Materiał biodegradowalny, czyli jaki?

Na temat przyszłości polimerów, skali produkcji poszczególnych grup polimerów, znaczenia nowych rodzajów polimerów oraz udziału polimerów wysoce wyspecjalizowanych w światowej produkcji zdania są podzielone. Ale w jednej sprawie poglądy są zgodne. Z biegiem czasu wzrastać będzie znaczenie polimerów otrzymywanych z odnawialnych surowców. W skrajnej formie pogląd ten formułowany jest z przekonaniem, że polimery z odnawialnych surowców zajmą miejsce polimerów otrzymywanych z surowców kopalnych. Przeciwnicy tego poglądu uważają, że nie wystarczy powierzchni pól uprawnych i lasów, oraz uważają, że ten kierunek zmian fatalnie odbije się na zaopatrzeniu w żywność. Tym bardziej, że duża część ludności świata jest obecnie niedożywiona a w tym fragmencie populacji przyrost naturalny będzie nadal największy. Przewidzenie przyszłości nie jest oczywiście możliwe, jak się można było przekonać wielokrotnie w ubiegłej historii. Ale niektóre z przedstawionych powyżej poglądów, które przeciwstawiają się wykorzystaniu surowców odnawialnych na wielką skalę, nie są wystarczająco oparte na znanych obecnie faktach. Warto więc przede wszystkim porównać rozmiary światowej produkcji polimerów i kilku źródeł surowców odnawialnych. Obecna światowa produkcja polimerów wynosi ok. 350 mln t/rok (350 Mt/rok – dane za 2018 r.). Natomiast światowa produkcja potencjalnego masowego surowca wyjściowego, jakim jest cukier wynosi ok. 150 Mt/rok. W jednym tylko kraju – w Brazylii, produkcja cukru z najbardziej wydajnej uprawy, trzciny cukrowej, wynosi ok. 40 Mt/rok. Jak już wspomniano, jest szereg czynników składających się na spodziewany rozwój technologii polimerów z odnawialnych surowców. Należy dodać do nich również szybko postępujący rozwój technologii roślin modyfikowanych genetycznie. Wzrost wielkości zbiorów np. kukurydzy lub trzciny cukrowej z jednostki powierzchni może diametralnie zmienić ceny surowców odnawialnych. Ale, z drugiej strony, powodzenie w rozwoju technologii wydobycia ropy naftowej z nowych źródeł i gazu ziemnego (np. łupki, wodziany metanu) mogą znacznie wpłynąć na obniżenie cen surowców kopalnych.

 

Kilka dni temu pojawił się w sieci artykuł na temat fińskiego eksperymentu w morzu bałtyckim „Fiński Instytut Środowiska (SYKE) sprawdził jak szybko w naturalnych warunkach rozkładają się materiały plastikowe określane, jako biodegradowalne lub mające pochodzenie biologiczne. Coraz częściej używane są one do produkcji opakowań oraz innych wyrobów konsumenckich zamiast tradycyjnego plastiku.”  Testy trwały 12 miesięcy, gdzie skupiono się według autorów na trzech powszechnie używanych typach folii – polilaktydzie, polihydroksyalkanianach oraz folii celulozowej. Zbadano także próbki folii polietylenowej oraz kompozytów „polimerowo-drzewnych”. Dziwnym stwierdzeniem w artykule był fakt, że dla badaczy pewnym zaskoczeniem była nierozkładalność PLA. Otóż polilaktydu jest polimerem charakterystycznym, wytwarzanym m.in. ze skrobi kukurydzianej, lecz polimerem, który zachowuje swoje właściwości w normalnych warunkach użytkowania. Zakładając, że w Bałtyku panuje temperatura między 5-15 stopni Celsjusza nie jest możliwe, aby ten polimer uległ całkowitej biodegradacji. Dzieje się tak z kilku względów. Wszystkie polimery mogą być zdegradowane w odpowiednich warunkach. Nie wszystkie polimery biodegradowalne, ulegają degradacji w tych samych warunkach tudzież nie wszystkie polimery nadają się na ta samą aplikację – np. na jednorazowe sztućce czy kubki. Niektóre polimery ulegają degradacji jedynie do lotnych związków nie pozostawiając za sobą żadnej materii. Polilaktyd, bo o nim mowa ulega degradacji hydrolitycznej, która może poprzedzać biodegradację. Zdolność do degradacji hydrolitycznej warunkowana jest od podanych poniżej czynników molekularnych:

- krystaliczności (uporządkowanie struktury polimeru, im stopień krystaliczności jest większy tym struktura degraduje wolniej)

- zdolności do pęcznienia

- liczby podwójnych wiązań

- masy molowej

- liczby struktur aromatycznych

- stopień rozwinięcia powierzchni

 

W zakresie syntezy polimerów najbardziej zaawansowane są opracowania technologiczne wytwarzania polilaktydu i poli (kwasu mlekowego) z kwasu mlekowego LAc, jako substratu. Kwas mlekowy otrzymywany jest w procesie biotechnologicznym, prawie identycznym z fermentacyjnym wytwarzaniem alkoholu etylowego. Najkorzystniejsza ekonomicznie jest fermentacja prostych cukrów, takich jak glukoza, maltoza i dekstroza (otrzymywane ze skrobi ziemniaczanej lub kukurydzianej), sacharoza (z buraków cukrowych lub trzciny cukrowej) albo laktoza (z serwatki). Warto nadmienić, że cechy charakteryzujące PLA zależą od składu stereochemicznego jednostek powtarzalnych (czyli tworzących je łańcuchów) i ich rozkładu wzdłuż łańcucha poliestru. Wyroby wytworzone z PLA charakteryzują się zróżnicowanymi właściwościami mechanicznym zależnymi od składu stereochemicznego i masy molowej polimeru. Mówiąc prościej, polilaktyd polilaktydowi nie równy. Produkty z PLA użytkowane w warunkach atmosferycznych są odporne na procesy degradacji – dlatego tym samym nadają się z punktu widzenia chemicznego jak i aplikacyjnego na jednorazowe kubki i opakowania. Równomolowa mieszanina homochiralnych, izotaktycznych łańcuchów D-PLA i L-PLA jest zdolna do tworzenia, w odpowiednich warunkach, stereokompleksów D-PLA/L-PLA o znacznie wyższej temperaturze topnienia dochodzącej do 230oC niż temperatura budujących go enancjomerów, (czyli składowych całego kompleksu – polilaktyd to także kompleks warunkujących jego właściwości składowych). Także próby degradacji tego tworzywa w morzu bałtyckim to kiepski pomysł i nikogo nie powinien dziwić.   Wyobraźmy sobie sytuację, że zamawiamy kawę lub herbatę w gorącym kubku i po pewnym czasie on degraduje? Musi utrzymywać stabilność w pewnych warunkach stosowania. Inaczej jego aplikacyjność jest bez sensu. Z analogicznego powodu, dlatego np. tworzywa sztuczne nie występują w postaci łopatek wirników w silnikach lotniczych.

 

Co do samego procesu biodegradacji zachodzi ona w przyspieszonym tempie dopiero w podwyższonej temperaturze i w środowisku wilgotnym. Przyczyną rozpadu tworzywa w wymienionych warunkach jest degradacja hydrolityczna, podczas której zachodzą procesy odwrotne do polikondensacji powodujące sukcesywne zmniejszanie się masy molowej tworzywa. Powstają wówczas oligomery PLA i kwas mlekowy. Drugi etap to degradacja biologiczna, podczas której mikroorganizmy, takie jak wybrane szczepy bakterii i enzymy, powodują rozkład oligomerów do H2O i CO2. Zatem termin biodegradacji kojarzy nam się z czymś prostym, jednak jak wynika z całej definicji, lepszy rozkład na dwutlenek węgla, wodę oraz biomasę niż spalanie albo zaśmiecanie wód czy Ziemi. Musimy jednak pamiętać o tym, że każde tworzywo biodegradowalne posiada pewną charakterystykę. Zarówno pod względem użytkowym jak i pod względem degradacji. Podsumowując materiał lub tworzywo biodegradowalne ze względu na swoje właściwości fizykochemiczne znajdzie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu oraz produktów codziennego użytku. Dodatkowo istnieją także, pewne metody modyfikacji w tym, modyfikuje się polimery z rodziny polilaktydów (PLA). Są one poddawane procesom modyfikacji w kierunku osiągnięcia pożądanych właściwości fizycznych i użytkowych. Opracowane są modyfikacje polegające na tworzeniu kompozycji PLA z odpowiednimi dodatkami na etapie poprzedzającym proces formowania produktu z PLA (czyli materiału wyjściowego). Uzyskuje się w ten sposób zwiększenie odporności PLA na ścieranie i hydrolizę, poprawienie jego elastyczności i udarności mechanicznej, obniżenie temperatury topnienia, zwiększenie termicznej stabilności wymiarowej (np. w pewnych przypadkach formowania opakowań), zwiększenie podatności PLA do sorpcji cieczy (np. jeśli tworzymy z PLA opatrunki do wysięku ran lub pościele jednorazowego użytku). Modyfikacje te wymagają doboru komponentów, które wykazują zgodne właściwości procesowe, dobrą mieszalność, co niejednokrotnie jest trudne do zapewnienia.  Jak widać, właściwości polimerów biodegradowalnych mogą być projektowane przez inżynierów w zależności od aplikacji i zastosowania. Zgodnie z tzw. dyrektywę plastikową, UE chce ograniczyć negatywny wpływ niektórych jednorazowych produktów z tworzyw sztucznych na środowisko. Jak i co konkretnie się zmieni? Czas technologia i podejście ludzi pokaże. Podsumowując już kolejny raz: synteza substratów to jedno, polimer to drugie, właściwości to trzecie, zdolność biodegradacji to czwarte i zastosowanie, i aplikacja to piąte.

 

Bartłomiej Pąperski

 

 

Polskie Starupy
19 listopada 2019
Blog inżynierski

Blog

Doradca Finansowy

Fot. Sally Anscombe / Getty Images

Strona główna | O nas | Usługi | Blog | Kontakt

Centrum Inżynierskie RAPTOR Sp. z o.o.

ul. Dubois 114/116

93-465 Łódź

+48 786 243 999

office@raptor3d-technology.pl

Skontaktuj się z nami

O nas

Usługi

Blog

Kontakt