Правда о биопластиках

25.12.2017

Биопластики имеют репутацию экологически чистых, но заслужили ли они это звание?

С 1950-х годов в мире произведено более миллиарда тонн пластмасс. Из них 165 миллионов тонн попали в океан, загрязнив его, и каждый год в океан попадает еще 9 миллионов тонн. Поскольку во вторичную переработку поступает лишь около 9% производимого пластика, остальная часть либо загрязняет окружающую среду, либо оседает на свалках, где его полное разложение может занять до 500 лет, при этом в почву будут выделяться токсичные вещества.

Традиционные пластмассы изготавливаются из сырья на основе нефтепродуктов. Как утверждают некоторые, проблему загрязнения могут решить биопластики, состоящие на 20 и более процентов из возобновляемого сырья. Как правило, в числе достоинств биопластиков называют снижение потребления углеводородов, меньший «углеродный след» (объем выбросов углекислого газа в атмосферу) и более быстрое разложение. Кроме того, биопластик менее токсичен и не содержит бисфенол А (БФА) – гормональный деструктор, который нередко обнаруживается в обычных пластиках.

Картик Чандран, профессор Отделения Земли и экологических технологий Колумбийского университета, работающий над биопластиками, уверен, что в сравнении с обычными пластмассами биопластики – «большой шаг вперед».

Однако на деле биопластики – не панацея от всех наших проблем с пластмассами.

Насколько биопластики биоразлагаемые?

Первым делом разберемся с терминологией, чтобы избежать путаницы.
Разлагаемый: Все пластики разлагаемые, включая и «обычные», но если пластик распадется на крохотные фрагменты или пылинки, это еще не значит, что он когда-нибудь вернется в круговорот природы. Некоторые добавки к традиционным пластмассам могут способствовать их более быстрому разложению. Фоторазлагаемый пластик быстрее распадается под действием солнечного света, кислородоразлагаемый – под действием света и тепла.
Биоразлагаемый: Биоразглагаемый пластик в соответствующих условиях под действием микроорганизмов может полностью разложиться на воду, углекислый газ и органику. «Биоразлагаемость» предполагает, что полный распад происходит за несколько недель или месяцев. Биопластики, которые не разлагаются столь быстро, называют «стойкими», а некоторые биопластики, получаемые из биомассы, которые не могут быть просто разложены микроорганизмами, называются бионеразлагаемыми.
Компостируемый: Компостируемые пластики биоразлагаются в компостной яме. Микроорганизмы разлагают их на углекислый газ, воду, неорганические соединения и биомассу с той же скоростью, что другие органические материалы в компостной куче, не оставляя никаких токсичных остатков.

Типы биопластика

Сегодня биопластики используются для изготовления одноразовых предметов – упаковки, контейнеров, соломинок для напитков, пакетов и бутылок, а также многоразовых – напольных покрытий, пластиковых трубопроводов, корпусов телефонов, в 3D-печати, при производстве электроизоляции и медицинских имплантатов. Прогнозируется рост рынка биопластиков с 17 млрд. долларов в текущем году до 44 млрд. в 2022 г.

Есть два основных типа биопластика.

PLA (полимолочная кислота, полилактид), как правило, получается из сахаров кукурузного крахмала, маниока или сахарного тростника. Он пищевой, биоразлагаемый и углеродно-нейтральный. Чтобы получить пластик из кукурузы, зерна кукурузы погружают в диоксид серы и горячую воду, где их компоненты распадаются на крахмал, белок и клетчатку. Затем зерно перемалывают, и кукурузное масло отделяют от крахмала. Крахмал представляет собой длинные цепочки углеродных молекул, схожие с углеродными цепочками в пластиках, полученных из углеводородов. Добавляется лимонная кислота для формирования длинноцепных полимеров (больших молекул, состоящих из повторяющихся маленьких участков), которые и становятся «кирпичиками» пластика. PLA может иметь вид и свойства полиэтилена (из которого изготавливают пленки, пакеты и бутылки), полистирена (пенопласт и пластиковые столовые приборы) или полипропилена (упаковка, ткани, детали автомобилей). Один из крупнейших производителей – компания NatureWorks в Миннесоте, выпускающая PLA под брендом Ingeo.

