Technologia

Dobry plastik

Numer 11/2019
Tak wygląda bioplastik, ­zanim zamieni się w sztućce czy reklamówki. Tak wygląda bioplastik, ­zanim zamieni się w sztućce czy reklamówki. Arsenii Palivoda / Shutterstock
Aby ratować duszącą się pod plastikiem przyrodę, naukowcy proponują nowe ekologiczne materiały, które mają powstawać ze śmieci czy odpadów rolniczych, a po użyciu łatwo się rozkładać. Wśród badaczy, którzy nad tym pracują, nie brakuje Polaków.
Tak wygląda cząsteczka PLA, czyli ­polilaktydu – jednego z naj­popularniejszych surowców do produkcji ekoplastiku.molekuul_be/Shutterstock Tak wygląda cząsteczka PLA, czyli ­polilaktydu – jednego z naj­popularniejszych surowców do produkcji ekoplastiku.

Słomki, butelki, jednorazowe torby i inne plastikowe wytwory przemysłu zalewają środowisko. Co roku prawie 9 mln t tworzyw sztucznych wpada do oceanów, a cząstki mikroplastiku można znaleźć już nawet w śniegu niedaleko bieguna. Z wielu plastikowych przedmiotów zrezygnować jest jednak ciężko, dlatego naukowcy szukają nowych rozwiązań, dzięki którym ludzie mają nadal cieszyć się beztroską wygodą, a przyroda – bezpieczeństwem. Zapewnić miałyby to przyjazne środowisku tworzywa, które, nawet jeśli się ich nie odzyska, bezpiecznie ulegną rozkładowi i nie zanieczyszczą mórz czy lasów. Jednocześnie dzięki nim można zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych – do środowiska uwalniają tylko węgiel wcześniej zaabsorbowany przez organizmy, dzięki którym powstały.

Oporne ekoplastiki

Z uzyskaniem idealnego materiału wiążą się jednak spore problemy. Dobrze pokazał to zespół z University of Plymouth, który sprawdził, jak radzą sobie obecnie dostępne tzw. ekologiczne tworzywa. Zależnie od swojej struktury mają one rozkładać się w środowisku pod wpływem tlenu, mikroorganizmów lub też w specjalnych kompostowniach. Badacze umieścili wykonane z tych tworzyw jednorazowe torby w glebie, wodzie morskiej i pozostawili na powietrzu. Wyniki skłaniają do zastanowienia. Na wolnym powietrzu wszystkie torby stosunkowo szybko porwały się na kawałki. W środowisku wodnym tylko kompostowalna torba uległa rozkładowi. Natomiast po trzech latach w wodzie oraz w ziemi torby, które mają być rozkładane przez bakterie i pod działaniem tlenu, mogły utrzymać ponaddwukilogramowy ciężar. Torba kompostowalna uległa w ziemi pewnym zniszczeniom, ale także przetrwała. „Badanie to przywołuje szereg pytań na temat tego, czego ludzie mogą oczekiwać, widząc przedmiot oznaczony jako biodegradowalny. Pokazaliśmy, że przetestowane materiały nie mają jednolitej prawdziwej przewagi, jeśli chodzi o trafiające do morza śmieci” – podkreśla uczestniczący w badaniu prof. Richard Thompson, officer of the order of the British Empire.

Kolejne minusy

Większość bioplastików oparta jest na termoplastycznej skrobi uzyskiwanej np. z ziemniaków czy kukurydzy, na polilaktydzie (PLA) otrzymywanym z różnych cukrów roślinnych lub na polihydroksyalkanianach (PHA) – polimerach pochodzących głównie z produkujących je kultur bakteryjnych. Niestety, z ich wytwarzaniem wiążą się istotne problemy. Uprawa roślin stosowanych jako surowiec wymaga dużych obszarów ziemi oraz stosowania nawozów i pestycydów. Nie bez znaczenia dla środowiska są też chemikalia używane przy zamianie biologicznego materiału w docelowe tworzywo. Bywa też, że rozkładając się w niewłaściwych warunkach, poza specjalną kompostownią, niektóre bioplastiki emitują silnie działający cieplarniany gaz – metan. Do tego, jeśli zanieczyszczą partię tradycyjnego plastiku przeznaczonego do recyklingu, mogą spowodować konieczność jej odrzucenia. Produkcja tego typu tworzyw jest przy tym relatywnie droga. W odpowiedzi na te wyzwania naukowcy proponują na szczęście coraz to nowsze sposoby otrzymywania sprzyjających środowisku materiałów.

