируемых условиях. Во многих странах введены сертификаты компостируемости. Примеры сертификатов для Германии, Бельгии, США, Финляндии, Норвегии, Японии приведены в таблице 1. Общая тенденция состоит в том, что участники этого незримого сообщества стремятся прийти к единому представлению, общему стандарту разлагаемости. И выражается это в том, что каждый сертификат соответствует одному из стандартов EN. Май 2019 The Chemical Journal
БИОПОЛИМЕРЫ Схема 1. Полимеры на биооснове.
Полимерный синтез в растениях Крахмал, лигнин, натуральный каучук, целлюлоза
Полимерный синтез в животных/ людях
Полимерный синтез в микроорганизмах
Мономерный синтез в микроорганизмах
Мономеры из растений
Хитин, казеин, паутина
Бактерия Aeromonas hydrophila: → PHA
Молочнокислая бактерия: → LA
Биоэтанол → Био-PE Касторовое масло → Био-PA
Синтез
Кристиан Бонтен, профессор Университета Штуттгарта +49 711 685 62811;+49 711 685 62066 christian.bonten@ikt.uni-stuttgart.de
Эту норму приняли для себя и японцы, и китайцы, и даже американцы, что само по себе является большой редкостью.
Синтез
Пластмассы на биооснове
Схема 2. Биологическое разложение полимеров в различных средах, по видам полимеров. Промышленный компост
(~ 3 месяца) + Полимеры на основе CO2 + PPC, PEC + PLA, PLA-бленды
Температура ϑ ~ 50/60 °C
Бактерии
Бытовой компост (~12 месяцев) Почва + Сточные PBAT, PBAT- бленды PBS, PBS- бленды воды
В мире существует множество бактерий, которые заселяют все, что попаПресная вода дается им на пути, и пытаются усвоить Морская мода + свалка любой субстрат, т.е. сожрать его. А если субстрат оказывается несъедобным, бактерии покидают его. В съедобных субстанциях бактерии образуют энзимы. Некоторые из энзимов, в свою очередь, способны измельчить Биоразлагаемые полимеры Ископаемый или возобновляемый источник углерода пластмассу, разрывая полимерные цепи. Температура ϑ < 37 °C
Хитин, Хитосан
(~ 24 месяца)
Температура ϑ < 25 °C
(~ 3 месяца)
Казеин
Лигнин, древесная ткань (с лигнином), дерево (~20-100 лет)
Глютен
(6-12 месяцев)
Полигидроксиалканоаты (PHA, PHB, PHBV)
Температура ϑ < 35 °C
На основе протеина: казеин, глютен, шерсть, шелковая ткань / шелк На основе крахмала:/PCL, TPS
Целлюлоза (без лигнина), целлюлоза, хлопок, целлофан, эфир целлюлозы
PCL, PEG
Спекуляция на биологическую тему
Таблица 1. Сертификаты компостируемости в странах мира. Сертификаты компостируемости
Организация
DIN CERTCO / European Bioplastics
AIB Vincotte
BPI/USCC
Jätelaitosyhdistys (FSWA)
Avfall Norge
JBPA
Однако современный уровень знаний говорит нам, что это невозможно в слуГермания Бельгия США Финляндия Япония Место Норвегия чае с полиэтиленом, полипропиленом и другими базовыми полимерами, рас- Стандарт EN 13432 EN 13432 ASTM D6400 EN 13432 EN 13432 GreenPla ASTM D6400 certification ASTM D6868 пространенными в мире. scheme Нужно помнить об этом, когда кто-то декларирует «биоразлагаемость» Логотип для обычных пластмасс, но смешанных с чудесными добавками. В окружающей среде в подходящих условиях такие композиты распадаются [Quelle: bioplastics.org] [Quelle: bewusstkaufen.at] [Quelle: mcgillcompost.com] [Quelle: ows.be] [Quelle: noe.gv.at] [Quelle: ows.be] на едва видимые компоненты (пластиProf. Dr.-Ing. Christian Bonten ковая «пыль»), которые в течение про- мости даже в самых невыгодных усло- нове крахмала — PCL, TPS; на основе10 должительного времени накапливаются виях. Так, в морской воде и в условиях целлюлоза (без лигнина) w— целлюлов пищевой цепи. Биоразлагаемых полиэтилена, полипропилена, Их биологическая деградация никогда не была доказана. Не существует биополиэтилентерефталата и полиамида не существует. разлагаемых полиэтилена, полипропилена, полиэтилентерефталата и полиамида. свалки, даже в условиях чрезвычайно за, хлопок, целлофан, эфир целлюлозы; низких температур в течение 6–12 ме- PCL, PEG. Ограниченный список сяцев разлагаются полигидроксиалкаНесколько более привлекательной ноаты (PHA, PHB, PHBV); полимеры средой для разложения биополимеров На схеме 1 перечислены полимеры, со- на основе протеина — казеин, глютен, является пресная вода, где период разхраняющие способность к биоразлагае- шерсть, шелковая ткань, шелк; на ос- ложения сокращается до 3 месяцев. The Chemical Journal Май 2019
47
БИОПОЛИМЕРЫ
Упаковка для бьющихся предметов применяется в больших объемах и, как правило, имеет серьезные проблемы с утилизацией.