PHA (полигидроксиалканоат) производится микроорганизмами, иногда подвергнутыми генной модификации, из органических материалов. Микробы вместо питательных веществ – азота, кислорода, фосфора – получают большое количество углерода. Они начинают производить PHA в качестве запасов углерода в виде гранул, пока не получат достаточно питательных веществ для роста и размножения. Затем произведенный микробами PHA, имеющий схожую с обычными пластиками химическую структуру, собирается. Поскольку он биоразлагаемый и не вредит живым тканям, его часто используют в медицине для швов, повязок, костных пластин и «искусственной кожи». Кроме того, из него изготавливают одноразовую упаковку для еды.

Побочные эффекты производства биопластиков

Хотя в целом биопластики считаются более экологически чистыми, чем обычные пластмассы, исследование, проведенное в 2010 г. Питтсбургским университетом, показало, что это не обязательно так, если взять в расчет жизненные циклы материалов.

В исследовании сравнивались семь обычных пластиков, четыре биопластика и один полученный из ископаемых углеводородов и возобновляемых источников. Исследователи обнаружили, что при производстве биопластика образуется большее количество загрязняющих веществ из-за удобрений и пестицидов, применяемых для выращивания урожая, а также из-за химической обработки, необходимой для превращения органики в пластик. Кроме того, биопластики сильнее обычных воздействуют на озоновый слой и требуют большей площади земли для производства. Обнаружено, что гибридный пластик B-PET имеет наибольший потенциал токсического воздействия на экосистемы и выделяет наибольшее количество канцерогенов. Он же показал худший результат в анализе жизненного цикла, поскольку его производство сочетает в себе негативные эффекты сельского хозяйства и химической обработки.

Биопластики выделяют значительно меньше парниковых газов, чем обычные. При их распаде не происходит прироста углекислого газа, поскольку растения, из которых произведен биопластик, при своем росте поглотили ровно такое же количество углекислого газа. Исследование 2017 г. показало, что переход с обычного пластика на полученный из кукурузы PLA снизит выбросы парниковых газов в США на 25%. Также сделан вывод, что если бы обычные пластики производились с применением возобновляемых источников энергии, выбросы парниковых газов сократились бы на 50-75%. Однако наиболее многообещающим в этом смысле выглядит производство биопластиков с помощью возобновляемых источников энергии.

Прочие проблемы

Хотя биоразлагаемость – преимущество биопластиков, большинству из них для разложения требуется высокая температура, и далеко не все предприятия по утилизации имеют необходимую для этого инфраструктуру. В результате биопластики часто просто отправляются на свалку, где при недостатке кислорода выделяют метан – газ с парниковым эффектом в 23 раза сильнее, чем у углекислого газа.

Если биопластик неправильно утилизируется, он может загрязнять партии переработанного пластика и вредно воздействовать на инфраструктуру предприятий по утилизации. Если биопластик загрязняет переработанный полиэтилен – самый распространенный пластик, из которого изготавливаются бутылки для напитков - вся партия может быть забракована и отправлена на свалку. Поэтому для правильной утилизации биопластиков необходима налаженная система раздельного сбора отходов.

За землю, необходимую для производства биопластиков, конкурирует пищевая промышленность: урожаи, перерабатываемые в биопластик, могут использоваться и для пропитания. Коалиция по загрязнению пластиком прогнозирует, что для удовлетворения растущего мирового спроса на биопластики к 2019 г. будет использовано более 13 тыс. кв. км земли для выращивания сырья, что превышает площадь Бельгии, Дании и Нидерландов вместе взятых. Кроме того, бензин, на котором работает сельскохозяйственная техника, производит выбросы парниковых газов.

Также биопластики сравнительно дороги. PLA может быть на 20-50% дороже аналогичных материалов из-за сложности процесса переработки кукурузы или сахарного тростника в полимеры PLA. Но по мере развития более эффективных и экологичных технологий производства биопластиков цены на них снижаются.

От канализации к биопластикам

Картик Чандран и студенты Колумбийского университета работают над технологиями производства биопластика из сточных вод и твердых отходов. Чандран использует смесь различных микроорганизмов, которые получают углеродное питание в виде летучих жирных кислот, в том числе уксусной кислоты.

Предложенная им технология такова: сточные воды подаются в биореактор, где микроорганизмы (не те, что производят пластик) превращают органический углерод отходов в жирные летучие кислоты. Микробы поочередно подвергаются «кормлению» и «голоданию», во время которого они запасают углерод в форме PHA.

Чандран экспериментирует с более концентрированными отходами, включая пищевые отходы и человеческими экскрементами для более эффективного получения жирных летучих кислот. Задача его исследований – увеличить выход PHA и интегрировать отходы в производство. «Мы хотим получить как можно больше [из обеих систем]», – говорит Чандран.

Он считает, что его интегрированная система окажется более экономически эффективной, чем сегодняшние технологии производства биопластиках, требующие закупки сахаров для получения PHA. «Если включить переработку сточных вод или пищевых отходов в производство биопластиков, это становится весьма [экономически] привлекательно», – утверждает Чандран, – «поскольку если мы выйдем на коммерческий уровень производства, нам будут платить за то, что мы забираем пищевые отходы, и потом еще за сам биопластик». Чандран надеется, что однажды отходы станут привычным сырьем для полезной продукции, включая и биопластик.

Другие многообещающие альтернативы

Компания Full Cycle Bioplastics в Калифорнии также производит PHA из органических отходов, включая пищевые, отходы от сбора урожая (стебли, несъедобные листья), садовые отходы и непереработанную бумагу или картон. Этот биопластик, применяемый для изготовления пакетов, контейнеров, столовых приборов, бутылок для воды и шампуней, компостируемый, разлагаемый в море (при попадании в океан может служить пищей рыбе или микроорганизмам) и не оказывает токсического воздействия. Full Cycle может перерабатывать использованные изделия из PHA, получая из них новый биопластик.

Renmatix, находящаяся в Пенсильвании, вместо более дорогих пищевых отходов использует древесную биомассу, энергетические травы и отходы сбора урожая. Ее технология выделяет сахар из биомассы под действием воды и тепла, а не кислот, растворителей или ферментов, и процесс получается сравнительно чистый, быстрый и недорогой. Сахара и лигнин из биомассы затем используются в качестве структурных элементов биопластиков и других биопродуктов.

Ученые Мичиганского государственного университета пытаются снизить стоимость производства биопластика, используя цианобактерии (сине-зеленые водоросли), которые способны производить химические соединения путем фотосинтеза. Вместо того, чтобы кормить бактерии сахарами, полученными из кукурузы или тростника, ученые «научили» цианобактерии постоянно выделять сахар, который они производят естественным образом. Затем этот сахар поглощается бактериями, производящими пластик.

Исследователи из Стэнфордского университета и стартаперы из Калифорнии Mango Materials превращают в биопластик метан с предприятий очистки сточных вод и свалок. Метан подается бактериям, превращающим его в PHA, который компания продает производителям пластика. Он используется для производства пластиковых крышек, флаконов для шампуней и биополиэстеровых волокон, которые могут применяться в сочетании с натуральными материалами в производстве одежды. Биопластик разлагается обратно в метан, а если попадает в океан, служит питанием для морских микроорганизмов.

Центр природоохранных технологий университета Бат в Англии производит поликарбонат из сахаров и углекислого газа, применяемый для производства бутылок, линз и покрытий для телефонов и DVD. Обычный поликарбонатный пластик производится с применением бисфенола А (запрещенного в производстве бутылочек для детского питания) и токсичного фосгена. Исследователи из Бат нашли более дешевый и безопасный метод с добавлением углекислого газа к сахарам при комнатной температуре. Почвенные бактерии могут разлагать биопластик обратно на углекислый газ и сахара.

Кроме того, исследуются и возможности полного замещения пластика. Японская проектная компания AMAM выпускает упаковочные материалы из агар-агара, получаемого из красных водорослей. Министерство сельского хозяйства США разрабатывает биоразлагаемую пищевую пленку из молочного белка казеина для упаковки продуктов; она сохраняет свежесть еды в 500 раз лучше, чем обычная пластиковая пленка. Нью-йоркская компания Evocative производит «грибные» биоразлагаемые упаковочные материалы, плитку, клумбы и др. из мицелия – подземной разветвленной части гриба.

Сегодня сложно наверняка утверждать, что биопластики более экологичны, чем традиционные пластики, если принять во внимание весь их жизненный цикл: использование земли, пестицидов и удобрений, энергопотребление, выделение парниковых газов и метана, биоразлагаемость, пригодность к переработке и т. д. Но исследователи работают над более экологически чистыми и эффективными технологиями их производства, и это вселяет надежду на то, что биопластики помогут уменьшить загрязнение и снизить выбросы парникового углекислого газа.


Источник: СитиПак-БИО (bio-pack.ru)


< Возврат к списку