Plastik z bawełny

Zespół z Deakin University opracował np. metodę wytwarzania bioplastiku z niewykorzystywanych części bawełny. Podejście to nie wymaga zarezerwowania dodatkowych obszarów ziemi pod przeznaczone do produkcji plastiku uprawy. Odpady po produkcji bawełnianych włókien zostają rozpuszczone w stosunkowo bezpiecznym dla środowiska kwasie mrówkowym. Z tej mikstury naukowcy układają cienkie warstwy i po odparowaniu kwasu pozostaje błona z lignocelulozowego bioplastiku. „Odpady powstające przy odziarnianiu bawełny to obiecujące źródło odnawialnej biomasy. Po ich rozłożeniu powstaje bowiem organiczny polimer, z którego można wytworzyć uniwersalny biodegradowalny materiał. Inna przewaga naszego materiału nad syntetycznym plastikiem jest taka, że jego wytwarzanie nie wymaga toksycznych chemikaliów. Dzięki temu jego masowa produkcja jest bezpieczniejsza i tańsza. Do tego może działać jako element gospodarki o obiegu zamkniętym” – mówi autorka wynalazku dr Maryam Naebe. „Bioplastik ulega biodegradacji i zamienia się w składniki gleby, które z kolei można wykorzystać do nawożenia pól na przykład właśnie bawełny.

W ten sposób można uzyskiwać kolejne odpady w czasie procesu odziarniania, używane do dalszej produkcji plastiku” – wyjaśnia badaczka. Jej zespół pracuje teraz nad podobnym wykorzystaniem innych roślinnych surowców, takich jak palczatka (rodzaj trawy), konopie, łupiny migdałowca, słoma pszeniczna czy trociny.

Resztki jedzenia i karton

Produkcja bioplastiku może jednak pozwolić na pozbycie się różnego typu śmieci. Kalifornijska firma Full Cycle Bioplastics opracowała technologię wytwarzania opartego na PHA bioplastiku praktycznie z dowolnego rodzaju odpadów organicznych – resztek jedzenia, zbędnych części roślin uprawnych, nawet kartonu. Materiał produkują bakterie. Powstaje dzięki nim tworzywo, z którego można wykonać różnorodne przedmioty – butelki i inne pojemniki, torby czy sztućce. Można je potem poddać recyklingowi, a jeśli trafią przez przypadek do morza, rozłożą się bez wytwarzania toksycznych substancji. „PHA jest wyjątkowo kompostowalne, o wiele bardziej niż PLA, i jednocześnie biodegradowalne w warunkach morskich. Jeśli trafi do morza, staje się pożywieniem dla ryb lub bakterii, bez żadnych szkodliwych efektów. PHA jest dostępne już od jakiegoś czasu. Nie my pierwsi stosujemy ten materiał. Jednak inni, którzy produkują go komercyjnie, otrzymują go z naprawdę drogich surowców, takich jak czyste cukry czy oleje z nasion. My robimy inaczej – używamy organicznych odpadów, które nic nie kosztują i są dostępne wszędzie” – wyjaśnia członek zarządu firmy Jeff Anderson. Nieco podobne podejście stosuje grupa ze Stanford University. Badacze karmią bakterie metanem uwalnianym w oczyszczalniach ścieków czy na wysypiskach, także otrzymując PHA.

Metoda z jajem

Przyroda bogata jest w materiały, które mogą przydać się w produkcji pożądanych tworzyw. Na przykład naukowcy z Tuskegee University dodali skorupki jaj do swojego przepisu na ekoplastik. Badacze testowali różne polimery, szukając receptury na uzyskanie odpowiedniej wytrzymałości i elastyczności. Ostatecznie zdecydowali się na połączenie otrzymywanego z ropy, ale biodegradowalnego PBAT – poli[adypinian 1,4-butylenu-co-tereftalan 1,4-butylenu] – oraz PLA w proporcji 7:3, jednak produkt nie spełniał do końca ich oczekiwań. Pomogły skorupki rozdrobnione do cząstek 350 tys. razy mniejszych niż średnica ludzkiego włosa. „Rozdrabniamy skorupki jaj na jak najmniejsze kawałki i dodajemy je do opracowanego przez nas bioplastiku. Te pochodzące ze skorupek cząstki o nanometrowych rozmiarach zwiększają wytrzymałość naszego materiału i sprawiają, że jest bardziej elastyczny niż inne bioplastiki dostępne na rynku. Wierzymy, że te cechy w połączeniu z biodegradowalnością w glebie mogą sprawić, iż bioplastik ten stanie się bardzo atrakcyjnym materiałem alternatywnym wobec innych surowców opakowaniowych” – mówi jeden z autorów wynalazku, prof. Vijaya Rangari z Tuskegee University.

Polskie pomysły

Także specjaliści z naszego kraju mają swój wkład w ratowanie Ziemi przed powodzią plastikowych odpadów. Niedawno zespół z Katedry Technologii Polimerów Wydziału Chemicznego Politechniki Gdańskiej opracował technologię wytwarzania tworzywa ze skrobi termoplastycznej połączonej z PLA. Taki miks nie jest niczym nowym, ale znaczenie ma tu sposób przygotowania skrobi i jej połączenia z polilaktydem. „Nasz proces otrzymywania kompozycji polimerowych jest prosty i wykorzystujemy w nim łatwo dostępne składniki pochodzenia naturalnego lub z odnawialnych surowców. Jesteśmy w stanie obniżyć koszty materiałowe wytwarzania biodegradowalnych produktów o co najmniej 20% w stosunku do wyrobów obecnych na rynku i wytwarzanych z czystego niedomieszkowanego PLA” – mówi „Wiedzy i Życiu” kierująca badaniami prof. Helena Janik. Zalet otrzymanego materiału jest więcej. „Produkty otrzymane z naszych kompozycji wykazują się trwałością podczas użytkowania i podlegają recyklingowi organicznemu, który można przeprowadzić w przeznaczonych do tego celu kompostowniach przemysłowych. Sztućce, opakowania i kubeczki otrzymywane z opracowanych materiałów mogą być po użyciu kierowane wraz z resztkami jedzenia do kompostowania, gdzie ulegną biodegradacji. Produkty tego procesu są bezpieczne dla środowiska” – dodaje profesor. Co więcej, z badań wynika, że polimer może stanowić pożywienie dla niektórych organizmów wodnych.

„Nowy materiał można też zastosować do produkcji szeregu innych wyrobów, poczynając od opakowań w postaci pudełek, słoiczków do wyrobów codziennego użytku, takich jak długopisy, zabawki, a kończąc na filamentach do drukarek 3D. Jesteśmy w stanie zaproponować potencjalnemu odbiorcy rozwiązania od produktów odpornych na wodę i olej po produkty całkowicie rozpuszczalnych w wodzie” – podkreśla prof. Janik. Naukowcy przeprowadzili już zakończone sukcesem testy produkcji jednorazowych sztućców.

Nanodruciki i światło

Również w ostatnim czasie grupa badawcza z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk przedstawiła ważne dla plastikowego przemysłu osiągnięcie. Naukowcy PAN nie opracowali nowego tworzywa, ale udało im się dokonać czegoś przynajmniej równie istotnego. Otóż obmyślili oni nową metodę otrzymywania substancji o nazwie 2,5-diformylofurfural (DFF). To związek przydatny w wielu gałęziach przemysłu – m.in. przy produkcji leków, kosmetyków, perfum, paliw, a także właśnie bezpiecznych dla środowiska plastików. „Chcemy, aby możliwe było zastąpienie materiałów PET czymś, co rozłoży się w kilka miesięcy, najwyżej lat. Dzisiejsze otrzymywane z ropy plastiki zawierają ftalany i inne plastyfikatory, których samodzielnie nie rozłożą ani bakterie, ani grzyby. Dlatego tak długo zalegają w lasach czy morzach” – w komunikacie PAN wyjaśnia kierujący badaniami prof. Juan Colmenares. Materiały oparte na DFF są inne. „Były już prowadzone testy tego typu polimerów. Rozpadają się na monomery przypominające cukry. A cukry to smaczny kąsek dla wielu mikroorganizmów. Nawet jeśli wyrzucona butelka z takiego plastiku trafi do lasu, rozłoży się znacznie szybciej niż zwykły polimer – najpóźniej za kilka lat” – podkreśla naukowiec. Do tej pory wytwarzanie DFF wymagało użycia wysokiej temperatury oraz skomplikowanej technologii. Nowa metoda wymaga tylko fotoreaktora. Światło pochodzące z diod lub ze słońca współdziała z katalizatorem (dwutlenkiem manganu) uformowanym w nanodruciki. Taka forma katalizatora pozwala zmaksymalizować pochłanianie światła. W efekcie substancja stosowana jako substrat – HMF (hydroksymetylofurfural) – którą na skalę przemysłową otrzymuje się m.in. z celulozy czy ligniny, prawie całkowicie przekształca się w DFF. „To metoda pozbawiona produkcji odpadów, niewymagająca dostarczania tlenu czy innych składników (np. nadtlenku wodoru). Wystarczy tlen obecny w powietrzu, aby otrzymać czysty monomer potrzebny do produkcji liniowych polimerów i... np. butelek” – o nowej technologii opowiada prof. Colmenares. Oby takich pomysłów powstawało jak najwięcej. Ziemia czeka na nie z coraz większą niecierpliwością.

Marek Matacz
niezależny dziennikarz popularnonaukowy, z wykształcenia biotechnolog

01.11.2019 Numer 11/2019

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną