Природные источники сырья для синтеза разрушаемых биопластиков

29 Декабря в 21:06 2664 0


Сферы применения разрушаемых биопластиков расширяются. Это связано с тем, что, во-первых, появляются новые виды этой продукции с новыми ценными коммерческими свойствами. Второе обстоятельство объясняется тем, что по мере совершенствования технологий, биопластики становятся дешевле и, следовательно, доступнее для потребителя.

В конце 2007 г. три немецкие компании - Institute for Recycling of the University for Applied Sciences Braunschweig, Fraunhofer Institute for Chemical Technologies и CTC Clean Tech Consulting GmbH - провели совместное исследование и выяснили, что в мире существует не менее 73 видов биоразрушающихся биопластиков.

В числе их производителей - компании Albis, Basf, Biomer, Biopearls, Biotec, Dow, Enmat, GoodFellow, Hycail, Mazzucchelli, Metabolix, Monsanto, NatureWorks, Novamont, Plantic, Polyfea, P&G, Solvay и другие. Полный список и технические характеристики полимеров опубликованы в Интернете на сайте www.bioplastics24.com. Естественно, что не все разработки «приживутся» на рынке, но даже само их количество свидетельствует о значительном интересе к данной проблеме.

Природные источники сырья для синтеза разрушаемых биопластиков

Биопластики, производимые на основе природных материалов, например из крахмала, появились в середине 70-х гг. ХХ в. Эти полимеры, полученные из растительных волокон, растений и целлюлозы, до недавнего времени доминировали на рынке среди биоразрушаемых пластиков. Источником сырья для производства биопластиков такого типа служат злаковые растения и картофель. Так, из кукурузы можно получить до 80 % крахмала от зеленой биомассы растения. Биопластик из крахмала разлагается в почве под воздействием микроорганизмов до конечных продуктов, - диоксида углерода и воды. Однако крахмал растворяется в воде, поэтому изделия из него деформируются при контакте с влагой.

Существует иной путь получения более функционального биопластика для упаковки. Это использование крахмалсодержащего сырья для микробиологической трансформации его в молочную кислоту (лактид). Далее мономеры лактида подвергают полимеризации с образованием полилактида (полимолочной кислоты, ПМК) - биопластика, обладающего по сравнению с крахмалом более высокими прочными свойствами. Еще один путь производства биопластиков основан на использовании микроорганизмов, способных синтезировать в специфических условиях роста полимерный материал, подобный полипропилену. Это линейные термопластичные полиэфиры, так называемые полигидроксиалканоаты (ПГА), которые в настоящее время становятся лидирующим классом среди биопластиков.

Полностью биоразрушаемые пластики производят также из природного сахаросодержащего сырья. В ходе многочисленных экспериментов по их производству использовали самые разные растения - от картофеля, пшеницы, бобовых, подсолнечника, сахарной свеклы до древесины тополя и осины. Одни оказались непригодными, а другие, такие как пшеница, кукуруза, сахарная свекла, - весьма перспективными.

В настоящее время используются такие природные полимеры, как целлюлоза, натуральный каучук, полисахариды, полипептиды, хитин, эпоксидированные масла, лигнин, поллулан, сложные полиэфиры и др. Большой интерес вызывает крахмал как относительно недорогое по цене сырье, который экстрагируют из картофеля, пшеницы, кукурузы, риса.

Однако полимеры на основе крахмала имеют существенный недостаток - нестойкость к воздействию воды. Распространенным решением этой проблемы является внедрение композиционных материалов с добавлением природных или синтетических компонентов для усиления водостойкости.

Так, компания Rodenburg Biopolymers первой в мире предложила биопластик Solanyl по цене, сопоставимой с обычными синтетическими пластиками. Solanyl - это разлагаемый микроорганизмами пластик, в основу которого входят субпродукты промышленной переработки картофеля. Начиная с ноября 2001 г. , самый большой в Европе завод по производству биопластика производит около 47 000 т продукта в год. Подобное производство создано в Нидерландах. Объем поставляемого Rodenburg Biopolymers фермерами сырья для производства этого биопластика составляет около 400 000 т/год.

Области применения пластика определяются тем, что его уникальные свойства превосходят свойства альтернативных материалов. Solanyl может обрабатываться серийным оборудованием, выпускаемом для прессования под давлением и получения пленки. Среди производителей, предлагающих биопластики для упаковки на основе растительного крахмалсодержащего сырья, - итальянская фирма Novamont SpA и английская компания Environmental Polymers Group (EPG).