Широкое распространение получили пакеты, которые разлагаются вместе с собранной листвой. Подгузник, созданный целиком из биоразлагаемых материалов (целлюлоза + пленка). Однако для деградации этих материалов подгузник нужно поместить в компостную яму, что на практике реализуется крайне редко. Сетка для овощей и фруктов сильно растягивается и требует очень бережного отношения. Разработана испанской компанией. В ряде значимых сегментов никогда не будут применяться биоразлагаемые пластики.
48
Май 2019 The Chemical Journal
БИОПОЛИМЕРЫ Диаграмма 1. Структура переработки нефти в Германии.
Диаграмма 2. Структура потребления биоразлагаемых пластиков. Общественное питание
Газовое топливо 18%
Твердые полимеры
9,0%
2,6%
Вололкна / нити
Бензин и дизель
52%
Жидкие полимеры Прочие продукты
20%
4,0%
Упаковка
3,4%
Медицина
74,7%
4,0%
Агрохимия
Другое химическое сырье
2,0%
4,0%
Электроника
1,0%
Прочее
Диаграмма 3. Мировые мощности по производству биопластика в 2017 году, по сегментам рынка..
Полимеры на биооснове
600 500
•• • ••
• •• •• •
ПЭТФ Полиэтилен Полиэфирное волокно Полиамид Другие
400
Полибутиратадипинтерефталат Полибутилсукцинат Полилактид Полигидроксиалконат Крахмал Другие
300 200 100
несоразмерна тем усилиям, которые тратятся на получение пластиков из биоматериалов.
биооснове могут быть получены, например, из углеводов, таких как крахмал, лигнин, сахар, целлюлоза и расти- Тенденции рынка тельные масла. Некоторые полимеры на природной Рынок биополимеров динамично разоснове можно преобразовывать в про- вивается. Так, мировое потребление биоразламышленные полимеры, а другие невозгаемых пластиков достигло 2,5 млн т, увеможно (схема 2). На примере Германии (диаграмма 1) личившись в три раза за пять лет с 2012-го мы видим, что лишь 2,6% перерабаты- до 2017-го. Крупнейшими компаниямиваемой нефти тратится на производство производителями биоразлагаемых пла-
Биодеградируемые пластики «загрязняют» пластиковые отходы, подлежащие переработке, и требуют отдельного сбора. твердых полимеров – то есть тех мате- стиков являются NatureWorks (США), риалов, которые мы заменяем пласти- BASF, Novamont, Mitsubishi Chemicals. Однако гораздо более активный рост ками на биооснове. И степень сохранения исчерпаемых происходит на рынке пластмасс на запасов оказывается, таким образом, биооснове: их объемы в натуральном The Chemical Journal Май 2019
ка ов
ка стк Же
ая бк Ги
ая
уп
уп
ак
ак
ов
ль ти кс Те
Др
уги е тр еб то ите ва ль ры ск ие Ав то к и т ом ра по нс не по нт рт ы
0
По
Полимеры на биооснове могут «спасти» лишь 2,6% перерабатываемой нефти — именно столько тратится на производство твердых полимеров.
700
Биодеградируемые
На биооснове
и э Эле ле ктр ктр ик он а ик а Ст ро ит ел ьс тво Се и р льс ас кое те хо ни зя ев йс од тв ств о о
Пластмассы на биооснове производятся из возобновляемого сырья. Однако пластик на биооснове не обязательно должен быть биоразлагаемым. «Биобазированный» — это свойство материала и продукта. Пластмассы на
800
Источник: European Bioplastics / Nova-Institut
Благодаря наличию в почве грибков разложение оказывается еще более успешным. Так называемое индустриальное компостирование обеспечивает присутствие кислорода в процессе и более высокие температуры, что расширяет ассортимент поддающихся разложению полимеров и сокращает сроки.
тыс. т
5,3%
выражении почти вдвое больше биоразлагаемых. Данный факт позволяет предположить, что в настоящее время приоритетной задачей для экономики является все же замена нефти и газа, а не биоразложение. Существует также позиция, согласно которой выпуск биоразлагаемых пластиков мешает бороться с пластиковым мусором, так как биоразлагаемый пластик не подлежит вторичной переработке, при этом занимает малую часть производимых полимеров и «засоряет» объемы, подлежащие переработке. В ближайшее время, вероятно, повсеместно добавится дополнительный контейнер в системе раздельного сбора мусора – для биодеградируемых пластиков. Доклад был прочитан на выставке «Интерпластика-2019» в Москве. 49