BIOPOLYMERY i BIOTWORZYWA

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ MATERIAŁ INFORMACYJNO – EDUKACYJNY DLA NAUCZYCIELI i PRACOWNIKÓW LABORATORIÓW CHEMICZNYCH W SZKOŁACH PODSTAWOWYCH i ŚREDNICH

Maša Šprajcar, Petra Horvat, Andrej Kržan Instytut Chemii, Ljubljana BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

1

WSTĘP

SPIS TREŚCI Wstęp Cel Struktura opracowania

1 2 3 4

2 2 2

BIOTWORZYWA: ICH POCHODZENIE, TWORZENIE I ROZKŁAD

_____________________ 3

TWORZYWA Z ODNAWIALNYCH ZASOBÓW

_____________________ 14 BIODEGRADOWALNE TWORZYWA W CODZIENNYM ŻYCIU

_____________________ 23 PROPOZYCJE DOŚWIADCZEŃ

_____________________ 28

W 2010 roku wyprodukowano na całym świecie 265 milionów ton tworzyw, z tego 57 milionów w Europie [1]. Oczekuje się, że produkcja i zużycie materiałów polimerowych będzie rosnąć przynajmniej dopóki, ‘kraje rozwijające się’ nie osiągną takiego średniego poziomu zużycia jak obecnie reprezentują kraje rozwinięte.

Obecnie, około 80 % wszystkich materiałów polimerowych jest produkowanych przez przemysł petrochemiczny, co oznacza, że są one wytwarzane z zasobów kopalnych, czyli nieodnawialnych. Równolegle ze zwiększonym zużyciem tworzyw sztucznych, zwiększa się również obciążenie środowiska. Oprócz zwiększonego negatywnego obciążenia dla środowiska, spowodowanego przez samą zwiększoną produkcję tworzyw sztucznych i polimerów, środowisko naturalne jest coraz bardziej obciążone odpadami powstającymi w momencie, gdy użytkownicy wyrzucają produkty, które już nie są im potrzebne. Problem odpadów narastał od wielu lat przy rosnącym masowym zużywaniu produktów o krótkim okresie użytkowania, co wywołuje również szybki wzrost ilości generowanych odpadów. Wysypiska wykazują również szerokie negatywne oddziaływanie na środowisko (odcieki przesączające się do wód gruntowych, zapachy, niszczenie miejscowej fauny i flory, zanieczyszczenie gleby itp.) jak również, wymagają one dużej przestrzeni. Odpady z tworzyw sztucznych, które w taki lub inny sposób znajdują swoją ścieżkę do środowiska naturalnego stanowią oczywiście jeszcze większe zagrożenie. Powtórne użytkowanie względnie recykling stanowią dwie możliwe opcje zredukowania ilości odpadów lądujących na wysypiskach i związanym z tym obciążeniem środowiska. Biodegradowalne polimery lub produkowane z zasobów odnawialnych stanowią również jedną z możliwych alternatyw. Są to nowsze i mniej znane materiały, które stwarzają nadzieję na bardziej oszczędne wykorzystanie tworzyw w przyszłości. To właśnie te materiały stanowią temat niniejszej publikacji.

CEL Pierwsze tworzywa sztuczne, które uważane były za biodegradowalne, pokazały się na rynku ponad dwadzieścia lat temu. Ich pojawienie się nie przyniosło natychmiastowego sukcesu, przede wszystkim ze względu na słabe świadectwo ich rzeczywistego rozkładu biologicznego, to znaczy cechy, która była przedstawiana jako ich największa zaleta. [2].

Rozwój naukowy i technologiczny w dziedzinie biodegradowalności oraz polimerów wykazał od tego czasu znaczny postęp i dzisiaj można już kupować w większych sklepach sprawdzone produkty z tworzyw ulegające biodegradacji. W tym zakresie, kraje Europy Środkowej mogą być dumne z siebie, szczególnie w dziedzinie silnej bazy naukowej dotyczącej biopolimerów i biotworzyw, jednakże należałoby ją bardziej skutecznie wykorzystywać, również na skalę przemysłową.

Międzynarodowy projekt: PLASTiCE – Opracowanie innowacyjnego łańcucha wartości dla zrównoważonego rozwoju przemysłu tworzyw w krajach Europy Środkowej ma na celu promowanie nowych, bardziej przyjaznych dla środowiska i zrównoważonych rodzajów tworzyw sztucznych. Cechą szczególną tego projektu jest identyfikacja i eliminacja ograniczeń, które nie pozwalają krajom Europy Środkowej na szybsze i szersze wykorzystanie różnego rodzaju tworzyw, szczególnie tworzyw biodegradowalnych i tworzyw pochodzących z odnawialnych surowców (razem określanych jako biotworzywa).

Konkretne cele przedstawiają się następująco:  Większa świadomość grup docelowych na temat biotworzyw.  Usprawnienie mechanizmów transferu technologii oraz wymiana wiedzy pomiędzy przemysłowymi użytkownikami

na temat biodegradowalnych tworzyw.  Poprawa dostępu do nowości naukowych, wykorzystanie istniejącej wiedzy oraz jej dostosowanie do wymagań

producentów biodegradowalnych polimerów i tworzyw.  Wzmocnienie współpracy pomiędzy jednostkami badawczymi a przemysłem.

Więcej informacji na temat projektu i najnowsze wiadomości można znaleźć na stronie internetowej www.plastice.org, na Facebooku pod adresem: www.facebook.com/PlasticeSlovenia i na kanale YouTube dotyczącym projektu pod adresem www.youtube.com/user/plasticeproject - można tam znaleźć filmy video i nasze referaty.

Niniejsze studium jest ukierunkowane na nauczycieli chemii i pracowników laboratoryjnych w szkołach podstawowych i średnich. Ujmując to w całości, zawiera ono informację bezstronną i opartą na wiedzy z dziedziny biodegradowalnych tworzyw oraz tworzyw opartych na surowcach odnawialnych, która nadaje się do przekazania jej uczniom lub studentom.

W ten sposób, pragniemy podnieść świadomość wśród szerszego kręgu odbiorców i zaznajomić ich z możliwością wyboru stojącą przed nimi. Sukces przełomu spowodowanego wprowadzeniem na rynek biotworzyw oraz rozwój biopolimerów są zjawiskami nieodłącznymi z działaniami świadomych, myślących i krytycznych konsumentów, którzy zdają sobie sprawę, że mają możliwości wyboru i że poprzez ten wybór mogą współtworzyć przyszłość – swoją i swoich następców’.

STRUKTURA OPRACOWANIA Treść niniejszego materiału została podzielona na cztery rozdziały. Rozdział pierwszy wyjaśnia, krok po kroku, w jaki sposób polimery i tworzywa sztuczne powstają z monomerów. Wyjaśnia on różnicę pomiędzy tak zwanymi tworzywami konwencjonalnymi wytwarzanymi na bazie paliw kopalnych i samymi biotworzywami – czym one są, w jaki sposób się je uzyskuje i w jaki sposób odbywa się biodegradacja. Przedstawia on również, dlaczego biotworzywa stanowią istotną alternatywę dla tworzyw konwencjonalnych.

Rozdział drugi koncentruje się na tworzywach powstających z zasobów odnawialnych. Ta grupa tworzyw może – szczególnie w przyszłości – przyczynić się w sposób istotny do obniżenia zużycia paliw kopalnych i konsekwencji wynikających z ich użytkowania. Rozdział ten wyjaśnia również, dlaczego nie wszystkie tworzywa pochodzące z odnawialnych zasobów ulegają również biodegradacji.

Trzecia część jest poświęcona biotworzywom, na które konsumenci mogą się natknąć i które mogą wykorzystywać w swojej pracy lub w swoich domach. Rozdział ten opisuje wszystko, co można wytworzyć z biotworzyw oraz sposób postępowania po zakończeniu ich użytkowania. Opisuje on również znaki certyfikujące, które stanowią najlepszą gwarancję rzeczywistej charakterystyki tego materiału.

Na końcu każdego rozdziału umieszczone są kluczowe przesłania, które stanowią również krótkie podsumowanie każdej z tych części.

W rozdziale czwartym znajdziemy opis jednego krótkiego doświadczenia (możliwego do przeprowadzenia w sali lekcyjnej) oraz dwóch dłuższych doświadczeń (odpowiednich dla zajęć laboratoryjnych), które można przeprowadzić z uczniami, aby przybliżyć im wyobrażenie sobie, na czym polegają biotworzywa, jak łatwo mogą być one otrzymywane we własnym zakresie oraz jakie są różnice i podobieństwa w stosunku do tworzyw konwencjonalnych. Opisana jest również próba kompostowania, którą można przeprowadzić przez dłuższy okres czasu przekazując w ten sposób uczniom praktyczne zrozumienie pojęcia biodegradacji i kompostowania.

Na końcu tego opracowania zamieszczono glosariusz terminologii używanej w literaturze.

2

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

1

BIOTWORZYWA: ICH POCHODZENIE, TWORZENIE I ROZKŁAD BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

3

1

BIOTWORZYWA: ICH POCHODZENIE, TWORZENIE I ROZKŁAD

Siłę napędową ludzkiego rozwoju stanowi umysł i już od czasów starożytnych człowiek poszukiwał optymalnego sposobu zaspokojenia swoich potrzeb i ciekawości poprzez badania, które prowadziły do kolejnych odkryć i wynalazków począwszy od kamiennych narzędzi i ognia do nanomateriałów.

Gdzieś, na drodze od ognia do nanomateriałów, odkryto tworzywa sztuczne. Ludzie potrzebowali możliwie najbardziej trwałych materiałów. Początki tworzyw sztucznych sięgają roku 1869, gdy John Wesley Hyatt wynalazł nitrocelulozę, tworzywo zespolone, które początkowo wykorzystywano do kul bilardowych. Nitroceluloza (później znana pod nazwą handlową jako celuloid) była pierwszym przemysłowym tworzywem sztucznym.

Ironia procesu polegała na tym, że mniej niż półtora wieku później, stoimy wobec problemu zbyt dużej trwałości i alarmujących ilości odpadów z tworzyw w środowisku naturalnym. Przyjrzyjmy się temu, w jaki sposób tak pożądane początkowo cechy, które spowodowały powstanie pierwszych tworzyw sztucznych, stały się tak poważnym problemem i jaką drogę wyjścia z obecnego dylematu oferują nam biotworzywa.

SYNTETYCZNE POLIMERY I PROBLEMY STWARZANE PRZEZ NIE Materiały z tworzyw (popularnie zwane plastikami) zawierają jako kluczowy składnik syntetyczne polimery, charakteryzujące się dużą masą cząsteczkową. Dzięki prostemu procesowi przetwórczemu oraz dużej ilości możliwości wytwarzania po niskim koszcie produktów, które podnoszą jakość i komfort życia, materiały polimerowe skutecznie podbiły globalne rynki. Każdy z nas spotyka się codziennie z szeroką gamą materiałów i produktów z tworzyw sztucznych, ponieważ materiały polimerowe, z racji ich zdumiewającej różnorodności cechują się niewiarygodnie szeroką gamą charakterystycznych cech i możliwości zastosowań. Żywność zakupywana przez nas w sklepach jest pakowana w różnego rodzaju tworzywa, jak również produkty służące higienie osobistej, sprzęt sportowy produkowany z tworzyw, zabawki dziecinne, materiały biurowe, sprzęt kuchenny itp.

Ze względu na wyjątkowy wzrost produkcji i zastosowań polimerów, powstaje i narasta problem konsekwencji wynikających ze stosowania produktów z tworzyw oraz gospodarki tymi tworzywami, w momencie, gdy stają się one odpadami. Obawy koncentrują się na potencjalnym wpływie tworzyw sztucznych na ludzkie zdrowie oraz na szkodach, które mogą one wyrządzić środowisku naturalnemu. Prawie wszystkie tworzywa sztuczne stanowią dzisiaj produkt syntezy z surowców pochodzących z paliw kopalnych, poprzez przemysł petrochemiczny.

Ocieplenie globalne wiąże się z eksploatacją paliw kopalnych, co oznacza jednoczesne wyczerpywanie cennych nieodnawialnych zasobów tych materiałów. Ponadto, część tworzyw sztucznych znajduje swoją ścieżkę do środowiska naturalnego, gdzie stanowią one trwałe ciała obce, gdyż składają się na nie sztucznie syntetyzowane polimery, które normalnie nie występują w przyrodzie. Jako takie, stanowią one źródło organicznych zanieczyszczeń uwalnianych do powietrza atmosferycznego i wchodzących w ten sposób w łańcuch pokarmowy.

Ponieważ korzystaliśmy z takiej ilości tworzyw „tylko” przez ostatnie kilka dekad, zakres tego wpływu i potencjalne niebezpieczeństwa nie są nawet dotychczas znane. Jest rzeczą nie do podważenia, jednakże, że do środowiska naturalnego trafia obecnie znacznie większa ilość materiałów i substancji, których dotychczas tam nie było i do których przyroda się na drodze ewolucji nie dostosowała. Plastiki (podobnie jak i inne odpady) nie tylko są plagą z racji krajobrazowych, ale również jakieś organizmy mogą je przypadkowo wchłaniać, ale również mogą się w nie zaplątać lub zadławić się nimi.

Nie jest już żadnym odkryciem, że w Pacyfiku pływa olbrzymia ilość odpadów z tworzyw, która pokrywa powierzchnię równą dwukrotnej powierzchni kontynentalnej części Stanów Zjednoczonych. W 2006 roku, Program Środowiskowy Narodów Zjednoczonych ocenił, że każda mila kwadratowa oceanu zawiera 46.000 sztuk pływających kawałków tworzyw. Ponieważ tworzywa rozkładają się powoli w środowisku naturalnym, głównie z racji czynników martwych, one przede wszystkim tam akumulują się i nie możemy uniknąć problemu ich obecności. Najnowsze badania wykazują, że problem ten występuje we wszystkich morzach i oceanach na świecie. W 2010 roku, wyprodukowano na świecie 265 milionów ton tworzyw sztucznych, z czego 57 milionów w Europie [Plastics Europe, 2010]. W tym samym roku, wyprodukowano na świecie łącznie 724.500 ton biotworzyw, co stanowi nieznaczny ułamek w stosunku tworzyw konwencjonalnych wyprodukowanych w tym samym roku. [3] Przewiduje się, że produkcja polimerów osiągnie w ciągu kilku lat poziom jednego miliona ton rocznie.

Jeżeli początkowo trwałość uważano za jedną z głównych zalet tworzyw, obecnie stojący przed nami problem olbrzymiej ilości odpadów z tworzyw powoduje, że nie jest to już uważane za cechę pozytywną, ale jako własność, którą należy ominąć, ale o ile to możliwe nie kosztem utraty innych pozytywnych cech.

Podczas gdy recykling i spalanie stanowią alternatywne rozwiązania wobec odkładania odpadów na wysypiskach, mają one oczywiście również i swoje słabe strony. Recykling odpadów powoduje pogorszenie ich jakości jak również ich gromadzenie może podnosić koszty. Recykling, oczywiście, wpływa na lepsze wykorzystanie materiału, (ponieważ korzystamy z tego samego materiału więcej razy), ale nie można z niego korzystać w nieskończoność, co oznacza, że w końcu staniemy przed odpadami, które wymagają „ostatecznej” obróbki. Spalarnie oznaczają sensowne wykorzystanie energii z materiału po wykorzystaniu innych jego cech użytkowych, ale w wypadku, gdy nie są to zakłady zaawansowane technologicznie lub niewłaściwie eksploatowane (na przykład spalanie w zbyt niskich temperaturach), mogą one uwalniać do środowiska naturalnego substancje toksyczne.

Zgodnie z opinią specjalistów, biodegradowalne polimery stanowią główną alternatywę w rozwiązywaniu tych problemów. Zasada tego podejścia polega na modelowaniu naturalnych procesów mające na celu coraz głębszą integrację syntetycznych polimerów i tworzyw z naturalnymi materiałami i układami energetycznymi. W oparciu o nowoczesne zrozumienie korelacji pomiędzy strukturą i własnościami polimerów oraz wiedzą na temat działania naturalnych procesów, opracowano takie materiały, które łączą oczekiwane własności tworzyw, umożliwiają skuteczne ich przetwórstwo oraz wykorzystanie produktów a jednocześnie – są one biodegradowalne.

4

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

(BIODEGRADOWALNE) POLIMERY I TWORZYWA Polimery (z greckiego: poli = wiele, meros = cząstki) są to związki o dużej masie cząsteczkowej, zbudowane na zasadzie usieciowania, trwałych podstawowych elementów strukturalnych, zwanych monomerami. W uproszczeniu, mogą być one porównane do naszyjnika z perłami – każda perła reprezentuje jeden monomer, kilka dziesiątków pereł jest nanizanych na naszyjnik a naszyjnik ten tworzy polimer. Również możemy uznać, że spinacz do papierów może odpowiadać monomerowi, a polimer – jest to łańcuch tych spinaczy, gdy połączymy je z sobą.

MONOMER

M

M

M

M M

POLIMER

M

M

M

M

M

Rys. 1: Proste wyjaśnienie związku między monomerem a polimerem Istnieje wiele przykładów polimerów, które są szalenie istotne dla naszego życia, na przykład DNA, w którym jednostkę monomerową stanowi nukleotyd, białko, które produkuje enzymy oraz nasze mięśnie, które składają się z aminokwasów. Polimerem jest również celuloza, istotny składnik drewna oraz skrobia – rezerwa energetyczna roślin, którą można znaleźć na przykład w ziemniakach i w zbożu, ich jednostką monomerową jest glukoza.

Tworzywa sztuczne jest to materiał stworzony i wykorzystywany do użytkowania. Głównym składnikiem tworzyw są polimery z dodatkiem wypełniaczy (organicznych lub nieorganicznych), pigmentów, smarów, inhibitorów utleniania itp. Istnieje szereg różnych tworzyw sztucznych.

Kluczem jest dobór polimerów, na których są one oparte. PET (politereftalan etylenu), z którego produkuje się prawie wszystkie butelki na wodę i inne płyny, jest materiałem dobrze znanym wszystkim. Równie często spotykany jest polipropylen (PP), z którego wykonuje się części samochodowe, obudowy dla artykułów gospodarstwa domowego oraz rury na gorącą wodę; oraz polistyren (PS), który jest wykorzystywany dla opakowań kosmetyków i farmaceutyków oraz do produkcji sztućców; polietylen (PE) – worki, zabawki, kable, pokrywki, itp. Wymienione wyżej rodzaje tworzyw są bardzo rozpowszechnione i stanowią one około 75 % wszystkich wytwarzanych tworzyw sztucznych. Widzimy, że wszystkie te nazwy zawierają prefiks poli-, który wskazuje, że jest to materiał polimerowy, składający się z jednostek monomerowych

MONOMER MONOMER

POLIMER POLIMER

MONOMER

POLIMER

TWORZYWA

POLIMER

Spójrzmy bardziej szczegółowo na reakcje chemiczne, które są konieczne dla tworzenia się polimerów. Poprzez łączenie kilku aminokwasów (AA), tworzy się białko (polimer). Jest to proces kondensacji, w którym w trakcie reakcji jest oddzielana woda. Reakcja przebiega również w kierunku odwrotnym; gdzie poprzez hydrolizę (wiązanie z wodą) białka otrzymuje się aminokwasy.

-H2O kondensacja

... + AA + AA + AA + ...

PROTEIN +H20 hydroliza

Przez polimeryzację tworzy się również polietylen, wskutek polimeryzacji wzrostu łańcucha, gdzie monomery łączą się poprzez ich sprzęganie.

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

5

1

BIOTWORZYWA: ICH POCHODZENIE, TWORZENIE I ROZKŁAD

ETYLEN POLYETILEN

Rys. 2: Polimeryzacja etylenu – tworzenie się polietylenu Przyjrzyjmy się, w jaki sposób powstaje jeden z najbardziej znanych poliestrów – politereftalan etylenu, znany pod nazwą PET. Najpierw wyjaśnimy powstawanie estrów.

Estry są to związki zawierające funkcjonalną grupę estrów – COO – która jest związana z obydwu stron z losową grupą organiczną (R-COO-R1). Estry powstają w procesie estryfikacji.

Jest to reakcja pomiędzy kwasem karboksylowym a alkoholem. Reakcja ta występuje zazwyczaj w obecności silnego kwasu (takiego jak H2SO4) jako katalizatora.

KWAS KARBOKSYLOWY

ALKOHOL

ESTER

WODA

Rys. 3: Tworzenie się estrów Hydroliza estrów jest to reakcja estru z wodą, w czasie, której molekuła dzieli się i tworzy się kwas karboksylowy i alkohol, to znaczy elementy, które tworzą ester ( jest to proces analogiczny do procesu hydrolizy białka – białka są to ‘inteligentne chemicznie’ poliamidy, powiązane z grupą amidową).

-H2O estryfikacja

Kwas karboksylowy + Alkohol

Ester +H20 hydroliza

Poliestry są produktem reakcji polikondensacji. Są one pochodnymi monomerów, w których normalnie oddziela się woda. Kluczową cechą monomeru, z którego możemy je zrobić, są przynajmniej dwie grupy funkcjonalne, które mogą tworzyć przynajmniej dwa wiązania.

Tylko w ten sposób może powstać łańcuch polimerowy.

KWAS TEREFTALOWY

GLIKOL ETYLENOWY

POLI(TEREFTALAN ETYLENU)

Rys. 4: Estryfikacja: Powstawanie poli(tereftalanu etylenu) – PET

6

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

Żyjące organizmy syntetyzują w procesach organicznych różne polimery, których potrzebują dla spełniania różnych funkcji, jako nośniki informacji genetycznej (DNA), materiał nadający sztywność ściankom komórkowym (celuloza), substancje gromadzące energię (w niektórych mikroorganizmach, poliester) itp. Oprócz polimerów naturalnych istnieją jeszcze liczne polimery syntetyczne, które są w swojej zasadzie mniej więcej podobne do polimerów naturalnych, ale są wytwarzane sztucznie przez człowieka a nie istnieją jako takie w przyrodzie. Grupa ta obejmuje prawie wszystkie tworzywa sztuczne, których używamy.

Podział polimerów według ich pochodzenia wygląda, więc następująco: 1) POLIMERY NATURALNE 2) POLIMERY SZTUCZNE / SYNTETYCZNE

POLIMERY POCHODZENIA NATURALNEGO Większość świata ożywionego oparta jest na polimerach. Można je znaleźć u zwierząt (węglowodory, białka, tłuszcze, kwasy nukleinowe itp.), roślin (na przykład celuloza, oleje, skrobie, nawet poliestry) jak również w niższych organizmach.

Polimery naturalne powstają w cyklach wzrostu komórek żywych organizmów. Ich synteza obejmuje reakcje polimeryzacji aktywowanych monomerów wspomaganą katalityczne przez enzymy, która pojawia się w komórkach jako produkt skomplikowanych procesów metabolicznych. Dla materiałów naturalnych oznacza to, że mogą one również ulegać naturalnemu rozkładowi. Wszystkie naturalne polimery reprezentuję nagromadzoną energię i materię, która jest poprzez rozkład (metabolizm) uwalniana i udostępniona do ponownego użytku. Dlatego więc, w przyrodzie istnieją enzymatyczne systemy rozkładu polimerów naturalnych. Koncept ten obejmuje również spożywanie przez nas żywności, która składa się głównie z biopolimerów. Oczywiście, proces ten przebiega również wewnętrznie – w okresie nadmiaru - organizm syntetyzuje polimery, w czasie niedoboru – konsumuje je. Taki jest na przykład cel nadmiaru tłuszczu w naszych ciałach.

Istnieją niewidzialne, ale zazwyczaj obecne i cały czas aktywne czynniki dezintegrujące naturalne materiały organiczne – są to mikroorganizmy (bakterie, grzyby, algi). Mikroorganizmy te przystosowały się na drodze ewolucji do naturalnych polimerów, jak również do innych (o małej masie cząsteczkowej) naturalnych substancji i wypracowały swoiste metody metabolizmu. Mogą one znowu rozkładać polimery na ich podstawowe bloki. Niektóre z naturalnych polimerów to celuloza, lignina, skrobia, chityna, pektyna, agar,….

POLIMERY POCHODZENIA SZTUCZNEGO Polimery poprzez biosyntezę są tworzone w sposób identyczny jak robi to natura. Wiele mikroorganizmów w przyrodzie, na przykład, syntetyzuje poliester jako substancję służącą do magazynowania energii. Na skalę przemysłową jest to fermentacja cukru (glukoza) pod wpływem mikroorganizmów i w optymalnych warunkach, dla zapewnienie efektywnego tworzenia dużej ilości poliestru. Jest to, więc naturalny polimer, ale jego wytwarzanie jest ściśle kontrolowane, uważamy, więc, że źródło tego jest sztuczne.

Chemosyntetyczne polimery pochodzą zazwyczaj z ropy. Są to polimery, które nie występują jako takie w przyrodzie, dlatego wiec, gdy na koniec lądują w środowisku naturalnym, stanowią one trwałe ciało obce, ponieważ nie mogą włączyć się do cyklu naturalnego. Ocenia się, że że wyrzucona butelka z tworzywa przetrwa w naturalnym środowisku 450 lat.

Wśród tych polimerów, można osiągnąć ich rozpad poprzez integrację hydrolitycznie niestabilnych więzów w polimerze. (na przykład grupy estrowe, amidowe, ...).

Według źródła pochodzenia, biotworzywa mogą być podzielone w sposób następujący: 1. biotworzywa pochodzące z zasobów odnawialnych, 2. biotworzywa ze źródeł kopalnych 3. biotworzywa pochodzące częściowo ze źródeł odnawialnych a częściowo kopalnych, a z punktu widzenia ich podatności na rozpad można je podzielić na tworzywa biodegradowalne, obejmujące również tworzywa nadające się do kompostowania oraz tworzywa, które NIE są biodegradowalne. Poprzez połączenie tych dwóch kryteriów, pochodzenia materiału oraz jego zdolności do rozkładu, mamy 6 opcji przedstawionych na poniższym rysunku.

ŹRÓDŁA

ROZKŁADALNE BIOROZKŁADALNE

KOPALNE NIE-BIOROZKŁADALNE BIOROZKŁADALNE BIOTWORZYWAA

KOPALNE + ODNAWIALNE

Przy rozpatrywaniu definicji biotworzyw, szybko zdamy sobie sprawę, że na tym schemacie mamy intruza.

Z sześciu możliwych rodzajów jest tylko jedno, które nie należy do biotworzyw. Jest to tworzywo wytwarzane z zasobów kopalnych i nie ulega rozkładowi. Chociaż ten rodzaj tworzywa stanowi tylko jedną z sześciu możliwych kombinacji, przewyższa on zdecydowanie inne biotworzywa, jeżeli chodzi o ich wykorzystanie i dystrybucję na rynku.

NIE-BIOROZKŁADALNE BIOROZKŁADALNE ODNAWIALNE NIE-BIOROZKŁADALNE Rys. 5: Podział biotworzyw według źródła ich pochodzenia i podatności na biodegradację

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

7

1

BIOTWORZYWA: ICH POCHODZENIE, TWORZENIE I ROZKŁAD

Definicja – uznana dzisiaj i której się najczęściej używa – określa biotworzywa jako tworzywa biodegradowalne i / lub tworzywa z odnawialnych źródeł. [3]. Definicja ta jest stosowana w przemyśle i wskazuje, że biotworzywa niekoniecznie podlegają rozkładowi. Zgodnie z tą definicją, biotworzywa obejmują również tworzywa, które nie są biodegradowalne, ale które są wytwarzane z odnawialnych zasobów. Dla lepszego zrozumienia tego problemu, trzeba się odnieść do poniższego systemu współrzędnych.

TWORZYWA BIODEGRADOWALNE

TWORZYWA Z ODNAWIALNYCH ZASOBÓW

BIOTWORZYWA Rys. 6: Europejska definicja biotworzyw

Zasoby odnawialne

Tworzywa BIODEGRADOWALNE Z ZASOBÓW ODNAWIALNYCH

BIOPOLIMERY np. biopolietylen PE

BIOPOLIMERY np. tworzywa oparte na kwasie mlekowym, skrobi, polialkanolanie

NIE-BIODEGRADOWALNE

BIODEGRADOWALNE POLIMERY KONWENCJONALNE np. PET, PE, PS, PP …

BIOPOLIMERY np. PCL (polikaprolacton), PBAT poli[(1,4-butyleno tereftlan)-ko(1,4-butyleno adypinian)] BIODEGRADOWALNE

NIEODNAWIALNE ZASOBY PALIWA KOPALNE

Rys.7: “System współrzędnych” tworzyw Dla realizacji takich celów jak zrównoważony rozwój oraz ograniczenie wpływu na środowisko naturalne, biodegradowalne tworzywa z odnawialnych zasobów stanowią logicznie najlepszą możliwość, ale musimy zrobić wszystko, co jest w naszej mocy, aby zoptymalizować wykorzystanie tworzyw nie podlegających biodegradacji pochodzących z nieodnawialnych zasobów.

W tym punkcie chcielibyśmy wyjaśnić koncepcję (nie)odnawialnych zasobów. Wśród zasobów odnawialnych są takie, które mają naturalne pochodzenie, ale ich ilość nie zmniejsza się z racji ich używania przez człowieka, gdyż stosunkowo szybko odbudowują się one poprzez procesy naturalne. Obejmują one energię wiatrową, słoneczną, geotermalną, energię fal i pływów, biomasę,... Nawet paliwa kopalne stanowią zasadniczo naturalne zasoby – utworzone z martwych organizmów. Problem polega na tym, że paliwa kopalne powstawały na przestrzeni milionów lat,

8

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

podczas gdy ludzie zaczęli je użytkować na przestrzeni stuleci. Z perspektywy ludzkiego życia, ropa, i gaz ziemny są, więc nieodnawialnymi zasobami, gdyż nie możemy na nie spoglądać poprzez pryzmat geologicznego wieku naszej Planety. Ze względu na tempo eksploatacji paliw kopalnych przez człowieka – pierwiastek węgiel, który powstawał przez miliony lat, jest uwalniany w przyspieszonym tempie (na przestrzeni dekad i stuleci) i przez długi czas nie zostanie ponownie związany. Dlatego więc, nie istnieje możliwość, że na przestrzeni ludzkiego życia, powstanie tak dużo paliw kopalnych jak się ich obecnie zużywa. My, jako gatunek ludzki, zostaliśmy zaangażowani w naturalny cykl, ale nie kierujemy się jego naturalnymi własnościami. Przy naszym dużym uzależnieniu od paliw kopalnych, czerpiemy z rezerw Ziemi, ale ich nie zastępujemy. Nie zostawiamy, więc przyszłym pokoleniom takich samych możliwości korzystania z tych zasobów. Dlatego więc, paliwa kopalne są uważane za zasoby nieodnawialne. Nikt nie wie dokładnie przez ile lat możemy jeszcze polegać na zasobach paliw kopalnych, ale większość specjalistów zgadza się, że w którymś momencie ich po prostu zabraknie, to znaczy, że ludzkość całkowicie wyczerpie te zasoby naturalne.

Ponadto, oprócz faktu, że nie możemy w nieskończoność eksploatować paliw kopalnych, ich spalanie powoduje emisję do środowiska dużych ilości dwutlenku węgla. Jest to jeden z głównych gazów cieplarnianych, obwinianych za ogrzewanie atmosfery ziemskiej oraz związane z tym zmiany klimatu.Korzyści ze stosowania biotworzyw są w sposób uproszczony przedstawione na poniższym wykresie:

BIOMASA

CO2

NIE BIODEGRADOWALNE - STULECIA

T LA

L

KI

TWORZYWA SZTUCZNE

KA

MILIONY LAT

TWORZYWA BIODEGRADOWALNE KILKA DEKAD

KILKA DEKAD

KILKA LAT

ZASOBY KOPALNE

Rys. 8: Racjonalne wykorzystanie biotworzyw Poprzez unikanie korzystania z paliw kopalnych obracamy się w trójkącie: BIOMASA TWORZYWA SZTUCZNE – CO2 i pozostajemy w naszej własnej skali czasu.

ROZKŁAD BIOLOGICZNY Biodegradowalność jest specyficzną cechą niektórych tworzyw sztucznych lub polimerów, z których składają się tworzywa; rozkład biologiczny lub w skrócie, biodegradacja, opisuje proces rozkładu materiału polimerowego pod wpływem czynników biotycznych (żyjących).

Proces biodegradacji jest oparty na fakcie, że organizmy, głównie mikroorganizmy, (bakterie, grzyby i algi) identyfikują polimer jako źródło organicznych bloków budowy (na przykład cukry proste, aminokwasy itp...) oraz źródło energii, której potrzebują dla życia. Ujmując to w sposób prosty, biodegradowalne polimery stanowią pożywienie dla mikroorganizmów. Polimer reaguje chemicznie pod wpływem albo komórkowych lub pozakomórkowych enzymów, które powodują podział łańcucha polimerowego. Proces ten może się odbywać pod wpływem różnych enzymów i stopniowo prowadzi do mniejszych molekuł. Te molekuły wchodzą w procesy metaboliczne, które odbywają się wewnątrz komórek (na przykład cykl Krebsa) i równolegle z emisją energii są przetwarzane na wodę, dwutlenek węgla, biomasę oraz inne produkty konwersji biologicznej. Charakterystyczną cechą produktów rozkładu jest to, że nie są one toksyczne i występują dość często w środowisku naturalnym jak również w żyjących organizmach. Sztuczny materiał (np. tworzywa) jest w ten sposób przetwarzany na elementy, które normalnie występują w przyrodzie. Proces przetwarzania węgla organicznego (w naszym przypadku polimeru), na węgiel nieorganiczny – np. dwutlenek węgla, jest nazywany mineralizacją.

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

9

1

BIOTWORZYWA: ICH POCHODZENIE, TWORZENIE I ROZKŁAD

BIODEGRADOWALNOŚĆ Pomimo faktu, że chcemy na ile to możliwe wyprodukować tworzywa maksymalnie biodegradowalne z odnawialnych zasobów, faktem jest, że podatność polimerów lub tworzyw na biodegradację zależy wyłącznie od budowy chemicznej polimeru. Dla samej biodegradowalności nie ma znaczenia, czy polimer pochodzi z zasobów odnawialnych (biomasy) czy też nieodnawialnych (paliwa kopalne), but zależy to tylko od tego jak wygląda końcowa struktura. Biodegradowalne polimery mogą, więc pochodzić z zasobów zarówno odnawialnych jak i nieodnawialnych. Bardzo często błędnie zakłada się, że wszystkie biodegradowalne polimery pochodzą z zasobów odnawialnych.

SPOSÓB PRODUKCJI RODZAJE BIOTWORZYW Sposób, w jaki tworzywa są wytwarzane również nie wpływa w ogóle na biodegradowalność.

Mogą to być procedury syntetyczne (chemiczne) lub biotechnologiczne (pod wpływem enzymów lub mikroorganizmów), z których najczęściej występują następujące metody: przygotowanie tworzyw na bazie naturalnego polimeru, przetwarzanego mechanicznie lub chemicznie (na przykład tworzywa z rozbitej skrobi); synteza chemiczna polimeru opartego na monomerze, uzyskana przez biotechnologiczne przetworzenie zasobów odnawialnych (na przykład wykorzystanie kwasu mlekowego z fermentacji cukrów dla produkcji kwasu poli(kwasu mlekowego) (polilaktyd, PLA)). W tym przypadku, polimer jest wytwarzany chemicznie na bazie odnawialnych źródeł energii; polimer, pochodzący z biotechnologicznej procedury oparty na odnawialnych zasobach (na przykład, fermentacja cukrów, w trakcie której naturalne mikroorganizmy syntetyzują termoplastyczne alifatyczne poliestry, na przykład wielowodorotlenowy maślan); synteza chemiczna polimeru oparta na budowie bloków, uzyskana przez procesy (petro) chemiczne z nieodnawialnych zasobów.

Obecnie, komercyjne biodegradowalne tworzywa na otwartym rynku są oferowane przez coraz większą ilość producentów. Chociaż istnieje szereg dostępnych materiałów, najczęściej należą one do jednej z poniższych grup: tworzywa oparte na skrobi; tworzywa oparte na kwasie polimlekowym (polilaktyd, kwas poli(kwas mlekowy), PLA); tworzywa oparte na polihydroksyalkaniany alkanolanach (PHA’s: PHB, PHBV itp..) tworzywa oparte na alifatyczno-aromatycznych poliestrach; tworzywa oparte na celulozie (celofan itp..) tworzywa oparte na ligninie.

Tworzywa zawierają oprócz polimerów inne materiały i substancje oraz dodatki, które wspólnie decydują o możliwości przetwarzania i o ostatecznej charakterystyce produktu. Mogą to być dodatki służące do stabilizacji materiałów, smary, pigment, różne wypełniacze i inne. Chociaż dodatki te stanowią niewielki procent wszystkich materiałów w tworzywie, szalenie ważne dla biodegradowalnych tworzyw jest, aby wszystkie one były również biodegradowalne. Zgodnie z normami dotyczącymi tworzyw kompostowalnych, konieczne jest przetestowanie każdego dodatku, jak również innych substancji obecnych w końcowym produkcie (np. barwniki do drukowania). Dla składników, których udział wynosi poniżej 1 %, ich kompostowalność nie jest istotna, a łączny udział tych składników nie może przekroczyć wielkości 5 %. Materiały nie mogą przekraczać dopuszczalnej zawartości metali ciężkich i nie mogą również niekorzystnie wpływać na jakość kompostu.

BIOKOMPOZYTY Są również dostępne różne kompozyty zawierające składniki naturalne (często zwane biokompozytami). Kompozyt stanowi mieszaniną podstawowego polimeru lub tworzywa oraz wypełniaczy, które poprawiają chemiczne lub mechaniczne własności materiału albo obniżają jego cenę. W biokompozytach spotykamy różne naturalne włókna (np. konopie) lub wypełniacze, takie jak najczęściej spotykana mączka drzewna. Niezmodyfikowane naturalne wypełniacze są z definicji biodegradowalne, jak również podstawowy polimer (np. polilaktyd wypełniony naturalnymi włóknami), aby móc powiedzieć, że biokompozyt jest biodegradowalny.

Błędem jest myślenie, że ponieważ materiał zawiera naturalne wypełniacze (np. skrobię lub mączkę drzewną), materiał niebiodegradowalny stanie się biodegradowalny. Nieorganiczne wypełniacze nie są, oczywiście biodegradowalne i dlatego warunek biodegradowalności nie odnosi się do nich.

10

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

BIODEGRADACJA Co dzieje się, gdy biodegradowalne produkty nie są już potrzebne i trafiają one we właściwy sposób do strumienia odpadów?

Biodegradowalne polimery stanowią pożywienie dla mikroorganizmów. Biologiczny rozkład odbywa się pod wpływem różnych mikroorganizmów, które dzięki posiadanym przez nie enzymom mogą rozkładać polimery. W trakcie procesów metabolicznych, biodegradowalne polimery w swoim końcowym etapie, w warunkach tlenowych, są przetwarzane na wodę, dwutlenek węgla i biomasę; w warunkach beztlenowych na metan, wodę i biomasę. Cechą charakterystyczną tych końcowych produktów procesu rozpadu jest to, że nie są one toksyczne i występują normalnie w przyrodzie jak również w żywych organizmach.

MIKROORGANIZMY BIODEGRADOWALNY POLIMER

CO2

+

H2O

+

BIOMASA

ENZYMY

Proces rozkładu zaczyna się od fragmentacji w trakcie, której materiał pod wpływem zarówno żywych jak i nieżywych czynników, mechanicznie ulega dezintegracji, a te zdezintegrowane produkty podlegają w kolejnej fazie mineralizacji, pod wpływem mikroorganizmów. Druga faza stanowi zasadniczy krok, który musi się zdarzyć aby można było mówić o biodegradacji, ponieważ tylko w tej fazie występuje metabolizm częściowo zdegradowanych fragmentów polimeru na końcowe produkty.

FRAGMENTACJA + MINERALIZACJA = BIODEGRADACJA Wskutek kombinacji wielu różnych struktur polimerów, dużej ilości enzymów wytwarzanych przez mikroorganizmy oraz różnorodności warunków reakcji, proces biodegradacji nie może być opisany jednoznacznie. W zasadzie, reakcje mogą być podzielone na takie, w których występuje zjawisko utleniania (utlenianie jest to reakcja chemiczna - zarówno spalanie jak i korozja są procesami utleniania; substancje podlegające utlenianiu emitują elektrony, w tym procesie może wystąpić, na przykład, łączenie się z tlenem lub emisja wodoru) i te, w których występuje hydroliza (reakcja chemiczna, w której związek reaguje z molekułami wody i ulega rozpadowi na małe cząstki). Reakcje te mogą przebiegać jednocześnie lub sukcesywnie.

Na poziomie makroskopowym, rozkład objawia się jako zmieniające się i pogarszające kluczowe własności materiału. Zmiany te są głównie konsekwencją skrócenia łańcucha polimerowego, który definiuje charakterystykę polimeru lub tworzywa. Skrócenie łańcucha polimerowego objawia się na zewnątrz utratą własności mechanicznych, takich jak np. wytrzymałość na rozciąganie, przyczepność i wytrzymałość na zginanie. Dla użytkowników, zjawisko rozkładu w postaci utraty własności mechanicznych, jest łatwo zauważalne poprzez utratę nośności i szybką lub prostą dezintegrację materiału. Proces ten może zachodzić pod wpływem czynników abiotycznych (np. światło ultrafioletowe, ciepło, woda) lub biotycznych (procesy enzymatyczne).

Monitorowanie ostatniego kroku biodegradacji jest oparte na określeniu stopnia mineralizacji. Ponieważ w trakcie metabolizmu tlenowego, węgiel organiczny jest przetwarzany na dwutlenek węgla, najczęstszą metodą śledzenia tej fazy jest pomiar ilości dwutlenku węgla, powstającego w zamkniętym systemie.

Dla zapewnienia właściwej pracy, konieczne jest zachowanie w zamkniętym systemie, żyjącej kultury mikroorganizmów i właściwych warunków (wilgotność, temperatura, pH, brak substancji toksycznych) dla ich istnienia. W tym procesie, ze znanej masy dodanego polimeru, którego skład znamy, znajdujemy proporcję lub ilość węgla, którą on zawiera, i wtedy – poprzez dokładny pomiar – dowiadujemy się, jaka ilość tego węgla została przetworzona w procesie biodegradacji, na dwutlenek węgla. W swojej zasadzie jest to ten sam proces, przez który osoba trawiąca pożywienie nabywa energię i wydziela dwutlenek węgla.

Ponieważ metoda jest generalnie akceptowana jako podstawa określania biodegradowalności, dostępne są teraz automatyczne urządzenia (respirometry), które określają z dużą dokładnością, ostateczną biodegradowalność tlenową oraz rozkład materiałów polimerowych w kontrolowanych warunkach kompostowania.

Istnieje wiele mikroorganizmów zdolnych do biologicznego rozkładania polimerów. Istnieją pomiędzy nimi znaczne różnice, ponieważ są one aktywne w bardzo różnych warunkach (wilgoć, pH, temperatura) i są mniej lub bardziej wyspecjalizowane w rozkładaniu różnego podłoża (substancja, którą rozłożą mikroorganizmy poprzez działanie enzymu lub mieszaniny enzymów – „pokarm” dla mikroorganizmów).

To ostatnie zjawisko jest również związane z rodzajem zastosowanego systemu enzymowego, ponieważ określa ono, co można rozłożyć. Przykładem tego typu specjalizacji są grzyby white-rot, które w naturze między innymi rozkładają ligninę, przy wykorzystaniu enzymów oksydazowych, które katalizują proces utleniania.

Przy sprawdzaniu, z reguły wykorzystujemy mikroorganizmy spotykane w naturze lub w niektórych miejscach, gdzie jest wzmożona aktywność mikrobiologiczna (np. kompost, oczyszczalnie ścieków) lub miejsca, gdzie występują materiały, które chcielibyśmy rozłożyć (np. produkcja). Należy się spodziewać, że

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

11

1

BIOTWORZYWA: ICH POCHODZENIE, TWORZENIE I ROZKŁAD

w tych miejscach występują mikroorganizmy, przystosowane do nowego podłoża i w ten sposób następuje naturalna selekcja. Praca ze starannie wyselekcjonowanymi mikroorganizmami była dotychczas ograniczona do badań laboratoryjnych, ponieważ do praktycznych zastosowań (np. kompostowania) zamierza się wykorzystywać działanie grup naturalnych i stabilnych.

TRWANIE BIODEGRADACJI I RYZYKO DOSTANIA SIĘ TWORZYW DO PRZYRODY Jeżeli główna zaletą biodegradowalnych tworzyw jest ich mniejsza trwałość w środowisku naturalnym, logiczne jest pytanie jak długo będzie trwała biodegradacja? W zasadzie można przewidywać, że materiał organiczny pod łącznym wpływem środowiska naturalnego i mikroorganizmów ulegnie z czasem rozkładowi mechanicznemu i chemicznemu. W kategorii potencjału rozprzestrzeniania się produktów rozkładu w środowisku naturalnym i przydatności produktów z tworzyw, które muszą wykazywać takie cechy, jak obciążalność, odporność na wodę itp. – istotne jest, żeby znać skalę czasową ich rozkładu i mineralizacji. Znajomość czasu biodegradacji wpływa na sposób obróbki materiału, gdy staje się on odpadem.

Właściwa gospodarka odpadami z biodegradowalnych tworzyw polega na rozkładzie w warunkach tlenowych lub beztlenowych. W procesie rozkładu w warunkach tlenowych (w obecności powietrza), substancja organiczna jest przetwarzana – z pomocą mikroorganizmów tlenowych – na CO2, wodę oraz biomasę; w procesie rozkładu beztlenowego (przy braku powietrza), substancja organiczna – jest przetwarzana – z pomocą mikroorganizmów beztlenowych na CH4 i CO2 (biogaz), ślady H2 i H2S oraz biomasę.

Prędkość przebiegu biodegradacji jest, więc bardzo istotna dla tworzywa nadającego się do kompostowania (tworzywa kompostowalne). Należy zauważyć, że tylko niektóre biodegradowalne tworzywa nadają się do kompostowania w domowych pryzmach kompostowych (razem z odpadami spożywczymi i innymi odpadami domowymi pochodzenia organicznego). Tworzywa takie są oznaczone znakiem certyfikacji, który bez wątpliwości wskazuje, że jest to produkt nadający się do domowego kompostowania, które przebiega w dużo niższej temperaturze niż w wypadku kompostowania przemysłowego.

Większość biodegradowalnych tworzyw rozkłada się w czasie procesu kompostowania przemysłowego. Tworzywa kompostowalne nie wprowadzają do kompostu substancji toksycznych.

Kompostowanie przemysłowe jest to proces w trakcie, którego następuje przemiana biodegradowalnych odpadów w stabilne i higieniczne produkty, które są następnie wykorzystywane w rolnictwie [3]. Kompostowanie przemysłowe odbywa się w wyższych temperaturach niż kompostowanie domowe; temperatura pryzm kompostowych musi być wyższa niż 60 °C, przynajmniej przez okres jednego tygodnia, aby pozbyć się czynników patogenicznych [3]. Zgodnie z normą EN 13432, ponad 90 % materiału/produktu musi być zmineralizowana w czasie krótszym od 6 miesięcy. Tworzywa kompostowalne będą w trakcie kompostowania przemysłowego, rozpadać się i mineralizować a w konsekwencji stosowanie tego kompostu w rolnictwie nie będzie prowadzić do uwalniania się cząstek tworzyw do środowiska. Jest ważne, aby czas wymagany dla rozkładu biotworzywa był spójny z cyklem kompostowania.

Biodegradowalne tworzywa będą, więc podlegać w procesie kompostowania przemysłowego, mineralizacji w ciągu maksimum 180 dni, podczas gdy konwencjonalne tworzywa będą obciążać środowisko naturalne jako odpady przez setki lat.

Jest ważne, aby być świadomym, że biodegradowalność odnosi się do rozkładu materiału pod wpływem mikroorganizmów, natomiast warunki rozkładu oraz czas trwania tego procesu nie są określone. Z praktycznego punktu widzenia, bardziej odpowiednim słowem jest ‚kompostowalność’, odnosząca się do biodegradowalności w konkretnych warunkach i w ograniczonych ramach czasowych.

Wszystkie kompostowalne tworzywa są, więc biodegradowalne; ale nie wszystkie biodegradowalne tworzywa są również kompostowalne, ponieważ biodegradacja może trwać dłużej niż cykl kompostowania (nie spełnia wymagań normowych dotyczących kompostowalności).

Kompostowalne tworzywa stanowią, więc podgrupę tworzyw biodegradowalnych.

Znak certyfikacji tworzywa potwierdzający jego przyydatność do kompostowania domowego wydany przez Vincotte. www.aib-vincotte.com

12

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

TWORZYWA KOMPOSTOWALNE

TWORZYWA BIODEGRADOWALNE

KLUCZOWE PRZESŁANIA Z racji dużej ilości tworzyw polimerowych, które użytkownicy wyrzucają, pojawiła się potrzeba alternatywnych tworzyw sztucznych. Jedną z alternatyw są biotworzywa.

Biodegradacja jest specyficzną cechą niektórych materiałów z tworzyw sztucznych. Wskazuje ona na proces rozkładu materiału polimerowego pod wpływem czynników biotycznych (żywych).

Z uwagi na swoje pochodzenie, polimery mogą być podzielona na naturalne i sztuczne.

Tworzywa mogą być biodegradowalne lub niebiodegradowalne.

Tworzywa mogą pochodzić ze źródeł odnawialnych lub nieodnawialnych.

Biotworzywa są tworzywami biodegradowalnymi i/lub mogą pochodzić z odnawialnych zasobów. [3] Budowa chemiczna polimeru określa jego podatność (lub jej brak) na biodegradację.

Procedura produkcji biotworzywa może być syntetyczna (chemiczna) lub biotechnologiczna (pod wpływem enzymów lub mikroorganizmów).

Biodegradowalne tworzywa rozkładają się pod połączonym wpływem czynników abiotycznych (np. promieniowanie UV, woda, ciepło) lub biotycznych (bakterie, grzyby, algi). W pierwszym etapie, materiał traci swoją wytrzymałość fizyczną i ulega rozkładowi fizycznemu (fragmentacja), a w drugim etapie, organizmy metabolizują pozostałe cząsteczki i pojawia się zjawisko mineralizacji (proces przetwarzania materii organicznej na formy nieorganiczne). Produkty końcowe biodegradacji to biomasa, CO2 i woda.

Produkt jest kompostowalny, jeżeli wszystkie jego składniki są kompostowalne.

Fragmentacja + Mineralizacja = Biodegradacja Biodegradowalne polimery są pożywieniem dla mikroorganizmów.

Kompostowalne tworzywa są zawsze biodegradowalne. Biodegradowalne tworzywa nie zawsze są kompostowalne.

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

13

2

TWORZYWA Z ODNAWIALNYCH ZASOBÓW 14

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

Jak już powiedziano, biotworzywa są to tworzywa biodegradowalne i / lub wyprodukowane z biomasy. Kombinacja biodegradowalności przy wykorzystaniu odnawialnych zasobów dla produkcji biodegradowalnych tworzyw otwiera rewolucyjne możliwości, w którym cykl życia tworzywa jest zgodny z naturalnym obiegiem materiałów: tworzywo pochodzi z naturalnych zasobów odnawialnych, do których ono jest zawracane. Nie da się tego osiągnąć z żadnym innym tworzywem i w tej chwili stanowi to najlepsze przybliżenie zachowania się naturalnego materiału, np. liść, który jesienią spada z drzewa, na wiosnę stanowi bazę, z której wyrastają nowe pędy.

Najlepsze przykłady tworzyw z odnawialnych zasobów to tworzywa takie jak celuloza, polilaktydy, tworzywa oparte na skrobi i tworzywa z soi. Należy również zwrócić uwagę na polimery syntetyzowane przez mikroorganizmy – wielowodorotlenowe alkanolany (PHA).

Biotworzywa pochodzące z odnawialnych zasobów stanowią nową generację tworzyw, która redukuje wpływ na środowisko, zarówno w kategoriach zużycia energii jak i wielkości emisji gazów cieplarnianych. Polimery naturalne (biopolimery) stanowią kluczowy komponent żyjących organizmów. Najczęściej spotykane naturalne polimery to polisacharydy (celuloza, skrobia, glikogen) oraz białka (gluten, kolagen, enzymy) a inne formy naturalnych polimerów to lignina, poliestry, itp...

Wykorzystanie polimerów z zasobów odnawialnych może zredukować zależność od paliw kopalnych. Ich wyższa cena stanowi istotny pułap w ich rozpowszechnianiu. Opracowanie tworzyw z zasobów odnawialnych zbliża się obecnie do swojego szczytu, ale zanim przyniesie to pełny sukces na dużych rynkach, trzeba będzie przezwyciężyć pewne ograniczenia dotyczące ich używania i przetwarzania; wprowadzenie tworzywa z odnawialnych zasobów do praktyki przemysłowej stanowi również pewien problem. Pytanie stojące przed nami, to czy jest możliwa produkcja wszystkich znanych obecnie polimerów z odnawialnych zasobów na skalę przemysłową.

Fundamentalnie, polimery oparte o odnawialne zasoby można podzielić na trzy kategorie: 1. Polimery uzyskane bezpośrednio z biomasy: polisacharydy, na przykład skrobia i celuloza; białka, na przykład kazeina i gluten.

1. Polimery uzyskane na drodze klasycznej syntezy chemicznej przy wykorzystaniu monomerów 2. pochodzących z zasobów odnawialnych. Dobrym przykładem tego jest polilaktyd, biopoliester uzyskany przez polimeryzację monomerów, np. kwasu mlekowego.

3. Polimery uzyskane z pomocą mikroorganizmów lub genetycznie zmodyfikowanych bakterii.

Głównych przedstawicielem tej grupy są wielowodorotlenowe alkanolany (PHA), ale badania w dziedzinie bakteryjnie syntetyzowanej celulozy również gwałtownie rozwijają się.

Tworzywa z zasobów odnawialnych niekoniecznie są również biodegradowalne (np. polietylen z trzciny cukrowej).

Historia tworzyw z zasobów odnawialnych jest znacznie dłuższa niż historia tworzyw z zasobów kopalnych. Pierwszy sztuczny materiał termoplastyczny – celuloid – został odkryty w drugiej połowie XIX wieku. Od tego czasu odkryto wiele związków z odnawialnych zasobów, wiele z tych odkryć nie zostało wykorzystanych handlowo, ze względu na niskie ceny polimerów syntetycznych otrzymywanych z przemysłu petrochemicznego. Powrót do idei biotworzyw nastąpił w kilku ostatnich dekadach. Opracowano wiele polimerów opartych na odnawialnych zasobach, wśród nich najczęściej spotykane to skrobia i PLA, które w roku 2003 były jedynymi przemysłowo wytwarzanymi polimerami z odnawialnych zasobów. Obecnie, produkcja biopolietylenu (z etylenu) oraz żywic epoksydowych z odnawialnych zasobów (z epichlorohydryny) również powoli rozwija się.

Idealną sytuacją byłoby, gdyby 100 % tworzyw pochodziło z odnawialnych zasobów. Przykładem tego jest biopolietylen (Bio-PE), w którym tworzywa petrochemiczne są zastąpione chemicznie identycznymi tworzywami z odnawialnych zasobów. W tych przypadkach, w których zastąpiony jest tylko jeden materiał, procent zastąpienia jest mniejszy.

ODNAWIALNE ZASOBY NADAJĄCE SIĘ DO PRODUKCJI TWORZYW Do wyprodukowania tworzyw z odnawialnych zasobów nadaje się każdy odnawialny polimer, który może być chemicznie lub biochemicznie przetworzony na tworzywo. Aby to zrobić, istnieje możliwość, że tylko część (np. jeden monomer, który tworzy kopolimer) lub tylko część komponentów, formują tworzywo pochodzi z odnawialnych zasobów. W ten sposób, otrzymujemy materiał, który pochodzi częściowo z odnawialnych zasobów. Nawet częściowe zastąpienie zasobów kopalnych zasobami odnawialnymi (razem z efektywnym jego użytkowaniem!) jest użyteczny, gdyż przyczynia się on do oszczędzania zasobów kopalnych i redukuje ślad węglowy (ponieważ odnawialna część materiału jest obojętna lub prawie obojętna w kategoriach emisji gazów cieplarnianych).

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

15

2

TWORZYWA Z ODNAWIALNYCH ZASOBÓW

W oparciu o wyżej opisane strategie produkowania tworzyw z odnawialnych zasobów, najczęściej stosowane podejście jest takie, w którym biopolimer (polimer naturalny) jest przetwarzany na tworzywo. Najbardziej znany przykład to skrobia lub celuloza. Jeżeli stosowany polimer nadaje się również do jedzenia, stoimy wobec etycznego dylematu – czy właściwą rzeczą jest używanie żywności do produkcji materiałów? Do tej kategorii należy również dodawanie do polimerów cukrów lub innych naturalnych substancji, które mogą fermentować i w ten sposób mogą być przetwarzane na biopolimery (np. PHA) lub użyteczne monomery (na przykład kwas mlekowy dla PLA). W tej sytuacji, gdy produkcja z materiałów odnawialnych jest stosunkowo niska, problem ten nie jest sprawą krytyczną, ale jeżeli sprawdzą się przewidywania na temat przyszłego wzrostu produkcji tworzyw (oraz innych materiałów) z odnawialnych zasobów – to dzisiejsze podejście będzie nieakceptowalne.

Odnawialne zasoby, z których korzystamy dzisiaj, są nazywane technologią pierwszej generacji, ale w przyszłości będziemy coraz częściej stosować technologie drugiej generacji –’’zasoby odnawialnych odpadów ‚’, i technologie trzeciej generacji, które będą oparte na nowych, celowych przekształceniach, które nie będą sprzeczne ze źródłami pożywienia lub klasycznymi odpadami. Trzecia generacja odnawialnych źródeł energii wymaga znacznego rozwoju specjalnie dostosowanych organizmów (inżynieria genetyczna) w tej grupie, która budzi dalsze pytania.

+

Obecna sytuacja nie jest alarmująca, ponieważ dotychczas stosukowo słabo eksploatuje się biomasę i mamy dużą przestrzeń dla poprawy i lepszej eksploatacji bez dodatkowej produkcji, obciążania rolnictwa lub przejadania podstawowych surowców żywnościowych. Szczególnie duży potencjał kryje się w ‚’zasobach odnawialnych odpadów’’. W tym wypadku, możemy często łączyć bezpieczne wykorzystanie stosunkowo kłopotliwych odpadów z produkcją technologicznie użytecznych materiałów. Przykładem tego jest na przykład wykorzystanie serwatki powstającej przy produkcji serów do wytwarzania biopolimerów i biotworzyw. Możemy wykorzystywać z serwatki białka i cukry (na przykład dla fermentacji PHA). Podobny przykład stanowi wykorzystanie zwierzęcych produktów odpadowych (mączka kostna, odpady z rzeźni oraz z przetwórstwa mięsa), co obecnie rozwija się. Ilości tych odpadów są dość znaczne i stanowią obecnie w rzeczywistości problem i koszty wynikające z ich usuwania. Możemy, więc w przyszłości oczekiwać, że produkcja materiałów z odnawialnych zasobów zostanie jeszcze bardziej zintegrowana z rozwijającym się procesem wykorzystania odnawialnych zasobów. Dzięki temu uzyskamy większą sprawność i niższe obciążenia dla środowiska.

ZALETY TWORZYW Z ODNAWIALNYCH ZASOBÓW Tworzywa z odnawialnych zasobów mają kilka istotnych zalet. Obniżają one zużycie paliw kopalnych oraz ślad węglowy (niższe emisje CO2). Jeżeli są one biodegradowalne, mogą jeszcze obniżyć ilość odpadów, które muszą być składowane na wysypiskach lub spalane w spalarniach odpadów, co redukuje jeszcze bardziej obciążenie środowiska naturalnego. Są one konkurencyjne kosztowo i mają taką samą charakterystykę i zastosowanie jak tworzywa pochodzące z paliw kopalnych.

OKREŚLANIE UDZIAŁU SUROWCÓW ODNAWIALNYCH W TWORZYWACH Nie ma dotychczas prawa nakazującego producentom odkrycie zawartości odnawialnych źródeł energii w produkcie. Proporcja odnawialnych źródeł energii w tworzywach sztucznych może wahać się od 0 do 100 %. Jest ona określona przez izotopową analizę węgla, poprzez którą określamy proporcję izotopu węgla 14C lub mierzymy jego działanie.

Materiały, oparte zarówno na paliwach kopalnych jak i na zasobach odnawialnych, składają się głównie z węgla, który jest obecny w środowisku naturalnym w trzech formach (izotopach): 12 C, 13C i 14C. Izotop 14C jest niestabilny, rozkłada się powoli i występuje w sposób naturalny we wszystkich żyjących organizmach. Działanie 14C jest bardzo stabilne, ponieważ jest ono związane z koncentracją izotopu w środowisku naturalnym, która jest prawie stała. Gdy jakiś organizm umiera, nie wchłania on już więcej węgla 14C ze środowiska, następuje tylko rozkład. Półpodział koncentracji 14C odbywa się co 5700 lat. Nie wpływa to na cykl życia ludzkiego, ale w ciągu 50.000 lat, zawartość 14C spada do poziomów niewykrywalnych. Oznacza to, że koncentracja 14C w paliwach kopalnych jest pomijalna.

Działanie of 14C 100 % Działanie of 14C 30 % Działanie of 14C 0 %

100 % C z zasobów odnawialnych 30 % C z zasobów odnawialnych cały C z paliw kopalnych

SKROBIA Żywność oparta na skrobi stanowiła zawsze istotną część diety człowieka. Nie budzi, więc zdziwienia, że w przeszłości rozwinęły się inne zastosowania tego naturalnego materiału, występującego tak obficie. Wśród innych zastosowań, istnieje świadectwo, że na 4000 lat przed Chrystusem stosowano już skrobię do powlekania papirusu.

16

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

Skrobia to węglowodan, zapas roślinny polisacharydów, który jest wykorzystywany jako magazyn energii. Zapasy te gromadzą się w komórkach, w formie kulistych granulek, tak zwanych granulek skrobiowych. Wiązanie glikozydowe wiąże glukozę monomeru, która tworzy amylozę i amylopektynę – dwie różne molekuły skrobi. W ziarnach skrobi jest więcej amylopektyny niż amylozy, od 70 do 90 %,oraz odpowiednio – od 10 do 30 %. Amyloza nie jest rozgałęziona, podczas gdy amylopektyna jest rozgałęziona przy każdej z 12-30 pozostałej glukozy. Obecność skrobi jest dowiedziona roztworem jodyny, jodyna wiąże się w spiralę, co nadaje niebieskie zabarwienie. Większość dostępnej na rynku skrobi pochodzi z kukurydzy (79 %), ziemniaków (9 %), pszenicy (7 %), ryżu i jęczmienia. Rośliny te zawierają duże ilości skrobi, zazwyczaj od 60 do 90 % suchej masy.

Skrobia w procesie kompostowania szybko rozkłada się w różnych środowiskach. Jednakże twardość i odporność na wodę skrobi, są gorsze niż w wypadku większości polimerów pochodzących z ropy, istnieje, więc szereg sposobów przezwyciężenia tego parametru.

Lepszą charakterystykę uzyskuje się, jeżeli skrobia jest mieszana z bardziej wodoodpornymi polimerami lub, gdy jest ona chemicznie zmodyfikowana.

Główny składnik tworzywa skrobiowego to skrobia, której struktura jest lekko zmodyfikowana (zdestrukturyzowana skrobia). Skrobia może ulec destrukturyzacji przy pomocy energii lub ciepła tak, że struktura krystaliczna jest całkowicie zniszczona. Tylko zdestrukturyzowana skrobia zachowuje się jak tworzywo termoplastyczne (termotworzywa są to tworzywa liniowe i/lub lekko rozgałęzione polimery, zdolne do (wielokrotnego) mięknienia i przekształceń w podwyższonych temperaturach) i może być traktowana jak tradycyjne tworzywo, w swojej naturalnej formie jest ona zbyt wrażliwa na wilgoć.

Polimery oparte na termoplastycznej skrobi stanowią jedną z klas biodegradowalnych materiałów, które mają najlepszy krótkoterminowy potencjał i pozwalają na wypracowanie w pełni biodegradowalnych produktów dla konkretnych warunków użytkowania. Tworzywa na bazie termoplastycznej skrobi mogą mieć zawartość skrobi do 50 %.

Spotykane na rynku folie oparte na skrobi, są głównie produkowane ze skrobi wymieszanej z termoplastycznymi poliestrami, dla uzyskania biodegradowalnych i kompostowalnych produktów. Gdy folie te są wykorzystywane do produkcji toreb do recyklingu odpadów organicznych i materiałów opakowaniowych, produktów higienicznych i rolniczych, ich własności są podobne do własności produktów z LDPE. Zdestrukturyzowane skrobie, w połączeniu z innymi syntetycznymi polimerami, mogą spełniać całkiem szerokie wymagania rynkowe. Obecnie, można spotkać na rynku stosunkowo szeroką gamę produktów opartych na skrobi.

PRODUKTY OPARTE NA SKROBI TO: Wióry rozpuszczalne w wodzie jako przekładki dystansowe dla ochrony zawartości opakowań i innych ekspandowanych materiałów w zastępstwie polistyrenu (spieniony polistyren); torby zakupowe; torby na składowanie bioodpadów; opakowania dla żywności (np. torby na owoce, jarzyny, chleb – ich istotną zaletą w stosunku do innych materiałów jest możliwość wentylacji, która poprawia warunki składowania tej żywności); produkty higieniczne i kosmetyczne (pieluszki serwetki, wykałaczki, waciki,...).

CELULOZA Celuloza, jako skrobia, jest węglowodanem. Jest to strukturalny polisacharyd, podczas gdy skrobia stanowi jeden z wielocukrów zapasowych. Ilościowo, celuloza jest najczęściej spotykanym polimerem na Ziemi i jest głównym oparciem dla drzew i innych roślin (bawełna, len, juta, trzcina cukrowa, zboża,...).

Oprócz roślin wyższego gatunku, synteza celulozy może być również dokonywana przez bakterie kwasu octowego. Celuloza zsyntetyzowana przez bakterie ma duży potencjał w przemyśle opakowań, ale jest ona w dalszym ciągu niewystarczająco zbadana. Niektóre bakterie kwasu octowego mogą syntetyzować prawie czystą celulozę o tych samych chemicznych i fizycznych własnościach, jaką posiada celuloza pochodząca z roślin.

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

17

2

TWORZYWA Z ODNAWIALNYCH ZASOBÓW

Celuloza składa się z łańcuchów liniowych – od kilkuset do ponad dziesięciu tysięcy – jednostek glukozy wzajemnie powiązanych – podobnie jak w wypadku skrobi więzami glikozydowymi. Chociaż skrobia i celuloza mają tę samą jednostkę monomeryczną (mer), ich łańcuchy polimerowe różnią się w zakresie orientacji jednostek glukozy.

WIĄZANIE GLUKOZY W SKROBI

WZÓR GLUKOZY

UPROSZCZONY WZÓR GLUKOZY

WIĄZANIE GLUKOZY W CELULOZIE

Głównym źródłem celulozy dla procesów przemysłowych jest drewno i bawełna. Celuloza stanowi główny komponent papieru, tektury i tekstyliów wykonanych z bawełny, lnu lub innych włókien roślinnych. Jest ona również wykorzystywana do produkcji włókien, folii i pochodnych celulozy. W rzeczywistości, pierwsze polimery przemysłowe (celuloid, celofan) były oparte na celulozie, chociaż do dzisiaj obszar materiałów opartych na celulozie nie jest w pełni wyeksplorowany. Poprzez wbudowanie włókien celulozowych w materiały polimerowe, uzyskuje się produkty biokompozytowe, posiadające istotne dodatkowe własności, jeżeli chodzi o ich przetwarzanie jako odpadów (kompostowanie jako alternatywa do ich składowania na wysypisku). Włókna celulozowe są wykorzystywane jako osnowa dla biodegradowalnych kompozytów polimerowych, dla poprawy ich własności mechanicznych i cech hydrofobowych.

Włóka celulozy są również mieszane ze skrobią, aby uzyskać lepsze własności mechaniczne, przepuszczalność gazu i odporność na wodę.

CELULOZA, WŁÓKNA CELULOZOWE I POCHODNE CELULOZY SĄ STOSOWANE DLA WYTWARZANIA NASTĘPUJĄCYCH PRODUKTÓW: zabawki, sprzęt sportowy, wyposażenie medyczne, artykuły dekoracyjne, wnętrza samochodów, meble, budownictwo, …

SOJA/BIAŁKO SOJOWE W latach ’40 wykonano dużo badań na tworzywach opartych na soi. Wtedy używano białka sojowego głównie jako wypełniacza, który obniżał cenę tworzywa opartego na ropie. Materiału tego używa się w dalszym ciągu celem podniesienia biodegradowalności tworzywa. W porównaniu z tworzywami pochodzącymi z kazeiny, zeiny i glicyny, białko sojowe jest również konkurencyjne cenowo.

18

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

Ziarna soi są bogate w oleje i białka, zazwyczaj sucha masa zawiera około 40 % białka i 20 % oleju. Białko sojowe jest kuliste, reaktywne i często rozpuszczalne w wodzie. Około 98 % białka w ziarnach soi jest składowane w organellach komórek, to znaczy cząstkach białkowych.

Przetwarzanie białka sojowego zazwyczaj obejmuje zmianą stanu fizycznego a czasami pojawia się również reakcja chemiczna. W przypadku przetwarzania polimerów, występuje szereg różnych procesów, na przykład ekstrakcja, formowanie wtryskowe, odlewanie, formowanie,…

Wyniki badań wskazują, że samo białko sojowe, lub zmieszane ze skrobią, nadaje się do wytwarzania produktów z tworzyw, takich jak opakowania, zabawki, sprzęt sportowy, pojemniki. Tworzywa formowane wtryskowo wykazują odpowiednie właściwości mechaniczne i wodoodporne. Po ich wykorzystaniu, produkty te są odbierane i podlegają recyklingowi, co ogranicza obciążenie środowiska.

Folie wykonane z białka sojowego wykazują dobrą charakterystykę jako bariery dla tlenu jak również dla promieniowania UV. Są, więc one użyteczne dla przemysłu opakowań, jak również dla rolnictwa, gdyż nie muszą być one usuwane z pól po zakończeniu swojej funkcji, bo ulegają rozkładowi biologicznemu. Jeżeli są one właściwie obrabiane, białka sojowe mogą być przetwarzane na produkty spienione o różnych gęstościach służące jako materiały izolacyjne o różnych własnościach cieplnych.

Biodegradowalność, niepalność i brak własności elektrostatycznych tworzyw z białka sojowego stanowią jego atrakcyjne zalety. Razem z konkurencyjnością cenową tworzywa opartego na soi, stanowią one przyjazną dla środowiska i obiecującą alternatywę dla tworzyw konwencjonalnych.

POLI(KWAS MLEKOWY) (PLA) poli(kwas mlekowy) (polilaktyd) jest najszerzej stosowanym biodegradowalnym poliestrem alifatycznym. Monomer, kwas mlekowy, znajduje się we krwi i w tkance mięśniowej jako metaboliczny produkt metabolizmu glukozy. Kopolimer powstaje w procesie chemicznej polimeryzacji kwasu mlekowego. Kwas mlekowy powstaje poprzez fermentację glukozy, która może być uzyskiwana z różnych źródeł cukru (cukier z trzciny cukrowej, ziemniaków lub tapioki). Poli(kwas mlekowy) jest odporny na wodę i niestabilny w środowisku fluorowcowanych węglowodorów. Jest on wykorzystywany głównie dla degradowalnych materiałów opakowaniowych i w przemysłowym procesie kompostowania, w którym rozkłada się w ciągu trzech tygodni. Produkcja przemysłowa poli(kwas mlekowy) rozpoczęła się w roku 2002. Polilaktyd był pierwszym polimerem z odnawialnych zasobów produkowanym na skalę przemysłową.

PLA jest obecnie stosowany do opakowań (kubki, miski, folie i pojemniki do przechowywania żywności), tekstyliów (koszulki i tekstylia meblowe), produktów higienicznych (pieluszki), folii dla rolnictwa i sztućców. Spieniony polilaktyd jest używany jako materiał izolacyjny i stanowi alternatywę dla spienionego polistyrenu (styropian). PLA mają dobre własności mechaniczne, podobne do własności PET i PP. Kubki jogurtowe Danone są to termoformowane kubki wykonane w kwasu polimlekowego.

Istnieją dwa sposoby bakteryjnej produkcji kwasu mlekowego:

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

19

2

TWORZYWA Z ODNAWIALNYCH ZASOBÓW

GLUKOZA

KWAS MLEKOWY

KWAS MLEKOWY

ETANOL

DWUTLENEK WĘGLA

Rys. 10: Dwa rodzaje bakteryjnej produkcji kwasu mlekowego

POLIHYDROKSYALKANIANY (PHA) Wielowodorotlenowe alkanolany są to naturalne poliestry alifatyczne syntetyzowane poprzez fermentację cukru i lipidów (glukoza, cukroza, oleje roślinne, nawet gliceryna z produkcji biodiesli) poprzez różnego rodzaju bakterie, jako międzykomórkowy węgiel i zapas energii, w czasie wzrostu komórek w stresujących warunkach. Mogą one łączyć ponad 150 monomerów, przez co uzyskuje się materiały o różnej charakterystyce. Wielowodorotlenowe alkanolany są biodegradowalne a biodegradacja zazwyczaj ma miejsce z enzymami. Mogą one zmieniać mechaniczną i biologiczną kompatybilność poprzez mieszanie, zmienianie powierzchni lub łączenie wielowodorotlenowych alkanolanów z innymi polimerami, enzymami lub nieorganicznymi materiałami, które pozwalają na ich szersze stosowanie.

Dla produkcji, bakterie są hodowane w odpowiednim medium i dostarczane z odpowiednią ilością pożywienia dla ich szybkiego wzrostu. Gdy populacja bakterii osiągnie odpowiednią wielkość, zmienia się zestaw składników odżywczych, co zachęca bakterie do syntetyzowania PHA. Ilość PHA w przestrzeniach międzykomórkowych może stanowić do 80 % suchej masy organizmu. Biosynteza PHA jest zwykle wspomagana w warunkach niedostatku (niedostatek pewnych mikroelementów: fosfor, azot, pierwiastki śladowe lub brak tlenu) i nadmiernej ilości węgla. Synteza przy pomocy mikroorganizmów w glebie może być korzystna: brak azotu lub fosforu stymuluje bakterie do wytwarzania jednego kilograma polimeru z trzech kilogramów cukru. W zależności od kultury bakteryjnej, powstają homo- lub kopoliestry.

Poliestry są składowane w korpusie w formie granulek.

Rys. 11: Granule polimerowe wewnątrz bakterii (Źródło: M. Koller, TU Graz)

Polimery PHA są to termoplasty, które mogą być uprawiane/przetwarzane przy pomocy wyposażenia służącego do przetwarzania tworzyw konwencjonalnych. Są one stosowane jako utwardzacze w produktach kosmetycznych i opakowaniowych oraz rzutniach golfowych.

W przeciwieństwie do innych typów biotworzyw (np. PLA), tworzywa PHA są odporne na promieniowanie UV, wytrzymują temperatury do 180 oC i nie pozwalają na przeciekanie wody. Maślan wielowodorotlenowy stanowi barierę dla wilgoci i zapachów i jest w swojej charakterystyce podobny do polipropylenu.

POLIAMID 11 To że polimer jest uzyskiwany z odnawialnych zasobów nie znaczy, że musi być również biodegradowalny. Takim przykładem jest poliamid 11 (nylon 11). Uzyskuje się go z oleju rycynowego, jest wysoko odporny na wodę i posiada również pożądane własności termiczne, fizyczne, chemiczne i mechaniczne. Jest on odporny na wpływy chemiczne i termiczne i jest wszechstronnie użyteczny. Jednocześnie, nie jest on kosztowny i może być używany do kabli elektrycznych, w przemyśle samochodowym oraz do rur pneumatycznych i hydraulicznych.

Jest on stosowany w tych obszarach, gdzie kluczową sprawą jest bezpieczeństwo, trwałość i wszechstronność, jak również stanowi często tańszą alternatywę dla metali i gumy w zastosowaniach do wysokich technologii.

20

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

Rozwój poliamidu 11 rozpoczął się w roku 1938 poprzez produkcję kwasu undekanowego przy krakingu oleju rycynowego. Krakowanie polega na rozbijaniu w wysokiej temperaturze i/lub procedurze katalitycznej dużych drobin węglowodorów na mniejsze. Produkcja pilotażowa rozpoczęła się w roku 1944 a przemysłowa - 11 lat później, we Francji.

Z nasion rośliny Ricinus communis najpierw ekstrahuje się olej a potem przekształca się go w poliamid 11. Nasiona są mielone a proces oddzielania oleju od nasion jest możliwy do przeprowadzenia dwoma sposobami: poprzez kruszenie i/lub ekstrahowanie przy pomocy rozpuszczalników. Nasiona rycynowe zawierają prawie 50% oleju.

KWAS 11-AMINOUNDEKANOWY

POLIMERYZACJA

POLIAMID 11

BIOPOLIETYLEN Podobnie jak poliamid 11, biopolietylen jest również otrzymywany z odnawialnych zasobów (trzcina cukrowa). Nie jest on biodegradowalny a jego charakterystyka jest taka sama jak polietylenu uzyskiwanego z ropy. Biopolietylen jest stosowany przede wszystkim do opakowań.

Polietylen z odnawialnych zasobów jest uzyskiwany przez polimeryzację etylenu, uzyskiwanego z zasobów naturalnych. Wiele roślin wytwarza etylen w trakcie dojrzewania ich owoców.

Przemysłowa produkcja etylenu jest oparta na odwodnieniu etanolu. Pojawienie się polietylenu na bazie odnawialnych zasobów nie jest sprawa nową, gdyż pojawił się on po raz pierwszy 40 lat temu w Indiach, gdzie etanol przetwarzano na etylen a następnie na PE, PCV i styren.

W Brazylii, w latach ’80 ubiegłego wieku, etanol wykorzystywano do przetwarzania PE i PCV. Później, produkcja biopolietylenu zmniejszała się ze względu na niskie ceny ropy, ale dzisiaj – z racji świadomości globalnego ocieplenia oraz ograniczonej ilości nieodnawialnych zasobów (co znajduje również swoje odbicie w rosnących cenach ropy) – biopolietylen staje się znowu atrakcyjny.

Produkcja biopolietylenu jest oparta na wykorzystaniu trzciny cukrowej jako źródła etanolu.

Trzcina cukrowa jest czyszczona i miażdżona w młynie cukrowym. W ten sposób uzyskuje się główny produkt – sok z trzciny cukrowej jak również produkt uboczny, tak zwany ‚bagasa’ (wytłoki z trzciny cukrowej). W Brazylii, ten produkt uboczny jest zazwyczaj wykorzystywany do produkcji energii do napędzania młyna. Reszta energii jest zwykle sprzedawana do sieci elektrycznej. Sok z trzciny cukrowej podlega następnie fermentacji w warunkach beztlenowych do etanolu. Uzyskiwany etanol jest destylowany dla uzyskania etanolu o stężeniu 98.5 %, który jest następnie odwadniany w temperaturach pomiędzy 300 a 600 °C.

fermentacja

Trzcina cukrowa

odwodnienie Etanol

polimeryzacja Etylen

Bio-polietylen

destylacja

Polietylen z zasobów odnawialnych jest ważnym związkiem w przemyśle chemicznym. Jest to zdecydowanie najważniejszy produkt uzyskiwany z etylenu jak również bardzo istotny produkt pośredni (uboczny) dla produkcji PCV, PET, PS i polioli dla poliuretanów (PUR). PE i PCV z odnawialnych zasobów powoli wchodzą w etap produkcji masowej i można oczekiwać, że w przyszłości pojawi się więcej polimerów z etylenu pochodzącego z odnawialnych zasobów. PE z odnawialnych zasobów może być wykorzystywany do tych samych produktów jak PE z paliw kopalnych.

BIO POLI(TEREFTALAN ETYLENU) (BIO-PET)

PET - POLI (TERAFTALAN ETYLENU)

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

21

2

TWORZYWA Z ODNAWIALNYCH ZASOBÓW

Poli(tereftalan etylenu) (PET) jest to tworzywo wyprodukowane z glikolu etylenowego (np. jeden z głównych składników płynu przeciw zamarzaniu oraz PET) i kwasu tereftalowego (TPA) i jest stosowany głównie jako materiał do produkcji butelek z tworzyw. Niedawno opracowano i wprowadzono do użytkowania PET zawierający 30 % materiału (wagowo) z zasobów odnawialnych. Te 30 % stanowił glikol etylenowy (EG), uzyskany z trzciny cukrowej.

Problemem w uzyskaniu PET opartego w 100 % na biomateriałach jest produkcja kwasu tereftalowego z odnawialnych zasobów. Kwas tereftalowy to bezbarwny płyn, stosowany przede wszystkim jako prekursor do produkcji PET. Głównym materiałem do produkcji kwasu tereftalowego jest para-ksylen, uzyskiwany z toluenu w obecności katalizatora. W listopadzie 2001 roku, Japończycy ogłosili, że po raz pierwszy zsyntetyzowali PET w oparciu jedynie o odnawialne źródła. Uzyskali oni kwas tereftalowy z para-ksylenu, który z kolei uzyskano z biomasy poprzez izobutanol jako produkt pośredni.

KWAS TEREFTALOWY

Produkcja glikolu etylenowego z odnawialnych zasobów: Najbardziej uznanym sposobem jest synteza z włókien roślinnych (materiałem źródłowym jest celuloza), która jest przetwarzana na glikol etylenowy przy zastosowaniu katalizatora. Przez długi czas jako katalizator była używana platyna, co odbijało się na wysokich kosztach. W 2008 roku, platyna została zastąpiona przez węglik wolframu, co obniżyło koszty produkcji.

Kluczowym krokiem jest rozkład włókna celulozy. Celuloza składa się z grup hydroksylowych i atomów tlenu, między którymi tworzą się wiązania wodorowe , które powodują, że celuloza staje się prawie nieprzenikalna. Celuloza jest więc obojętna wobec wielu odczynników, chociaż w pewnych warunkach (P = 60 barów i atmosfera wodorowa) gaz wodorowy może penetrować poprzez strukturę celulozy i rozbicie celulozy na małe fragmenty cząsteczek.

Katalizator może jeszcze bardziej rozdrobnić cząsteczki.

Biorąc pod uwagę duże ilości płynów przeciwmrozowych oraz PET wykorzystywanych każdego roku, roczne zużycie glikolu etylenowego jest bardzo wysokie (20 milionów ton).

Możliwe są również inne sposoby, na przykład: Utlenianie etylenu na tlenek etylenu, po którym następuje hydroliza do glikolu etylenowego. Źródłem etylenu może być metionina (wykorzystanie enzymu) lub odwodnionego etanolu.

Reakcja metanolu (źródło: fermentacja) i formaldehydu (źródło: niższe alkohole alkilowe) w obecności katalizatora (nadtlenek organiczny).

KLUCZOWE PRZESŁANIA Biodegradowalne tworzywa mogą być produkowane z odnawialnych zasobów.

Tworzywa z zasobów odnawialnych mogą być albo biodegradowalne albo niebiodegradowalne.

Biodegradowalność nie jest cechą związaną z pochodzeniem substancji, ale związana jest tylko z budową chemiczną oraz ze środowiskiem, w którym następuje rozpad.

Przy realizacji celów zrównoważonego rozwoju oraz zredukowaniu obciążenia środowiskowego, staramy się zwiększyć wykorzystanie biodegradowalnych tworzyw z odnawialnych zasobów.

Udział odnawialnych zasobów w tworzywach jest określony przez izotopową analizę węgla.

Przy zwiększonym wykorzystywaniu odnawialnych zasobów dla produkcji tworzyw, redukuje się korzystanie z zasobów kopalnych oraz emisję CO2.

Potencjał źródeł odnawialnych przy przetwarzaniu produktów z tworzyw nie jest w pełni wykorzystany.

Dla przetwarzania na rzecz biotworzyw, dostępna jest szeroka gama naturalnych polimerów. Najczęściej używane to skrobia, polilaktydy, poliamid 11 oraz żywice epoksydowe oparte na odnawialne zasobach.

22

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

BIODEGRADOWALNE TWORZYWA W CODZIENNYM ŻYCIU BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

3 23

3

BIODEGRADOWALNE TWORZYWA W CODZIENNYM ŻYCIU

Pomimo faktu, że żyjemy w erze ciągłego otrzymywania nowych informacji, wiele osób nie spotkało się dotychczas z koncepcją biodegradowalnych tworzyw. Dlatego też, nigdy nie pomyśleli oni, ze istnieją alternatywne produkty w stosunku do tego, co normalnie kupują. Informowanie konsumentów i rozwijanie ich świadomości na temat tej możliwości wyboru jest sprawą krytyczną dla wypromowania nowych produktów niszowych na rynku. Dopóki ludzie nie będą świadomi, że mają możliwość wyboru, zmiany nie nastąpią. Ale na początku wszystko zawsze zaczyna się powoli …

TWORZYWA SZTUCZNE NA KAŻDYM KROKU Każdy z nas codziennie używa i wyrzuca wiele produktów z tworzyw sztucznych. Większość z nich to opakowania żywności z jakichś polimerowych materiałów (PET, PP, LDPE, HDPE, PS,…), używamy plastikowych worków do przenoszenia różnych rzeczy, opakowania elektronicznego wyposażenia są wykonane z tworzyw, jak również zabawki i nasz sprzęt sportowy. Nawet wnętrza samochodów są wykonane z tworzyw.

Biorąc pod uwagę rozwój technologii, moglibyśmy – w zasadzie – wytwarzać większość produktów będących obecnie na rynku i wytwarzanych ze sztucznych tworzyw, które nie są biodegradowalne, z biodegradowalnych tworzyw. Realistycznie rzecz ujmując, nie jest to oczekiwane. Gama biodegradowalnych materiałów i wytwarzanych produktów jest mniejsza i stąd droższa. Biodegradowalne materiały powoli kreują mniejsze rynki i nie są konkurencyjne w stosunku do dużych rynków, które są zdominowane przez materiały sztuczne, produkowane efektywnie na skalę masową już od dziesięcioleci.

MOŻLIWOŚĆ WYBORU W tym przypadku, konsument dysponuje potężnym narzędziem. Rynki działają na zasadzie mechanizmu popytu i podaży. Przy wzrastającym popycie, rośnie również podaż, co pociąga za sobą wzrost produkcji i spadek cen. Im więcej osób chce nabyć produkty wytwarzane z biotworzyw, tym większe będzie zapotrzebowanie na ich produkcję i dlatego przyniesie to spadek cen. Niestety, nie dzieje się to z dnia na dzień, konieczne jest więc poinformowanie klientów o możliwościach wyboru, przedstawienie im aspektów nowych możliwości i przypomnienie im, że inni ludzie będą zamieszkiwali po nich Ziemię i będą – podobnie jak oni – potrzebować wody pitnej, czystego powietrza i nieskażonej gleby dla produkcji żywności.

ROZPOZNANIE BIODEGRADOWALNYCH PRODUKTÓW Ponieważ biodegradowalne tworzywa normalnie nie różnią się od częstszych – nie podlegających biodegradacji - tworzyw, musimy opierać się na markach i etykietach umieszczonych na nich, aby zidentyfikować produkty biodegradowalne i wiedzieć, czy są one biodegradowalne lub czy nadają się do kompostowania. Jest to wyraźnie określone przez znak certyfikacji, który musi zawierać również numer certyfikacji. Takie etykiety jak ‚’degradowalne w 100 % ‚’ lub ‚’przyjazne dla środowiska’’, przy braku znaku certyfikacji, nie gwarantują rzeczywistej biodegradowalności i mogą być mylące dla konsumentów.

+ BIODEGRADOWALNY POLIMER

MIKROORGANIZMY

BIOMASA

+

CO2

+

WODA

Rys. 12: Przeznaczenie biodegradowalnej torby

24

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

Przy podejmowaniu decyzji o zakupie w sklepie jakiegoś produktu wytworzonego z biodegradowalnych materiałów, należy sprawdzić, czy ma on znak certyfikacji i numer certyfikacji.

Można się spotkać z jednym z poniższych znaków:

KRAJ – ORGAN CERTYFIKUJĄCY

LOGO

USA – Biodegradable Products Institute

EU – DIN CERTCO I Australia – Australasian Bioplastics Association (dla kompostowania przemysłowego)

EU – Vincotte (dla kompostowania przemysłowego)

EU – Vincotte (dla kompostowania domowego)

EU – Vincotte (rozpad w glebie)

EU – Vincotte (rozpad w wodzie)

JAKOŚĆ PRODUKTÓW Obawa każdego konsumenta, czy produkt wykonany z biodegradowalnego tworzywa nie jest niższej jakości niż wykonany z całkowicie sztucznego, jest nieuzasadniona. Biodegradowalne worki z tworzyw mają taką samą charakterystykę jak worki niebiodegradowalne; ich rozkład nastąpi po dłuższym okresie czasu i we właściwych warunkach (szczególnie w warunkach kompostowania przemysłowego) a nie przed okresem przydatności tego produktu.

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

25

3

BIODEGRADOWALNE TWORZYWA W CODZIENNYM ŻYCIU

CO ZROBIĆ Z BIODEGRADOWALNYM TWORZYWEM, GDY STAJE SIĘ ODPADEM? Żadną miarą nie należy wyrzucać biodegradowalnych tworzyw w środowisku naturalnym, podobnie jak w wypadku tworzyw kompostowalnych. Wprawdzie zarówno biodegradowalne jak i kompostowalne tworzywa ulegną rozkładowi w przyrodzie, ale potrzeba na to dość długiego czasu. W międzyczasie, zanieczyszczają one przyrodę podobnie jak inne odpady i stwarzają niebezpieczeństwa dla zwierząt jak również psują środowisko naturalne. Jednym z kluczowych czynników kompostowania przemysłowego jest wysoka temperatura i dlatego rozkład w środowisku naturalnym (ziemia lub woda) wymaga znacznie więcej czasu.

Po wykorzystaniu biodegradowalnych tworzyw jako produktu, należy umieścić je wśród odpadów organicznych (brązowe kontenery1).

Właściwa gospodarka biodegradowalnymi odpadami może opierać się na procesach tlenowych (kompostowanie) lub rozkładzie beztlenowym (biogaz). Nie powinniśmy wrzucać biodegradowalnych tworzyw do normalnych kontenerów dla opakowań (żółty kontener2), ponieważ z racji ich innego procesu przetwarzania, mogą one stwarzać problemy przy recyclingu wszystkich innych, nie biodegradowalnych rodzajów tworzyw.

Rozkład biodegradowalnych tworzyw optymalnie odbywa się w warunkach przemysłowego przetwarzania odpadów organicznych. Proces ten odbywa się wolniej w przyrodzie i dlatego nie powinniśmy wyrzucać biodegradowalnych ( jak również niebiodegradowalnych) tworzyw w środowisku naturalnym.

Rys. 13: Cykl życia biodegradowalnych tworzyw

RYNEK SŁOWEŃSKI W Słowenii nie produkujemy obecnie tworzyw biodegradowalnych, chociaż produkty z tych materiałów są przetwarzane przez szereg słoweńskich przedsiębiorstw zajmujących się przetwórstwem tworzyw. Biodegradowalne produkty są dostępne w większości większych i lepiej zaopatrzonych sklepów.

1 W Słowenii 2 W Słowenii

26

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

KLUCZOWE PRZESŁANIA Życie bez korzystania z produktów z tworzyw sztucznych jest praktycznie niewyobrażalne.

Każdy konsument może przyspieszyć wprowadzanie biodegradowalnych tworzyw na rynek.

Gama produktów z biodegradowalnych tworzyw i jej wykorzystanie ustawicznie rośnie.

Znak certyfikacji potwierdza bez wątpliwości biodegradowalność produktu.

Cechy charakterystyczne i jakość produktów z biodegradowalnych tworzyw nie ustępują tym, którymi cechują się normalne niebiodegradowalne tworzywa.

Nie wyrzucamy biodegradowalnych tworzyw w środowisku naturalnym. Winny one znaleźć się w kontenerach na odpady organiczne.

Poprzez kupowanie produktów z biodegradowalnych tworzyw zmniejszany obciążenie na środowisko naturalne, włączamy tworzywa do normalnego obiegu i realizujemy cele zrównoważonego rozwoju.

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

27

PROPOZYCJE DOŚWIADCZEŃ 28

4

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

Oprócz biodegradowalnych toreb, opakowań foliowych na artykuły spożywcze ( jarzyny i owoce), plastikowych granulek z kwasu polimlekowego i innych produktów wykonanych z biodegradowalnych tworzyw, które można zademonstrować uczniom, są trzy praktyczne doświadczenia, które można przeprowadzić z uczniami, opisane poniżej. Pierwsze z nich jest bardzo krótkie i nadaje się do przeprowadzenia go na lekcji, gdyż potrzeba tylko kilku minut, kubka i trochę wody. Drugie i trzecie doświadczenie nadają się do zajęć laboratoryjnych.

1. SZYBKA ILUSTRACJA RÓŻNICY POMIĘDZY SKROBIOWYM A POLISTYRENOWYM OPAKOWANIEM ORZESZKÓW Należy umieścić kawałek polistyrenu, porównywalny swoją wielkością z kawałkiem wykonanym z termoplastycznej skrobi, w kubku wody. Zamieszać i po kilku minutach można zauważyć, że skrobia orzeszków rozpuszcza się w wodzie, podczas gdy na polistyren nie ma to wpływu.

Doświadczenie to pokazuje, w jaki sposób orzeszki skrobiowe są podatne na rozpuszczanie w wodzie i dlatego prędko zdezintegruje się w środowisku naturalnym, podczas gdy polistyren pozostaje w niezmienionej formie przez dłuższy okres czasu.

2. TWORZYWA Z ZIEMNIAKÓW W laboratorium możemy łatwo wykonywać tworzywa z odnawialnych zasobów – ziemniaków.

Należy podążać za poniższymi krokami a dla lepszego zobrazowania przyjrzeć się krótkiemu filmowi na video (http://www.youtube.com/watch?v=VUkyW1Pir9g&feature=related).

PROCEDURA: 1. obrać jeden duży ziemniak i utrzeć go do moździerza, 2. dodać 100 ml wody, 3. ubić tłuczkiem w moździerzu ziemniak przykryty wodą, 4. zlać nowo powstały płyn, zebrany w moździerzu, przez sitko do kubka, 5. znowu zalać wodą ziemniak w moździerzu i zlać płyn przez sitko do tego samego kubka, 6. po około 7 minutach, na dole kubka zbierz się osad, 7. przelać płyn sponad skrobi do innego kubka, tak że w pierwszym kubku zostaje tylko osad skrobi, 8. wlać 100 ml wody na osad skrobi i zamieszać szklaną pałeczką, 9. zaczekać na powtórne osadzenie się skrobi (około 7 minut) i zlać wodę do drugiego kubka tak, aby w pierwszym kubku pozostała tylko czysta, wilgotna skrobia, 10. osuszyć skrobię z pierwszego kubka w piecu (około 10 minut w temperaturze 80 °C), pozostaje wtedy biały pył skrobiowy, 11. dodać 25 ml wody i 3 ml 0.1 M HCL do 2.5 gramów suchego pyłu skrobiowego w kubku i zamieszać pałeczką szklaną aby uzyskać zamglony biały roztwór, 12. dodać do kubka 2 ml glicerolu i zamieszać pałeczką szklaną, 13. przykryć kubek szklanym spodeczkiem i umieścić na trójnogu, pod którym umieszczono palnik – ogrzewać nad płomieniem przez 15 minut, 14. po 15 minutach wyłączyć palnik, ostrożnie usunąć gorący kubek i zaczekać aż ostygnie, 15. nałożyć przy pomocy szklanej pałeczki trochę substancji z kubka na wskaźnik uniwersalny – zmienia on kolor na czerwony, co oznacza, że substancja jest kwaśna, 16. dodać trochę 0.1 M NaOH i zamieszać pałeczką szklaną, 17. znowu nałożyć substancję na uniwersalny wskaźnik –zmienia on kolor na zielony, co oznacza, że substancja ma teraz neutralne pH, 18. wylać substancję z kubka korzystając z pałeczki szklanej na płytkę Petriego i równo rozprowadzić, 19. na życzenie można dodać trochę barwnika spożywczego i zamieszać pałeczką szklaną tak, aby tworzywo było barwne, 20. wysuszyć w piecu [ jak długo i w jakiej temperaturze – danych tych nie ma na video] i w ten sposób mamy tworzywo z ziemniaka!

MATERIAŁY: Ziemniaki Woda Moździerz i tłuczek Tarka Cylinder pomiarowy 3 kubki Pałeczka szklana Piec Waga laboratoryjna 0.1 M HCl 0.1 M NaOH Glicerol (2 ml) Mały spodeczek szklany dla przykrycia kubka Palnik Trójnóg Wskaźnik uniwersalny Płytka Petriego Barwnik spożywczy Wyposażenie ochronne

Pokazuje to, jak łatwo i szybko można samemu robić tworzywa z ziemniaków. Uczniowie mogą porównać to tworzywo ( jeżeli chodzi o wygląd, dotyk, zwartość, elastyczność) do tworzyw uzyskiwanych z paliw kopalnych.

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

29

4

PROPOZYCJE DOŚWIADCZEŃ

MATERIAŁY: Palnik Garnek Łopatka do mieszania Łyżeczka do herbaty Łyżka stołowa Woda Skrobia kukurydziana Glicerol Kwas octowy - lodowaty Podłoże z tworzywa, na którym rozścielamy tworzywo pod koniec doświadczenia

MATERIAŁY: Ziemia/kompost Waga Szklany kubek/doniczka Siatka na komary Woda Różne materiały (plasterki jabłka, skórki z bananów, tkanina, torba chłodnicza (PE), moneta lub gwóźdź, papier, odpady biologiczne, worek na śmieci z kompostowalnego tworzywa – zwrócić uwagę na znak certyfikacji)

3. TWORZYWA ZE SKROBI KUKURYDZIANEJ Jest to prosta i szybka metoda uzyskiwania tworzywa ze skrobi kukurydzianej. Doświadczenie to jest podobne do poprzedniego, ale można je wykonać szybciej, ponieważ możecie wykorzystać już przygotowaną skrobię do zrobienia tworzywa, podczas gdy w poprzednim doświadczeniu przygotowywaliście skrobię we własnym zakresie z ziemniaka. Dla lepszego zilustrowania można oglądnąć krótkie video: http://www.youtube.com/watch?v=5M_eDLyfzp8

PROCEDURA: 1. Odmierzyć do garnka 1 łyżkę stołową skrobi kukurydzianej, 4 łyżki stołowe wody, 1 łyżeczkę glicerolu i 1 łyżeczkę kwasu octowego. Dobrze wymieszać.

2. Kiedy wszystko jest dobrze wymieszane, włączyć piecyk i w dalszym ciągu mieszać.

Najpierw pojawi się w garnku mleczny, biały płyn, który wkrótce zacznie gęstnieć.

3. Kontynuować mieszanie w trakcie zagęszczania się płynu. Gdy staje się kleisty i prawie przezroczysty, wyłączyć piec i rozsmarować substancję tak gęstą jak chcemy na przygotowaną podstawę i pozwolić na jej ochłodzenie.

4. KOMPOSTOWANIE Doświadczenie to może trwać przez cały rok. Na początku roku szkolnego należy umieścić próbki w kompoście/glebie i sprawdzać co miesiąc co się dzieje z materiałem. Kompostowanie stanowi istotną lekcję dla uczniów – recykling i powtórne użytkownie materiałów. Obejmuje ono ziemię, kopanie i wodę.

PROCEDURA: 1. Napełnić połowę kubka lub doniczki ziemią/kompostem.

2. Umocować materiały do kompostowania w siatce na komary i zważyć a może nawet sfotografować przygotowaną próbkę. Zamocować próbkę do żyłki wędkarskiej lub do metalowej linki, umieścić w kubku/doniczce, zakopać w ziemi i przykryć warstwą wody.

3. Raz na miesiąc wykopać próbkę, przemyć, wysuszyć i zważyć, następnie powtórnie zakopać.

W ten sposób monitorujemy rozkład różnych materiałów przez dłuższy okres i możemy porównać rozkład zwykłej torby polietylenowej z rozkładem kompostowalnego, biologicznego worka na odpady.

Ponieważ temperatura kompostowania nie będzie taka sama jak w czasie kompostowania przemysłowego, jest prawdopodobne, że rozkład kompostowalnego worka będzie trwał dłużej niż 6 miesięcy.

30

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

GLOSARIUSZ TERMINÓW Degradacja tlenowa – biologiczny rozkład w obecności tlenu lub powietrza, w którym węgiel jest przetwarzany na dwutlenek węgla i biomasę Degradacja beztlenowa – biologiczny rozkład bez dostępu tlenu lub powietrza, w którym węgiel jest przetwarzany na metan i biomasę Degradacja biologiczna (biodegradacja) – degradacja pod wpływem systemów biologicznych Biomasa (zasoby odnawialne) – substancje pochodzenia biologicznego, z wyjątkiem substancji zawartych w formacjach geologicznych oraz kopalnych substancji organicznych Biotworzywa – tworzywa, które są biodegradowalne i/lub oparte o biomasę. Termin stosowany również w medycynie oznaczający biokompatybilność tworzywa z tkankami ludzkimi lub zwierzęcymi Biopolimer – jest to polimer uzyskany albo z zasobów odnawialnych i/lub jest biodegradowalny Tworzywa biodegradowalne – tworzywa, które są w zależności od tlenowych lub beztlenowych procesów, całkowicie degradowalne na dwutlenek węgla, metan, wodę, biomasę i materiały nieorganiczne Certyfikat – Pisemne stwierdzenie, wydane przez upoważnioną organizację, które potwierdza, że materiał lub produkt jest zgodny z normą. Certyfikat obejmuje pozwolenie na używanie marki certyfikacji (logo), które informuje użytkowników o standardzie adekwatności.

Tworzywa kompostowalne (tworzywa nadające się do kompostowania) - tworzywa, które są w warunkach kompostowania biodegradowalne z prędkością porównywalną do cyklu kompostowania i które spełniają wymagania odpowiednich norm LDPE (polietylen o niskiej gęstości) – polietylen o niskiej gęstości Mineralizacja – proces konwersji węgla organicznego na formy nieorganiczne (CO2), który odbywa się pod wpływem metabolizmu mikroorganizmów Utlenianie – reakcja chemiczna (np. spalanie, korozja); utleniana substancja emituje elektrony; w procesie tym może ona np. łączyć się z tlenem lub emituje wodór PE (Polietylen) –polimer o szerokiej gamie zastosowań Uporczywe zanieczyszczenia organiczne (POP) – związki organiczne odporne na rozkład w środowisku naturalnym poprzez procesy chemiczne, biologiczne, fotolityczne, np. pestycydy Tworzywa – materiał, którego główne składniki stanowią polimery Tworzywa oparte o zasoby odnawialne – tworzywa produkowane a zasobów odnawialnych (celuloza, lignina, skrobia,….) a nie z paliw kopalnych Polimer –substancja o wysokiej masie cząsteczkowej, wykonana z podstawowych trwałych elementów PP (Polipropylen) – tworzywa o szerokiej gamie zastosowań

Fragmentacja – fizyczna (mechaniczna) degradacja substancji/ materiału na drobniejsze części Hydroliza – reakcja chemiczna, w której związek reaguje z cząsteczkami wody i rozbija się na mniejsze części HDPE (Polietylen o Wysokiej Gęstości) – polietylen o wysokiej gęstości Kompostowanie –proces przeróbki odpadów organicznych, w którym tlenowe mikroorganizmy rozkładają biologicznie materiał organiczny

PS (Polistyren) – jeden z najczęściej stosowanych rodzajów tworzyw Termoplasty – liniowe i/lub lekko rozgałęzione polimery, zdolne do (wielokrotnego) mięknienia i transformacji w podwyższonej temperaturze (HDPE, LDPE, PP, PS, PCV, PET,…)

Zrównoważony rozwój – rozwój spełniający obecne potrzeby, bez narażania interesów przyszłych pokoleń – dla zaspokojenia własnych potrzeb

ŹRÓDŁA i LITERATURA: 1. Plastics Europe, http://plasticseurope.org/ 2. Information Package on Environmentally Degradable Plastics, Project: Managers of Innovation in Environmentally Degradable Plastics, Funded by the EC Leonardo da Vinci programme 3. European Bioplastics, http://en.european-bioplastics.org 4. DIN Certco, www.din-certco.de 5. Vincotte OK Compost, www.okcompost.be 6. Biodegradable Products Institute, www.bpiworld.org 7. Plastics Europe, http://plasticseurope.org/ 8. Information Package on Environmentally Degradable Plastics, Project: Managers of Innovation in Environmentally Degradable Plastics, Funded by the EC Leonardo da Vinci programme 9. European Bioplastics, http://en.european-bioplastics.org 10. DIN Certco, www.din-certco.de 11. Vincotte OK Compost, www.okcompost.be 12. Biodegradable Products Institute, www.bpiworld.org

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ

31

Tekst został opracowany w ramach PLASTiCE, projektu Innowacyjny Łańcuch Wartości dla Rozwoju Zrównoważonych Tworzyw w Europie Środkowej, współfinansowanego przez Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego (ERDF), jako część Programu Europa Środkowa.

32

Sierpień 2012

BIOPOLIMERY i BIOTWORZYWA: TWORZYWA ZGODNE Z NATURĄ