В Италии запущены в производство четыре композиции материала марки Mater-Bi, нетоксичного полиацеталя на основе крахмала. Novamont - ведущий итальянский производитель биопластика. Mater-Bi -это полностью биоразлагаемый, поддающийся биохимическому распаду биопластик, по своей степени устойчивости и прочности не уступающий традиционным разновидностям пластика, содержит в своем составе природное сырье, отличается низким уровнем выброса в атмосферу парниковых газов и пониженным потреблением энергоресурсов. Компанией разработана серия материалов марки Mater-Bi®.

Так, пленочная продукция этой марки успешно опробована одной из ведущих британских сетей супермаркетов в процессе фасовки и упаковки фирменной линии натуральных овощей и фруктов. Ламинированная пленка, представляющая собой синергическую комбинацию биоразлагаемого пластика - это новая упаковка злаковых завтраков, выпущенная компанией Jordans Cereals. На смену традиционным пластиковым пакетам приходят пакеты, производимые из слоев «NatureFlex» (Innovia Films) и Mater-Bi®.

Данная комбинация гарантирует идеальные механические и изолирующие свойства биоразлагаемой упаковки, рекомендуемой к использованию в сегменте обезвоженных продуктов питания с длительными сроками годности. Экструзионное покрытие - особая разновидность Mater-Bi, разработанная в целях осуществления ламинирования способом экструзии.

Переработка материала осуществляется на основе использования стандартного промышленного оборудования, при этом по своей природе он напоминает традиционные полиолефины по своей устойчивости, скорости производства и плотности. Благодаря прекрасным герметизирующим и адгезивным свойствам материала, он рекомендуется к использованию в упаковке самого разнообразного товарного ассортимента, в том числе и в фармацевтической промышленности.

В Австрии и Швеции McDonald's предлагает в своих ресторанах вилки и ножи, созданные из кукурузы, компания Goodyear выпустила первые биошины Biotred GT3, а магазины Carrefour во Франции, Esselunga в Италии и Co-Op в Норвегии продают свои товары в биопластиковых пакетах из того же Mater-Bi. В Италии планируют также производить биопластик из сахарной свеклы, который разрушается водными микроорганизмами за 10 дней при комнатной температуре.

Австралийская компания CRC заявила о создании биопластика из кукурузного крахмала. Новый материал разрабатывался в течение шести лет по заказу International Food Manufacture and Packaging Science. Биопластик будет применяться для упаковки сухих пищевых продуктов. Разработчики заявляют, что из «сиропной массы» можно создавать полимерные пакеты, тарелки, стаканы, ложки и вилки. Например, сделанные из пластика на основе кукурузы вилки находят широкое применение в разных странах.



К тому же у биопластика, созданного из кукурузного крахмала, есть еще одна примечательная особенность - изделия из него можно производить с расчетом срока самораспада. Некоторые виды биопластмассы на основе крахмала могут служить в течение нескольких месяцев, некоторые - в течение нескольких лет.

Ученые из Университета Айовы (США) разработали технологию, направленную на повышение прочностных свойств биопластика с помощью наноклея. Руководитель команды исследователей Дэвид Грэвелл заявил, что новый пластик будет широко востребован в производстве тары и упаковки для пищевых продуктов, и даже, возможно - цветочных горшков. Обычно при изготовлении биопластиков свернутые белки сои или кукурузы с помощью глицерина «выпрямляют» в длинные цепочки, которые затем формируют пластик. Теперь же в ходе этого завершающего этапа производства в пластик добавили наночастицы клея. Дальнейшая обработка биопластика (плавление и производство готовых изделий) происходила на специальном оборудовании от фирмы Trexel Inc.

Англичане работают над созданием особого типа поливинилового спирта, который способен к биоразложению в горячей и холодной воде. Этот материал предполагается использовать для производства упаковочной пленки методом экструзии с раздувом. Предлагаемая компанией EPG технология включает запатентованную технологию экструзии и собственные разработки биодеградантов на основе поливинилового спирта (PVON). При этом представители компании сообщают, что свойства изготавливаемой упаковочной пленки будут соответствовать или даже превышать физические характеристики пленки из поливинилхлорида и полиэтилена, а по своей стоимости смогут конкурировать с другими биоматериалами.

Разрабатываемые биологические пластики способны не только к биоразложению, но также позволяют создавать упаковку, препятствующую развитию болезнетворных микроорганизмов в продуктах. Одной из самых опасных возбудителей человеческих болезней является бактерия под названием листерия. Развиваясь в различных пищевых продуктах даже при весьма низких температурах, она может стать причиной серьезного заболевания, при котором возможен даже смертельный исход. В университете Клемсон разработана биопластмасса, содержащая в качестве наполнителя низин, препятствующий развитию патогенов. Низин является антибиотиком полипептидного типа, производным молочнокислых бактерий Streptococcus lactis, при этом он безвреден для человека.

Промышленным производством биопластиков занимаются японский автоконцерн «Toyota» и американская компания «Cargill Dow». Объемы производства такого экологически чистого пластика до недавнего времени не превышали 100 тыс. т в год. Toyota намерена кардинально изменить ситуацию. Как заявил глава биотехнологического подразделения компании Кодзабуро Цукисима, в 2007 г. компания построила завод мощностью до 50 тыс. т биопластика в год, а к 2020 г. производство будет увеличено до 20 млн т, благодаря чему Toyota собирается зарабатывать на биопластике по 38 млрд дол. в год.

Стоимость полимера будет снижена до 2 долларов с нынешних 5-10 долларов за килограмм, таким образом, по цене он сравняется с синтетическими пластиками. Toyota производит биопластики из сахарного тростника, кукурузы и тапиоки - муки из маниоки. Данный материал горит при низких температурах, не выбрасывая в атмосферу вредные газы. Помимо упаковки, Toyota планирует использовать детали из этого биопластика в своих автомобилях. Уже в настоящее время элементы из биопластика входят в комплектацию двух моделей Toyota - минивэна Raum и седана Prius.

В настоящее время один кг биопластика стоит 500-1 000 йен, что в 5 раз больше цены обычного пластика, производящегося из нефти. Япония потребляет около 14 млн т пластика в год - примерно десятую часть объема, производящегося во всем мире. Из этих 14 млн т только 10 тыс. т приходится на биопластик.

Другой гигант автомобилестроения в Японии - компания Mazda Motor Corp. ориентируется на производствоо биопластика из непищевого сырья. Для выполнения данного проекта и его доведения для промышленной реализация компания привлекла специалистов из университета города Хиросима. Разработчики этого проекта акцентируют, что для производства биопластика не будет использоваться пищевое сырье, т.е. производство биопластика не нанесет ущерба пищевой промышленности.

В качестве сырья планируется использовать отходы деревообрабатывающей промышленности, опилки и прочие отходы. Помимо упаковки, биопластик будет использован при производстве бамперов и отдельных элементов центральной консоли. Ожидается, что «пластик из опилок» будет массово применен при производстве очередного поколения Mazda-3, появление которого намечено на 2013 г. На данный же момент компания демонстрирует достигнутые результаты на экспериментальном Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid.

В этом же автомобиле Mazda показывает другую экологически чистую технологию - получение тканей для отделки салона из отходов деревообрабатывающей промышленности. Как заявили представители компании Mazda, помимо упаковочного биопластика, ими создан высокопрочный и жаростойкий биопластик, пригодный для применения в создании внешних поверхностей автомобилей.

Кроме того, он может использоваться в качестве внутренних деталей транспортных средств. Недавно разработанный биопластик в три раза прочнее и имеет на 25 % большую жаростойкость, чем сравнимый с ним давно существующий биопластик, используемый для электрооборудования. В отличие от обычного полипропиленового пластика на нефтяной основе, новый биопластик имеет сравнительно большую твердость, что поможет экономить материал и делать детали более тонкими.

Нельзя не отметить, что в настоящее время в Японии происходит настоящий бум производства биоразлагаемых полимеров. Если в 2000 г. объемы производства экологически безопасного материала составляли лишь 2000 т, то сегодня это уже около 50 тыс. т, а к 2010 г. эксперты прогнозируют увеличение и до 200 тыс. т. В настоящее время только в Токио существуют более 200 компаний, специализирующихся на разработке биопластиков.

В России, как отметил аналитик ИК «Проспект» Дмитрий Царегородцев, отечественными учеными также запатентована технология изготовления биопластика из древесины. Однако производится он в очень малых количествах и используется как сырье для прозаичных продуктов: крахмала и водки.

За рубежом разработками в области создания биоупаковки занимаются не только коммерческие, но и различные научные организации. Так, бразильские ученые создали съедобную липкую пленку. После двенадцати месяцев работы исследователи из государственного университета Кампинас, Сан-Паулу нашли уникальный материал для такой пленки - муку амаранто (питательный хлебный злак, который выращивается в Южной Америке).

Эта упаковка перерабатывается биологическими методами, т.е. деградирует в почве под воздействием микроорганизмов, при этом имеет высокий уровень содержания белка. Кроме того, разработанная пленочная упаковка высокопрозрачна и обладает свойствами, которые позволяют хранить свежие фрукты и овощи значительно дольше, чем обычно.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы