Biotworzywa 1/2015

bio TWORZYWA KWARTALNIK TECHNICZNY

NR 1/2015

W NUMERZE: European Bioplastics o znaczeniu biotworzyw w gospodarce Europy Wywiad z prof. Hanną Żakowską (COBRO) Studium przypadku: Biorafineria Matrica, PlantBottle Elementarz biotworzyw: PLA i skrobia

Instytut IMPiB prowadzi prace badawczo-rozwojowe w dziedzinie tworzyw polimerowych.

Opracowujemy nowe technologie wytwarzania kompozytów polimerowych.

Budujemy prototypowe urządzenia Buduje i linie technologiczne do wytwarzania wyrobów z tworzyw polimerowych.

Prowadzimy badania tworzyw Pro polimerowych, folii i materiałów opakowaniowych oraz próby technologiczne w skali laboratoryjnej i półtechnicznej.

Posiadamy możliwości produkcji pilotażowej i doświadczalnej w zakresie wytłaczania folii i różnego rodzaju profili.

Od redakcji Szanowni Państwo, oddając w Państwa ręce pierwszy numer kwartalnika „Biotworzywa”, zdajemy sobie sprawę, iż debiut naszego pisma przypada na bardzo ważny czas dla rodzimej branży tworzyw sztucznych. Choć statystyki wskazują na ciągły rozwój sektora, nie można zapominać, że rodzimy przemysł – także przemysł tworzyw sztucznych – ma charakter w znacznej mierze odtwórczy. Rozwijamy się szybciej niż Europa Zachodnia, ale już niedługo osiągniemy pułap możliwości w zakresie produkcji niskokosztowej. Czas podjąć ryzyko wprowadzenia ważnych zmian.

Sądzimy, że biotworzywa – zarówno tworzywa biopochodne, jak i ulegające biodegradacji – nie są tylko marketingowym sposobem przyciągnięcia uwagi wrażliwych ekologicznie konsumentów, lecz rozwiązaniem łączącym troskę o środowisko naturalne ze znaczącym potencjałem rynkowym. I choć w dającej się przewidzieć perspektywie nie zastąpią one tworzyw konwencjonalnych, to powinny znaleźć ważne miejsce w „miksie materiałowym”.

Choć w Europie Zachodniej, w Ameryce czy w Azji coraz więcej firm przekonuje się do zalet biotworzyw, w Polsce materiały te nie cieszą się dużą popularnością. Przyczyn jest wiele, a niebagatelną rolę odgrywają tu oczywiście pieniądze. Ale nie powinniśmy tracić z oczu oczywistej reguły – jeśli szansy na rozwój nie wykorzystamy my, na pewno zrobi to kto inny. Czy możemy sobie pozwolić na taką nonszalancję?

Doskonałą okazją do wdrożenia nowych, innowacyjnych technologii, jest nowe rozdanie funduszy unijnych. W tej perspektywie finansowania niezwykle dużą wagę przykłada się do projektów o prawdziwie rozwojowym charakterze. Dodatkowo, Komisja Europejska mocno wspiera model gospodarki cyrkularnej, a wykorzystanie w produkcji tworzyw biopochodnych

Kwartalnik Biotworzywa

Adres redakcji: ul. Gagarina 41/307 87-100 Toruń Tel. +48 782 245 677 E-mail: redakcja@biotworzywa.eu

i/lub biodegradowalnych w ów model doskonale się wpisuje.

Poprzez publikację analiz, artykułów naukowych i wiadomości z branży stawiamy sobie za cel dostarczanie polskiemu czytelnikowi cennej wiedzy i poszerzanie horyzontów. Mamy nadzieję, że nasze pismo będzie dla Państwa ważnym towarzyszem w podejmowaniu codziennych decyzji. Ostatecznie to właśnie od Państwa decyzji i inicjatyw zależeć będzie kształt polskiej gospodarki.

Redakcja kwartalnika „Biotworzywa”

Spis treści Biotworzywa – wspieranie zrównoważonej i efektywnej surowcowo gospodarki cyrkularnej w Europie 7 Przyszłość opakowań z biotworzyw w Polsce 14 Najbliższe wydarzenia 18 Butelki PlantBottle w całości z bio-PET 19 Matrìca – zintegrowana biorafineria produkująca innowacyjne produkty 20 Skrobia termoplastyczna – alternatywne źródło innowacyjnych tworzyw biodegradowalnych 23 Skrobia jako potencjalny surowiec materiałowy 30 Poli(kwas mlekowy) – jeden z głównych przedstawicieli biotworzyw 35

Redaktor naczelny: Michał Krajkowski Opracowanie graficzne: Magdalena Krajkowska www.biotworzywa.eu

Wydawca: Ardea Media Michał Krajkowski ul. Gagarina 41/307 87-100 Toruń NIP: 765-158-93-45

NEWS

Udane testy nowego biopochodnego plastyfikatora do PVC

W

dn. 8–9 lipca w siedzibie stowarzyszenia European Plastics Converters zaprezentowano wyniki dotychczasowych testów nowego plastyfikatora powstającego w ramach projektu Placard. Celem projektu jest opracowanie plastyfikatora produkowanego na bazie surowców odnawialnych, przeznaczonego do produktów z PVC stosowanych w budownictwie. Wytwarzany ma być poprzez chemiczną modyfikację kardanolu, przemysłowego żółtego oleju otrzymywanego w procesie destylacji próżniowej łupin orzecha nerkowca.

Zastosowanie takiego produktu ubocznego wyklucza konkurencyjność wobec łańcucha żywności.

Produkcję pilotową nowe-

4 BIOTWORZYWA 1/2015

go plastyfikatora uruchomiono w zakładach włoskiej firmy Serichim, podczas gdy testy przeprowadzone zostały przez Università di Salento. Ich celem było porównanie plastyfikatorów nieftalanowych i ftalanowych o różnych rozmiarach cząsteczkowych.

Wyniki testów plastyfikatora biopochodnego są bardzo obiecujące. Zarówno efektywność plastyfikacji, jak i zdolność do przetwarzania oraz koszty energii były w przypadku plastyfikatora Placard znacznie korzystniejsze aniżeli w przypadku plastyfikatorów DEHP czy DOTP. Natomiast pozostałe parametry były zbliżone do obecnych na rynku plastyfikatorów komercyjnych.

Kolejne testy dotyczyć będą

między innymi właściwości w zakresie recyklingu. Właściwości będą prezentowane podczas konferencji organizowanych przez EuPC i lidera projektu, firmę Kommi.

Projekt Placard wystartował 1 stycznia 2014 r., a jego zakończenie planowane jest na 31 sierpnia 2016 roku. Finansowany jest jako inicjatywa na rzecz ekoinnowacji w ramach unijnego Entrepreneurship and Innovation Programme, którego celem jest zwiększenie konkurencyjności firm z sektora MŚP. http://www.placard-ecoinnovation.eu Plastyfikator otrzymywany jest z kardanolu, oleju otrzymywanego w procesie destylacji próżniowej łupin orzecha nerkowca

NEWS

Do 2020 roku trzykrotnie wzrośnie produkcja biotworzyw

N

iemiecki instytut nova-Institut opublikował najnowszy, 500-stronicowy raport dotyczący prognoz wzrostu branży polimerów biopochodnych. Zgodnie z szacunkami w ciągu najbliższych kilku lat zdolności produkcyjne w tym zakresie potroją się – z 5,1 mln ton w 2013 roku do 17 mln ton w roku 2020. Jednocześnie, według analityków instytutu, udział biopochodnych polimerów w całkowitej produkcji tworzyw sztucznych wzrośnie z 2 proc. (2013) do 4 proc.

(2020).

Wzrost rynku biotworzyw jest szczególnie imponujący w porównaniu z rozwojem rynku polimerów konwencjonalnych – o ile w przypadku polimerów biopochodnych średnia roczna

stopa wzrostu (CAGR) wynosi 20 proc., w o tyle dla pochodnych ropy naftowej wzrost wynosi 3–4 proc.

Wartość rynku polimerów biopochodnych w 2013 roku wyniosła 10 mld euro, przy czym pod względem produkcji Europa pozostaje w tyle za Azją. Najszybciej wzrastającymi segmentami rynku są butelki wykonane z bio-PET oraz wyroby z PLA i PHA. W 2013 roku zdolności produkcyjne dla politereftalanu etylenu pochodzenia biologicznego wyniosły 600 tys. ton, a do 2020 toku mają one wzrosnąć do 7 mln ton. Do produkcji bio-PET używany jest bioetanol pochodzący z trzciny cukrowej. Jednym z poważniejszych czynników wzrostu w tym segmencie

jest inicjatywa Plant PET Technology Collaborative, zainaugurowana przez koncern Coca-Cola.

Główną przyczyną, dla której największe inwestycje w zakresie biotworzyw zostaną w najbliższych latach przeprowadzone w Azji, jest dostępność do surowca oraz korzystne uwarunkowania polityczne. W związku z tym przewiduje się spadek europejskiego udziału w światowej produkcji z 17 proc. do 8 proc.

Aż o 14 pkt. proc. spadnie ten wskaźnik dla Ameryki Północnej, podczas gdy dla Azji wzrośnie z 51 proc. do 76 proc.

Udział Ameryki Południowej pozostanie na stabilnym poziomie 12 proc. http://news.bio-based.eu

Nadchodzą lepsze czasy dla PHA

F

irma Meredian Holdings Group (MHG) poinformowała, iż wraz z uruchomieniem instalacji do fermentacji na skalę przemysłową przedsiębiorstwo stało się jednocześnie światowym liderem w produkcji polihydroksyalkanolanów (PHA). Realizacja inwestycji jest kolejnym krokiem firmy w celu umocnienia się na rynku biotworzyw.

MHG od kilku lat pracowało nad uruchomieniem instalacji w Bainbridge (USA), aż w końcu w 2013 roku udało się rozpocząć prace, a firma spodziewa się w najbliższym czasie znacznego rozwoju rynku.

– Obecnie każdy z nas, niezależnie od tego, czy mieszka w głębi kraju czy na wybrzeżu, w jakimś stopniu cierpi ze

względu na odpady z tworzyw sztucznych – mówi Paul A. Pereira, szef MHG. – Tworzywa już wyprodukowane pozostaną w środowisku przez długie lata. W naszej firmie wierzymy, że PHA jest zdrowszym rozwiązaniem dla naszej planety, a oddawana do użytku instalacja przyczyni się do rozwoju produktów z tego materiału, wpływając jednocześnie na zmniejszenie ilości odpadów w środowisku.

PHA posiada właściwości zbliżone, a nawet lepsze niż większość tworzyw konwencjonalnych. Ze względu na unikalną budowę cząsteczkową PHA może być używane do produkcji różnych polimerów o właściwościach pożądanych przez klientów. PHA sto-

sować można np. do produkcji zabawek, kubków, talerzyków, toreb jednorazowych i wielu innych produktów. A ponieważ wyroby wykonane z PHA ulegają biodegradacji w czasie od trzech miesięcy do jednego roku, mogą stanowić doskonałą alternatywę wobec rosnącej góry plastikowych śmieci.

PHA produkowane przez MHG posiada certyfikaty Vinçotte International potwierdzające biodegradowalność materiału w glebie, wodzie słodkiej i morskiej, a także w kompostowniach przemysłowych i kompostownikach przydomowych. Materiał jest także dopuszczony do kontaktu z żywnością przez amerykańską agencję FDA. http://www.mhgbio.com

BIOTWORZYWA 1/2015 5

NEWS

Czy jest szansa na tańszy polilaktyd?

P

olilaktyd, który używany jest między innymi do produkcji biodegradowalnych kubeczków czy folii, wciąż nie jest uważany za materiał, który może być konkurencyjny wobec tradycyjnych tworzyw pozyskiwanych z surowców kopalnych. Głównym powodem są wysokie koszty produkcji biotworzywa, przewyższające cenę tworzyw konwencjonalnych. Jednak naukowcy z KU Leuven opracowali nowy, uproszczony sposób produkcji PLA, którego zaletą jest niższy koszt i brak odpadów. Wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie „Science”.

PLA produkuje się z cukrów występujących w surowcach odnawialnych, takich jak kukurydza czy trzcina cukrowa.

W procesie fermentacji cukier przekształca się w kwas mlekowy, z którego z kolei wyodrębniają się składniki do budowy polilaktydu. W odpowiednich warunkach wyroby z polilaktydu rozkładają się po kilku latach, a jeśli są zbierane i sortowane w sposób prawidłowy, są w pełni kompostowalne i podlegają recyklingowi. Ponadto polilaktyd charakteryzuje się biokompatybilnością i nadaje się do zastosowań medycznych, np. do produkcji wchłanialnych nici chirurgicznych.

PLA może być także wykorzystywany w technologii druku 3D. Jednak ze względu na wysokie koszty produkcja PLA wciąż nie jest konkurencyjna.

Na cenę materiału znacząco wpływa kształt procesu, zawierający elementy pośrednie.

– Najpierw kwas mlekowy trafia do reaktora, gdzie jest

6 BIOTWORZYWA 1/2015

w warunkach próżniowych przekształcany pod wpływem wysokiej temperatury w rodzaj tworzywa pierwotnego – tłumaczy prof. Bert Sels z KU Leuven. – Jest to jednak kosztowny proces, bowiem tworzywo pierwotne o niskiej jakości jest rozrywane na elementy służące do budowy PLA. Innymi słowy, produkuje się najpierw gorsze tworzywo, które służy do produkcji tworzywa wysokiej jakości. I nawet jeśli PLA jest uważany za zielone tworzywo, problemem są owe różne kroki pośrednie, w których wykorzystywane są metale i w których powstają odpady.

Dlatego też naukowcy z KU Leuven opracowali zupełnie

nia półproduktu, którego cząsteczki są większe i nie pasują do porów zeolitu. Nasza nowa metoda odznacza się wieloma zaletami w porównaniu z konwencjonalnych procesem – możemy produkować większą ilość PLA bez używania metali.

Dodatkowo sam proces, dzięki pominięciu jednego elementu, jest tańszy.

Profesor Sels jest przekonany, że nowa technologia zostanie wykorzystana na skalę przemysłową.

– Patent został właśnie sprzedany firmie chemicznej, która zamierza zastosować nasz proces na skalę przemysłową – mówi Sels. – Oczywiście PLA nigdy nie zastąpi

Do produkcji PLA używa się m.in. z kukurydzy lub trzciny cukrowej

nową technologię.

– W stosunku do biomasy zastosowaliśmy pomysł wykorzystywany w petrochemii – mówi dr Michiel Dusselier. – Przyspieszamy proces zachodzący w reaktorze za pomocą porowatego katalizatora mineralnego – zeolitu. Poprzez wybór konkretnych molekuł na podstawie kształtu porów, możemy przekształcać kwas mlekowy bezpośrednio w elementy stanowiące składniki PLA bez konieczności produkowa-

w pełni tworzyw opartych na surowcach kopalnych. Z jednej strony, takie wyroby jak np. rury, nie mogą ulegać biodegradacji, nie chcemy także promować wyrobów jednorazowych z tworzyw. Ale dzięki naszemu wynalazkowi produkty z PLA stają się tańsze i bardziej ekologiczne. Nasza metoda jest świetnym przykładem współpracy przemysłu chemicznego i biotechnologicznego. https://www.kuleuven.be

ANALIZA

Hasso von Pogrell (European Bioplastics)

Biotworzywa – wspieranie zrównoważonej i efektywnej surowcowo gospodarki cyrkularnej w Europie

W

chwili obecnej biotworzywa zapewniają alternatywę dla niemal każdego tradycyjnego tworzywa i zastosowania.

Tworzywa pochodzące z surowców naturalnych i/lub biodegradowalne posiadają te same właściwości, co konwencjonalne tworzywa oraz przynoszą znaczącą wartość dodaną – mniejszy ślad węglowy lub zwiększone możliwości zagospodarowania odpadów poprzez kompostowanie. Biotworzywa stanowią niezbędną część składową biogospodarki i są innowacyjną, szybko rozwijającą się gałęzią przemysłu, która posiada potencjał do oddzielenia wzrostu ekonomicznego od postępującego wyczerpywania się surowców oraz niekorzystnego oddziaływania na środowisko. W chwili obecnej potrzebna jest zintegrowana oraz korzystna inicjatywa polityczno-ekonomiczna w Europie, aby w pełni wykorzystać potencjał biotworzyw na komercyjnym rynku w Europie.

Dynamiczny wzrost rynkowy Biotworzywa stanowią różnorodną grupę materiałów o rozmaitych właściwościach.

Wyróżnić można trzy główne grupy biotworzyw: pochodzące z surowców naturalnych nieulegające biodegradacji

two­rzywa takie jak bio-PE czy bio-PET, bazujące na surowcach naturalnych i jednocześnie ulegające biodegradacji materiały jak PLA, PHA czy mieszanki skrobiowe oraz biodegradowalne tworzywa konwencjonalne. Biopochodne wersje konwencjonalnych tworzyw, jak bio-PE czy bio-PET są pod względem technicznym ekwiwalentne z ich ropopochodnymi odpowiednikami, przy czym ich wykorzystanie przyczynia się do ograniczenia emisji CO2. Nowe materiały, jak PLA czy PHA, pochodne celulozy czy skrobi pozwalają ponadto na uzyskanie wyrobów o cennych właściwościach, np. opakowań biodegradowalnych i kompostowalnych, w niektórych przypadkach posiadających ulepszone właściwości barierowe.

W chwili obecnej biotworzywa reprezentują ok. 1 proc. światowej produkcji tworzyw sztucznych, która wynosi 300 mln ton rocznie. Jednak ze względu na rosnące zapotrzebowanie na coraz bardziej zaawansowane materiały i aplikacje, rynek rośnie w tempie od 20 do 100 proc. rocznie.

Zgodnie z najnowszymi danymi stowarzyszenia European Bioplastics, światowe zdolności produkcyjne w zakresie biotworzyw w średnim ho-

ryzoncie czasowym wzrosną czterokrotnie – z 1,6 mln ton w roku 2013 do 6,7 mln ton w roku 2018. Najbardziej wzrośnie produkcja biopochodnych tworzyw nie ulegających biodegradacji, jak np. bio-PE czy bio-PET, podczas gdy produkcja PLA będzie rosła najszybciej w grupie biopochodnych tworzyw biodegradowalnych.

Ogromny potencjał gospodarczy Dane rynkowe nie tylko pokazują wkład przemysłu do realizacji założeń zrównoważonego rozwoju poprzez zmniejszenie negatywnego oddziaływania na środowisko. Według prognoz wzrastająca branża biotworzyw przyczyni się także w najbliższych dekadach do znacznego wzrostu gospodarczego. W 2013 roku ok.

17 proc. z 1,6 mln ton biotworzyw produkowanych na świecie wytworzono w Europie (ok. 280 tys. ton). W tym czasie w europejskim sektorze biotworzyw pracowało ok. 8 tys. osób. Zgodnie z najnowszymi analizami rynkowymi European Bioplastics europejska branża biotworzyw mogłaby – pod warunkiem zapewnienia jej właściwych warunków rozwoju – wydatnie zwiększyć poziom zatrudnienia. Do 2025

BIOTWORZYWA 1/2015 7

ANALIZA

roku zdolności produkcyjne w zakresie biotworzyw w UE mogłyby wzrosnąć do 5,7 mln ton rocznie, co stanowiłoby 10 proc. europejskiej produkcji tworzyw sztucznych. Dzięki temu aż 160 tys. osób mogłoby znaleźć pracę w sektorze.

Od produktów niszowych do masowego rynku Dzięki biotworzywom można wyprodukować szereg produktów o długim lub krótkim czasie życia. Wytrzymałe tworzywa biopochodne, jak PE czy PET, używane są w zastosowaniach wymagających długiego czasu życia, np. w częściach samochodowych, elektronice użytkowej czy opakowaniach.

Produkty te mogą następnie trafić do tradycyjnego recyklingu mechanicznego. Te roz-

8 BIOTWORZYWA 1/2015

wiązania stanowią największą część światowej produkcji biotworzyw.

Biopochodne tworzywa biodegradowalne, jak np. PLA czy PBAT, stanowią rosnącą niszę rynkową. Charakteryzują się one krótszym cyklem życia, a jednocześnie posiadają pewne cenne właściwości – np. w przypadku opakowań jest to wydłużona długość ekspozycji chroniąca żywność przed zmarnowaniem oraz zwiększenie poziomu zbiórki bioodpadów, co poprawia efektywność zarządzania odpadami.

Opakowalnictwo jest jak dotąd najważniejszym odbiorcą biotworzyw – w 2013 roku ok. 40 proc. całej produkcji biotworzyw trafiło do tej gałęzi przemysłu. Można zaobserwować wysokie zapotrzebowanie na opakowania wykonane

z biotworzyw dla żywności organicznej, jak również dla wyrobów klasy premium i markowych produktów o specjalnych wymaganiach.

Wzrost zapotrzebowania na biotworzywa w segmencie opakowań wiąże się z rosnącym popytem na produkty i opakowania wytwarzane w myśl zasad zrównoważonego rozwoju. Zarówno konsumenci, jak i sprzedawcy coraz bardziej zdają sobie sprawę z naszego wpływu na środowisko, poszukują więc innowacyjnych rozwiązań w zakresie materiałów i aplikacji. Dla świadomego konsumenta zyski wynikające ze stosowania biotworzyw w porównaniu z tworzywami konwencjonalnymi są jasne.

Wskazują na to badania sondażowe – ok. 80 proc. Europejczyków chce kupować pro-

ANALIZA dukty wywierające minimalny wpływ na środowisko (Eurobarometr, Komisja Europejska 2013). To oczywiście oznacza, że producenci wyrobów z biotworzyw muszą zadbać o dostarczenie odpowiednich informacji. Jak wiele składników biopochodnych zawiera dane opakowanie? O ile zmalała w związku z tym emisja CO2?

Czy użyta biomasa została wyprodukowana we właściwy sposób? – to ważne pytania, na które trzeba udzielić odpowiedzi.

Wkład w osiągnięcie unijnych celów na rok 2020 W porównaniu z tworzywami konwencjonalnymi biotworzywa posiadają bardzo istotną korzyść – pozwalają zredukować zależność od zasobów kopalnych oraz zmniejszyć, lub na-

wet wyeliminować emisję gazów cieplarnianych. W efekcie biotworzywa mogą przyczynić się do osiągnięcia unijnych celów na rok 2020 w zakresie emisji gazów cieplarnianych.

Ponadto biotworzywa mogą mieć wpływ na rozwinięcie efektywności energetycznej poprzez zamknięcie cyklu obiegu surowców, zwłaszcza gdy biopochodne materiały i produkty są używane ponownie, poddawane recyklingowi czy w końcu – używane do odzysku energii.

Używanie biomasy pochodzącej ze zrównoważonych upraw o corocznym charakterze jest jedną z głównych środowiskowych korzyści wynikających ze stosowania biotworzyw. Produkcja surowców używanych do produkcji biotworzyw zajmuje obecnie ok.

0,01 proc. światowego areału

upraw, podczas gdy produkcja żywności i paszy stanowi 96 proc. powierzchni uprawnej.

To porównanie jasno wskazuje, że pomiędzy produkcją żywności dla ludzi i zwierząt a przemysłową uprawą roślin nie ma konkurencji. Zaawansowane, zintegrowane procesy produkcyjne, np. w biorafineriach, będą mogły zapewnić produkcję wielu różnych rodzajów produktów na bazie jednego, konkretnego surowca, wliczając w to żywność, pasze i inne produkty, jak np. właśnie biotworzywa. Wciąż rozwijane są sposoby na zrównoważone wykorzystanie surowców odnawialnych oraz wdrażane są dobre praktyki rolnicze, m.in. poprzez rozwój systemów certyfikacji, jak np. ISCC, RSB czy BonSucro.

BIOTWORZYWA 1/2015 9

ANALIZA

Model cyklu życia produktów według European Bioplastics

Zamiana odpadów w cenne surowce Wyroby z biotworzyw mogą być w różnorodny sposób zagospodarowywane w końcu ich cyklu życia – mogą być używane ponownie, poddawane recyklingowi mechanicznemu lub organicznemu lub wykorzystane do odzysku energii. Zdecydowana większość produkowanych obecnie biotworzyw może być łatwo poddawana recyklingowi wraz z tworzywami konwencjonalnymi w osobnych strumieniach recyklingu (bio-PE w strumieniu odpadów z PE, bio-PET w strumieniu odpadów z PET). Dzięki temu biotworzywa przyczyniają się do zwiększenia poziomów recyklingu w UE i implementacji założeń gospodarki cyrkularnej.

10 BIOTWORZYWA 1/2015

Ponadto, używanie wyrobów z tworzyw biodegradowalnych i kompostowalnych, jak np. torby, opakowania żywności czy sztućce, wzmacnia potencjał kompostowni przemysłowych jako sposobu zagospodarowania bioodpadów oraz zwiększa efektywność całościowej gospodarki odpadami.

Kompostowanie jest bardzo cenne w przypadku, gdy wyroby z tworzyw są zmieszane z odpadami organicznymi. Dzięki użyciu tworzyw kompostowalnych ten zmieszany strumień odpadów nadaje się do recyklingu organicznego, a recykling w unijnej hierarchii postępowania z odpadami znajduje się wyżej niż odzysk energii. Ponadto dzięki osobnej zbiórce bioodpadów odpady organiczne nie trafiają do recyklingu czy na wysypiska, dzięki czemu można

wyprodukować większą ilość wartościowego kompostu.

Aby wykorzystać potencjał biotworzyw w celu zwiększenia efektywności gospodarki odpadami, ważne jest, aby unijne cele w zakresie odpadów ustalone były na realistycznym poziomie, uwzględniającym istniejącą infrastrukturę oraz zdolności w zakresie recyklingu poszczególnych krajów członkowskich. Ponadto, najpóźniej do 2020 roku niezbędne jest wprowadzenie osobnej zbiórki odpadów, aby osiągnąć cele w zakresie recyklingu mechanicznego i organicznego oraz wyeliminować składowanie odpadów na wysypiskach na terenie UE. Parlament Europejski zarekomendował niedawno Komisji Europejskiej odpowiednie regulacje w kontekście pakietu dotyczącego gospodarki cyrkularnej, który

ANALIZA ma być zaprezentowany do końca bieżącego roku.

Nie ma właściwie obszaru, w którym biotworzywa nie mogłyby być porównane do ich tradycyjnych odpowiedników. Głównym wyzwaniem pozostaje zwiększenie skali

wa węzłów produkcyjnych w celu szybszego wprowadzenia na rynek), w UE prawodawcy skupiają się wciąż na badaniach i rozwoju, ryzykując w ten sposób, że potencjał biogospodarki do rozwoju przemysłowego Europy, zwłaszcza na obszarach wiejskich, nie zostanie osiągnięty.

Niedawno przyjęta dyrektywa dotycząca opakowań i od-

nie sprawiedliwego dostępu do surowców biopochodnych, uwzględnienie surowców odnawialnych wśród wytycznych dla ecodesignu oraz ambitne, lecz osiągalne cele w zakresie m.in. recyklingu mechanicznego i organicznego, mogłyby stanowić istotny krok naprzód i zaczynają być dyskutowane na poziomie europejskim.

Branża biotworzyw oferu-

produkcji biotworzyw w Europie. Obecnie UE stoi przed niebezpieczeństwem zaprzepaszczenia szans stwarzanych przez nowe materiały w obszarze ekonomicznym, ekologicznym i społecznym. Powodem tego niebezpieczeństwa jest brak efektywnych strategii i regulacji wspomagających rozwój produkcji biotworzyw na przemysłową skalę oraz ich wkroczenia na rynek w szerokim wymiarze.

Podczas gdy kraje azjatyckie oraz USA zainwestowały dużo we wprowadzenie regulacji zbliżających biotworzywa do rynku (jak np. Green Public Procurement czy budo-

padów opakowaniowych potwierdziła silne dążenie Unii do osiągnięcia efektywności surowcowej poprzez zobligowanie państw członkowskich do ograniczenia zużycia tradycyjnych torebek jednorazowych, promując w ten sposób torby kompostowalne. Aby jednak wykorzystać w pełni rynkowy potencjał biotworzyw potrzebne są dodatkowe regulacje, które odzwierciedlać będą wymienione wcześniej zalety biotworzyw. Regulacje zbliżające biotworzywa do rynku, jak Green Public Procurement czy wspomaganie tworzenia węzłów produkcyjnych, jak również zapewnie-

je rozwiązania wpisujące się w walkę z globalnymi zmianami klimatu i rosnącą konsumpcją surowców poprzez propagowanie wykorzystywania surowców odnawialnych i efektywności surowcowej.

Aby ta wizja konkurencyjnej, dynamicznej i zrównoważonej gospodarki mogła w Europie się urzeczywistnić, UE powinna wprowadzić odważną i dalekowzroczną strategię, aby początkująca jeszcze branża mogła ugruntować się i rozkwitnąć jako jeden z głównych filarów zrównoważonej gospodarki cyrkularnej. Pakiet rozwiązań dotyczących gospodarki cyrkularnej jest

Europa stoi przed ryzykiem utraty szans

BIOTWORZYWA 1/2015 11

ANALIZA zatem niezmiernie ważny dla zapewnienia sukcesu branży biotworzyw i całej europejskiej biogospodarce.

Jesienią branża biotworzyw spotka się w Berlinie W dn. 5–6 listopada w Berlinie odbędzie się dziesiąta edycja konferencji stowarzyszenia European Bioplastics. Ze względu na jubileuszowy charakter, kongres będzie dobrą okazją do wyliczenia osiągnięć europejskiego przemysłu biotworzyw w ciągu ostatniej dekady.

Dwudniowe wydarzenie zgromadzi ponad 350 delegatów, prelegentów oraz wystawców.

Program konferencji obejmuje szeroki zakres tematów, począwszy od bieżącej polityki unijnej, poprzez najnowsze innowacje technologiczne w zakresie biotworzyw i ich przetwórstwa, kwestie związane ze standaryzacją i etykietowaniem, surowcami biopochodnymi, końcem cyklu życia produktów, a na konsumencie i jego percepcji marki skończywszy.

Jedna z tegorocznych prezentacji dotyczyć będzie Planu 2020 – dobrowolnego przedsięwzięcia brytyjskiej sieci Marks&Spencer zawierającego 100 zaleceń mających na celu bardziej zrównoważone prowadzenie działalności oraz zredukowanie wpływu na środowisko i społeczeństwo. Realizacja projektu ma przynieść firmie miano najbardziej ekologicznej sieci handlowej, a o roli biotworzyw w realizacji tego wyzwania opowie Kevin Vyse, przedstawiciel M&S. Poranna sesja pierwszego dnia poświęcona będzie polityce europejskiej, a zwłaszcza rewidowanemu pakietowi do-

12 BIOTWORZYWA 1/2015

tyczącemu gospodarki cyrkularnej (Circular Economy Package, CEP) oraz jego znaczeniu dla przemysłu biotworzyw.

Po przedstawieniu propozycji przez przedstawicieli insytutcji europejskich Joachim Quoden, dyrektor organizacji Extended Producer Responsibility Alliance (EXPRA), przeprowadzi wnikliwą analizę CEP, ze szczególnym uwzględnieniem odpowiedzialności producentów na etapie projektowania oraz zagospodarowania odpadów opakowaniowych z (bio) tworzyw.

Projekt Open-Bio bada, w jaki sposób rynki mogą otworzyć się na produkty biopochodne poprzez standaryzację czy etykietowanie. Antonis Mistriotis z Uniwersytetu Rolniczego w Atenach oraz Lara Dammer reprezentująca projekt Open-Bio zaprezentują podczas kongresu ostatnie rezultaty badań w zakresie etykietowania produktów z biotworzyw, zwłaszcza w zakresie rozszerzenia stosowania unijnych ekoetykiet do kategorii biotworzyw. Zaprezentowane również zostaną postępy w badaniach nad biodegradowal-

nością w środowisku morskim.

Z pewnością duże zainteresowanie wzbudzą najnowsze dane pochodzące z badań rynku, przeprowadzonych przez nova-Institut i IfBB na rzecz European Bioplastics. Ich prezentacji towarzyszyć będzie sesja dotycząca najnowszych osiągnięć w zakresie materiałów, produktów i procesów, gdzie zademonstrują swoje możliwości czołowi gracze w dziedzinie B&R i komercjalizacji badań – BASF, Perstorp, Corbion, BioAmber, Innovia Films, Cargill, NatureWorks czy Floreon.

Stowarzyszenie European Bioplastics reprezentuje interesy ok. 70 firm członkowskich na terenie Unii Europejskiej.

Z członkami z całego łańcucha wartości EuBP stanowi platformę kontaktową, jak również ciało sprawcze w zakresie podkreślania celów i wspierania rosnącego sektora w instytucjach unijnych, propagujące wprowadzenie zintegrowanej strategii i ekonomicznych ram dla lepszego wykorzystania surowców naturalnych. http://en.european-bioplastics.org/

Coca-Cola i Heinz używają opakowań wyprodukowanych z surowców biopochodnych

TWORZENIE INTELIGENTNYCH ROZWIĄZAŃ Specjalna oferta dla czytelników magazynu “Biotworzywa” - 20% rabat przy rejestracji on-line.

Kod promocyjny: 2015EUBPCONFBT.

Zarejestruj się dziś!

Zarejestruj się na stronie: www.conference.european-bioplastics. org lub skontaktuj z przedstawicielami European Bioplastics: conference@european-bioplastics.org

Aby uzyskać więcej informacji napisz do nas: conference@european-bioplastics.org

5–6 listopada 2015 MARITIM proArte Hotel Berlin

ROZMOWA

O opakowaniach z biotworzyw, perspektywach dla polskiego rynku i problemach związanych z systemem zagospodarowania odpadów rozmawiamy z prof. Hanną Żakowską (COBRO).

Przyszłość opakowań z biotworzyw w Polsce

C

OBRO jest organizatorem cyklicznej konferencji pn. „Przyszłość opakowań z biotworzyw”. Nazwę konferencji można by rozumieć dwojako: z jednej strony wskazuje ona, że tematem sesji są przede wszystkim innowacje, z drugiej strony sugeruje, że rozwój opakowań z biotworzyw dopiero nastąpi w przyszłości.

Biorąc pod uwagę stan obecny polskiego rynku, którą interpretację należy uznać za właściwą?

Poprzez organizację naszego cyklu konferencji próbujemy ideę opakowań z biotworzyw propagować na krajowym gruncie. Przy czym pierwsze konferencje miały trochę inny tytuł – Przyszłość opakowań biodegradowalnych, natomiast z czasem zrodziła się potrzeba potraktowania tworzyw biodegradowalnych na równi z nowymi tworzywami produkowanymi ze źródeł odnawialnych. Doszliśmy do wniosku, że właściwszym tytułem naszej konferencji będzie Przyszłość opakowań z biotworzyw.

A zatem próbujemy przekazywać polskim przedsiębiorcom wiedzę o nowościach, które się pojawiają w Europie i poza nią.

Ale faktem jest, że polski rynek jest rynkiem ceny. Nowe materiały – zarówno biodegrado-

14 BIOTWORZYWA 1/2015

walne, jak i pochodzące ze źródeł odnawialnych – są droższe niż tradycyjne tworzywa sztuczne ropopochodne. Jest to pierwszo­rzędny problem; mimo to staramy się przedsiębiorcom pokazywać, co się na świecie dzieje w zakresie materiałów opakowaniowych nowej generacji, które – zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju – są bardziej zaawansowane aniżeli dotychczasowe, ponieważ przyczyniają się do oszczędności w zakresie zużycia ropy naftowej.

Czy optymistyczne prognozy dotyczące wzrostu światowej produkcji biotworzyw się potwierdziły? Czy na świecie wzrost rynku jest tak dynamiczny, jak zakładano?

Tak, w ujęciu światowym prognozy się sprawdzają. Przy czym większość produkowanych obecnie biotworzyw stanowią dziś tworzywa tradycyjne wytwarzane ze źródeł odnawialnych, między innymi ze względu na bardzo duże uruchomienia w przez koncern Braskem w Brazylii w zakresie tzw. zielonego polietylenu i polipropylenu.

Rośnie także zainteresowanie wykorzystaniem biotworzyw. Koncern Coca-Cola rozpoczął realizację nowego

programu dotyczącego butelek poliestrowych – Plant Bottle, który od wiosny tego roku funkcjonuje także w Polsce za sprawą butelek Kropli Beskidu.

30 proc. owych butelek stanowią materiały pochodzące ze źródeł odnawialnych, a Coca-Cola ma plan, aby nawet sto procent surowców do produkcji politereftalanu etylenu pochodziło właśnie nie z ropy naftowej, tylko ze źródeł odnawialnych. I takie butelki są już wytwarzane, choć w Polsce jeszcze nie są wprowadzone na rynek. Jak wiadomo, butelki PET produkuje się z kwasu tereftalowego i glikolu etylenowego. Do tej pory tylko glikol był produkowany ze źródeł odnawialnych, natomiast w tym roku Coca-Cola ogłosiła, że jest w stanie wyprodukować butelkę poliestrową w 100 proc. ze źródeł odnawialnych.

Jeżeli chodzi o rynek tworzyw biodegradowalnych, to tutaj nie widzimy takiego dużego wzrostu, szacunki wskazują na ok. 1,5 mln ton. Skala produkcji tradycyjnych tworzyw jest więc znacznie większa niż materiałów kompostowalnych Wróćmy na chwilę do rynku polskiego. Wspominała Pani, że polski rynek jest rynkiem ceny. Czy wprowadzenie bio-

ROZMOWA tworzyw jest związane także z jakimiś barierami technologicznymi?

Z założenia biotworzywa miały być przetwarzane na tradycyjnych urządzeniach do przetwórstwa tworzyw sztucznych, nie ma więc problemów z maszynami. Oczywiście, pewne modyfikacje są potrzebne, wynikają one np. z zakresów temperatur przetwórstwa czy odpowiedniego kształtu ślimaka.

Są to jednak szczegóły technologiczne, natomiast cały park maszynowy może być użyty do przetwarzania tworzyw nowej generacji.

W przypadku polietylenu bądź polipropylenu ze źródeł odnawialnych nie ma to znaczenia, ponieważ wzór chemiczny czy same właściwości materiałów są takie same, jak w przypadku tradycyjnych materiałów ropopochodnych, tylko źródło pochodzenia surowców jest inne. Natomiast w przypadku polilaktydu czy innych kompozycji polimerowo-skrobiowych zmienia się zakres temperaturowy przetwórstwa. Tradycyjne tworzywa ropopochodne przetwarza się zazwyczaj w wyższych temperaturach, natomiast PLA – w znacznie niższych. W przypadku polilaktydu ma też znaczenie wilgotność materiału.

Podobnie zresztą wygląda sytuacja w przypadku przetwórstwa PET – politereftalan etylenu również wymaga suszenia i ma szereg innych szczególnych wymagań.

W jakim kierunku zmierzają najnowsze badania nad opakowaniami z biotworzyw?

Czy polska nauka dotrzymuje kroku światowej czołówce?

Niestety, Polska nie może się w tym zakresie poszczycić żadnymi przełomowymi osiągnięciami, zarówno jeżeli chodzi o produkcję biotworzyw ze źródeł odnawialnych, jak i tworzyw kompostowalnych.

Nie będę szczegółowo analizować przyczyn takiego stanu rzeczy; być może przespaliśmy pewien okres, można to też tłumaczyć brakiem poważniejszych środków. W każdym razie nie znam żadnej polskiej technologii wdrożonej na szerszą skalę.

Jako ciekawostkę mogę powiedzieć o ciekawym polskim pomyśle na opakowania firmy Biotrem. Do ich produkcji pomysłodawca wykorzystał otręby pszenne, a więc materiał, który początkowo był traktowany jako odpad, którego gromadzenie i zagospodarowanie jest kosztowne. Stąd wziął się pomysł na produkcję naczyń jednorazowych. Warto wspomnieć, że budzą one za granicą duże zainteresowanie.

Nad czym obecnie pracuje się na świecie?

Część prac zmierza w kierunku modyfikacji właściwości polimerów obecnie produkowanych. Tutaj trzeba wspomnieć m.in. prace nad PLA prowadzone przez amerykańską firmę NatureWorks. Obejmują one polilaktyd do różnych zastosowań i różnych technik formowania, produkuje się z niego bowiem opakowania giętkie, stosuje się także w procesach wtrysku i termoformowania. PLA jest więc uniwersalnym materiałem, konieczne są jednak pewne modyfikacje jego właściwości, aby był łatwiejszy w przetwórstwie oraz by uzyskać pewne cechy, któ-

rych nie posiadały poprzednie wersje, np. zwiększyć barierowość materiału.

Na pewno widać też w Europie duży postęp w zakresie wykorzystania kompozycji polimerowo-skrobiowych. Skrobia jest tradycyjnym materiałem pochodzenia roślinnego, który w połączeniu z innymi materiałami polimerowymi może stać się materiałem do produkcji opakowań. Tutaj trzeba podkreślić dużą liczbę patentów zgłoszonych przez włoską firmę Novamont. Firma cały czas modyfikuje właściwości swoich materiałów dostępnych pod nazwą handlową Mater-Bi. Warto też podkreślić prace nad modyfikacją folii celulozowych. W latach 60. mieliśmy słynny celofan; jednak dawniej jego produkcja była uciążliwa dla środowiska. Obecnie ten proces zmodyfikowano, a firma Innovia wprowadziła na rynek nową generację folii celulozowych. Specjaliści wciąż pracują nad ulepszaniem tej folii, między innymi nad zwiększeniem barierowości poprzez zastosowanie rozmaitych powłok.

Także koncern BASF modyfikuje swoje wyroby. Czołowym produktem firmy w zakresie biotworzyw był do niedawna materiał Ecoflex. Połączono go następnie z PLA, tworząc nowy materiał o nazwie Ecovio. Jego formułę bezustannie się ulepsza; możliwe jest dziś nawet spienianie tego materiału.

Jakie są główne korzyści wynikające ze stosowania tego typu materiałów? Dlaczego warto zapłacić za nie więcej?

Być może cena, które obecnie

BIOTWORZYWA 1/2015 15

ROZMOWA jest problemem, za parę lat spadnie, a biotworzywa mocniej zagoszczą na rynku opakowaniowym. Oczywiście trudno jest konkurować z tanimi tworzywami ropopochodnymi, ale do niektórych zastosowań na pewno powinniśmy wykorzystywać takie materiały – zwłaszcza do opakowań jednorazowych, zanieczyszczonych żywnością i nie nadających się do recyklingu, a które jednocześnie są lekkie i przez to ich zbiórka i recykling materiałowy są nieopłacalne. Zastosowanie w tym miejscu polimerów biodegradowalnych o tyle poprawia sytuację, że potania recykling. Nie trzeba oczyszczać opakowań z pozostałości produktów, można je umieścić w pojemniku na bioodpady, które następnie trafiają do kompostowni i zostają przetworzone na kompost. A kompostowanie jest metodą znacznie tańszą niż recykling materiałowy tradycyjnych tworzyw polimerowych, gdzie odpady trzeba oczyścić.

W przypadku biotworzyw ze źródeł odnawialnych głównym motywem ich stosowania jest niekorzystanie z zasobów ropy naftowej i obniżanie emisji CO2. Trzeba pamiętać, że w przypadku biotworzyw wskaźniki emisji ditlenku węgla są bardzo korzystne, ponieważ rośliny – główny surowiec do produkcji – pochłaniają CO2 w procesie fotosyntezy.

W ogólnym bilansie wskaźniki emisji CO2 są korzystniejsze niż w przypadku tworzyw konwencjonalnych.

Gdybyśmy w Polsce chcieli produkować tworzywa z surowców odnawialnych, to na jakie rośliny powinniśmy zwrócić uwagę?

16 BIOTWORZYWA 1/2015

W Polsce tradycyjnie uprawia się sporo ziemniaków. Swego czasu zastanawiano się nad uruchomieniem produkcji bioetanolu z masy roślinnej, aby następnie wytwarzać później z niego etylen, z którego produkuje się polietylen. Zresztą bioetanol można na dobrą sprawę wyprodukować praktycznie z każdej rośliny. Inwestycja taka byłaby jednak opłacalna pod warunkiem znacznego wzrostu cen ropy. Trzeba by oczywiście uwzględnić zastrzeżenia patentowe, poza tym duże kwoty pochłonęłaby część technologiczna.

Chciałabym jednak podkreślić, że na świecie powstają tego typu instalacje, tzw. biorafinerie. Wspominałam o Stanach Zjednoczonych, gdzie w okolicach upraw uruchamia się biorafinerie pozwalające na kontraktowanie od okolicznych farmerów płodów rolnych, z których jest następnie wytwarzany polilaktyd. Podobnie jest we Włoszech – w mieście Terni postawiona została biorafineria przez firmę Novamont.

Kontraktuje ona płody od okolicznych rolników i przetwarza je na biopolimery, które służą do produkcji wspomnianego tworzywa Mater-Bi. Co stoi na przeszkodzie, żeby podobną inwestycję zrealizować w Polsce? Czy chodzi tylko o cenę?

Na pewno koszt inwestycji jest ważny, ale myślę, że trzeba tu też wspomnieć o pewnym konflikcie interesów. Producenci tradycyjnych polimerów nie są przychylni wobec produkcji nowych materiałów, podobnie jest w przypadku biorafinerii.

Dopóki koncerny paliwowe wydobywają ropę i ta ropa jest

stosunkowo tania, trudno oczekiwać, że zainwestują w biorafinerie.

Wspominała Pani, że przetwórcy mocno zwracają uwagę na cenę. Jak to wygląda od strony konsumentów? Czy przykładają oni Pani zdaniem wagę do takich kwestii, jak np. biodegradowalność?

Uważam, że jest w Polsce spora grupa świadomych konsumentów. W zeszłym roku w Instytucie przeprowadziliśmy badania konsumenckie, z których wynika, że jest pewna grupa konsumentów zwracających uwagę na znaki znajdujące się na opakowaniach, wskazujące na sposób postępowania z opakowaniami po ich zużyciu.

A zatem konsumenci są przygotowani i szukają określonych znaków, np. dotyczących recyklingu. Z pewnością dopracowania wymaga kwestia tego, co dany znak konkretnie oznacza i tu należy wdrożyć pewne działania edukacyjne.

Ale widać, że jest naturalna potrzeba poprawienia stanu rzeczy i zwracania uwagi na aspekt ekologiczny opakowań.

Swego czasu wiele firm próbowało wpłynąć na wyniki sprzedaży swoich produktów umieszczając na nich mylące informacje np. na temat degradowalności. Czy podobny proceder wciąż ma miejsce?

Tak, cały czas można spotkać się z takimi działaniami i nawet gromadzimy przykłady takich mylących informacji. Częste są to komunikaty w rodzaju: „Jestem zielona”, „Jestem ekologiczna”, pojawiają się też informacje i grafiki w kolorze zielonym – i często nie ma to

ROZMOWA żadnego znaczenia z punktu widzenia ekologii. Pojawiają się także mylące oznaczenia wyrobów z dodatkami powodującymi oksydegradację, np. „Torba w 100 proc. oksybiodegradowalna”. Są to oczywiście przekłamania, świadome lub nie, ale bez wątpienia na trendzie ekologicznym żerują firmy pragnące wzmocnić swoją sprzedaż.

Zresztą zagadnienie wpływu opakowań na środowisko jest szerokie i nie dotyczy tylko ostatniego etapu, tj. postępowania z odpadami, lecz obejmuje dokładną analizę, począwszy od surowców, poprzez cały etap produkcji, użytkowania i w końcu – odpadów. Świetną metodą do oceny oddziaływania na środowisko jest ocena cyklu życia (LCA), którą w naszym Instytucie realizujemy w Zakładzie Ekologii Opakowań i takie oceny wykonujemy na potrzeby przedsiębiorców. Ale zainteresowanie wykonaniem takiej oceny nie jest jeszcze zbyt duże. Przedsiębiorcy nie są zobligowani, aby – przynajmniej na swoje potrzeby – takie oceny cyklu życia wykonywać. Kierują się więc raczej hasłami marketingowymi, które nie mają nic wspólnego z rzeczywistym wpływem danego opakowania na środowisko.

W Polsce mamy spory problem z zagospodarowaniem odpadów. Jak wyobraża sobie Pani system, który pozwoliłby na odpowiednie zagospodarowanie odpadów tworzyw biodegradowalnych?

Wiele lat temu podczas wizyty w Wiedniu miałam okazję zobaczyć tamtejszy system zagospodarowania odpadów or-

ganicznych – zaczyna się on od ustawienia specjalnych pojemników na tego typu odpady.

Podobnie powinno być i u nas – mieszkańcy miast (nieco inaczej wygląda sytuacja na obszarach wiejskich) powinni mieć możliwość składowania w specjalnych pojemnikach odpadów organicznych. Najlepiej byłoby te odpady wyrzucać w specjalnych, kompostowalnych torebkach. Do takich pojemników można by było również wyrzucać opakowania biodegradowalne, pod warunkiem potwierdzenia przydatności do kompostowania, dlatego, że dany wyrób może być biodegradowalny, ale niekoniecznie – kompostowalny w warunkach przemysłowych.

Trudno oczekiwać, że otrzymamy kompost dobrej jakości, gdy będą się w nim znajdować np. kawałki folii czy nieprzetworzone fragmenty opakowania. A zatem w idealnym systemie bioodpady umieszczamy w torbach biodegradowalnych i wrzucamy do specjalnych pojemników, skąd są odbierane przez firmy usług komunalnych i kierowane do kompostowni.

Czy w Polsce jest wola, aby stworzyć system kompostowni przemysłowych?

To trudna sprawa, wynikająca z obowiązującego systemu zagospodarowania odpadów.

Przypomnijmy na początek, że za zagospodarowanie odpadów opakowaniowych konsument płaci już w momencie nabycia towaru, ponieważ do ceny opakowań wliczony jest koszt recyklingu. A zatem powinny być one odbierane od konsumentów za darmo. Mimo to zmuszeni jesteśmy do po-

nownego płacenia przy odbiorze odpadów, a więc na konsumenta niepotrzebnie przerzuca się dodatkowe opłaty.

Ponadto w polskich miastach funkcjonują miejskie spółki usług komunalnych, które nie zawsze działają optymalnie pod względem rachunku ekonomicznego. Miasto bowiem pokryje generowane przez nie straty, często poprzez podnoszenie opłat. Jeśli więc miasto ma swoją spółkę i tak jak np. w Warszawie nie ma odpowiedniej kompostowni oraz nie wypracowało odpowiednich metod postępowania z odpadami i instalacji, to na pewno zagospodarowanie odpadów będzie droższe i nieracjonalne. Zmiany wprowadzone ustawą o odpadach nie w każdym przypadku okazują się prawidłowe, bo jeżeli odpady odbiera prywatna firma, która posiada instalacje spełniające określone standardy, to może usługę wykonać taniej i lepiej niż firma gminna.

Tymczasem np. w Warszawie większość przetargów wygrało MPO i trudno oprzeć się wrażeniu, że przetarg tak był skonstruowany, aby wygrać go mogła określona spółka.

Na poziomie unijnym ustalono pewne normy w zakresie postępowania z bioodpadami.

Nie powinny one na pewno trafiać na składowiska. W polskiej ustawie były ograniczenia w zakresie składowania odpadów na wysypiskach i regulacje tworzone są w taki sposób, aby powstawało coraz więcej kompostowni. I tak się dzieje, niestety, nie w każdym przypadku, czego Warszawa ponownie jest niechlubnym przykładem Na poziomie unijnym sporo

BIOTWORZYWA 1/2015 17

ROZMOWA się mówi na temat wdrażania zasad biogospodarki. Czy politycy oraz urzędnicy krajowi (np. w Ministerstwie Środowiska czy Gospodarki) przejawiają zainteresowanie tą tematyką?

Poza hasłami osobiście nie widzę w kraju żadnych konkretnych działań. Są oczywiście pewne ogólne zapisy ustawowe, ale praktyka jest niestety trochę inna. Modyfikacje ustawy o gospodarce opakowaniowej i odpadach opakowaniowych nie poszły w kierunku uproszczenia systemu i znalezienia źródeł finansowania zbiórki odpadów z gospodarstw domowych, bo to jest największy problem. Oczywiście część zmian, które nastąpiły w tej ustawie wynikało z poprawek wprowadzonych przez posłów, wydaje się jednak, że jakieś wytyczne ze strony Ministerstwa Środowiska powinny być widoczne w oficjalnym przekazie dla przedsiębiorców i mieszkańców, żebyśmy wiedzieli, jakie są najlepsze praktyki, a z pewnością większość z nas chciałaby stosować rozwiązania lepsze i bardziej prawidłowe. Gdyby więc pewna wizja ministerialna była dostępna, mogłoby to wpłynąć np. na praktykę przedsiębiorców.

Jakich rad mogłaby Pani udzielić firmie przetwórczej, która chciałaby postawić na produkcję opakowań z biotworzyw?

Przede wszystkim – gorąco do tego zachęcam! Przy czym trzeba się liczyć z szeregiem uwarunkowań. A więc surowiec do wytwarzania musi być sprowadzony z zagranicy i bę-

18 BIOTWORZYWA 1/2015

Najbliższe wydarzenia EPNOE 2015

19–22.10.2015 Warszawa, Polska http://epnoe2015.ibwch.lodz.pl

10. konferencja European Bioplastics 5–6.11.2015 Berlin, Niemcy http://en.european-bioplastics.org/conference

Microplastic in the environment 23–24.11.2015 Kolonia, Niemcy http://microplastic-conference.eu

Global Bioeconomy Summit 2015 25–26.11.2015 Berlin, Niemcy http://gbs2015.com

Biopolymers 2015 International Conference 14–16.12.2015 Nantes, Francja https://colloque.inra.fr/biopolymers2015

dzie on droższy niż tradycyjne tworzywo polimerowe. Ponadto opakowanie musi spełniać wszystkie wymogi prawne i musi posiadać odpowiednią jakość, bowiem zamiana jednego materiału na drugi nie jest prosta i wiąże się z określoną charakterystyką starego i nowego opakowania. Trzeba więc sprawdzić, czy opakowanie z nowego materiału będzie spełniać swoje funkcje i czy utrzyma określoną jakość zapakowanego towaru na drodze od producenta do użytkownika.

Firma, która chciałaby podjąć takie działanie musi na pewno uwzględnić wyższe koszty wytwarzania, a więc odbiorcy takich opakowań muszą zapłacić wyższą cenę. Będą one więc interesujące dla odpowiedniej grupy klientów, którzy są skłonni zapłacić wyższą

cenę za towar w bardziej ekologicznym opakowaniu.

Szansą więc może jest eksport do zamożniejszych krajów?

Oczywiście, i tak też się dzieje. Mam na przykład kontakt z przedsiębiorcami działającymi na rynku owoców i warzyw, którzy pakują swoje produkty w opakowania papierowe z folią celulozową. Nabywców firma szukała właśnie na rynku unijnym – z powodzeniem.

W Polsce ta świadomość jeszcze jest znacznie mniejsza, natomiast za granicą – w Holandii, we Francji, w Belgii – konsumenci są w stanie zapłacić więcej za rozwiązania zgodne z zasadami zrównoważonego rozwoju.

Dziękuję za rozmowę.

RYNEK

Podczas wystawy Expo w Mediolanie koncern Coca-Cola zaprezentował butelkę PET wyprodukowaną w 100 proc. z materiałów odnawialnych.

Butelki PlantBottle w całości z bio-PET

P

odczas World Expo w Mediolanie koncern Coca-Cola zaprezentował butelkę w całości wykonaną z surowców biopochodnych. Do tej pory opakowania PlantBottle zawierały 30 proc. surowców pochodzenia roślinnego. Zastosowanie nowej technologii ma stanowić ważny krok w kierunku zastępowania tworzyw produkowanych z surowców kopalnych materiałami biopochodnymi.

Produkcja butelek PlantBottle opiera się na technologii przetwarzania naturalnych cukrów zawartych w roślinach.

Jak wiadomo, politereftalan etylenu otrzymuje się z glikolu etylenowego i kwasu tereftalowego (TPA). Wcześniej udawało się otrzymać z surowców odnawialnych (trzciny cukrowej) jedynie glikol etylenowy, stanowiący 30 proc. wagi materiału, natomiast problemem była produkcja TPA z biosurowców. Głównym materiałem do produkcji kwasu tereftalowego jeast paraksylen, uzyskiwany z toluenu. Po raz pierwszy udało się uzyskać paraksylen z biomasy (poprzez izobutanol jako produkt pośredni) na początku XXI wieku.

Nowa butelka PlantBottle koncernu Coca-Cola w całości została wyprodukowana w oparciu o surowce odnawialne

BIOTWORZYWA 1/2015 19

RYNEK W technologii zastosowanej do produkcji PlantBottle zastosowano paraksylen BioFormPX wyprodukowany z surowców odnawialnych przez amerykańską firmę Virent. W pracach nad uzyskaniem bio-PET brali udział też specjalisci z Far Eastern New Century. W trakcie kilkuletnich badań i testów instalacje demonstracyjna firmy Virent została rozbudowana tak, aby móc obsługiwać duże komercyjne zamówienia, zarówno w zakresie paraksylenu, jak i innych związków aromatycznych (benzen, toluen, ksyleny).

Butelka wyprodukowana z bio-PET nie różni się od butelek z tradycyjnie otrzymywanego tworzywa, zarówno w zakresie wyglądu, właściwości, jak i możliwości recyklingu.

– Naszym celem było pełne wykorzystanie przełomowej technologii, używającej biopochodnych surowców to stworzenia pierwszej nadającej się do recyklingu butelki PET – powiedziała Nancy Quan z koncernu Coca-Cola. – Cieszymy się, że możemy zaprezentować tę butelkę na Expo – w miejscu, gdzie szczególnie doceniane są innowacje w zakresie zrównoważonego rozwoju.

Od 2009 roku, kiedy Coca-Cola pierwsze butelki PlantBottle z 30-procentową zawartością surowców odnawialnych, na rynek zostało wypuszczonych 35 mld tego typu opakowań. Według szacunków koncernu przyczyniło się to do zmniejszenia rocznej emisji CO2 o ponad 315 tys. ton.

Celem firmy jest zastąpienie do 2020 roku wszystkich stosowanych butelek PET nowymi opakowaniami PlantBottle. http://www.coca-colacompany.com http://www.virent.com

20 BIOTWORZYWA 1/2015

Stefano Facco (Novamont)

Matrìca – zintegrowana biorafineria produkująca innowacyjne produkty

Z

miana paradygmatu z tradycyjnej chemii na chemię opartą w znacznej mierze na surowcach odnawialnych pozwala na otwarcie drzwi na nowe rynki oraz na poszerzenie ilości produktów wytwarzanych w oparciu o nowe strategie ekonomiczne, społeczne i środowiskowe. Są one podstawowym fundamentem nowoczesnego społeczeństwa, choć trzeba stwierdzić, iż przeżywa ono w ostatnich latach poważny kryzys. Jednak nowa strategia biogospodarki przynosi rozwiązanie godzące ze sobą troskę o kwestie środowiskowe z możliwościami rozwoju. Rozwój zintegrowanych, lokalnych biorafinerii, zaprojektowanych do produkcji innowacyjnych biochemikalów i biotworzyw, pozwala na uzyskanie znacznie większej wartości dodanej w porównaniu do istniejących instalacji do produkcji energii i biopaliw. Taki model działalności stanowi podstawę do uzyskania synergii z rolnictwem, odnowienia starszych zakładów produkcyjnych oraz wznowienia produkcji w niektórych bardziej zaniedbanych regionach. W konsekwencji uzyskać można szereg pozytywnych efektów kaskadowych w zakresie zatrudnienia, produktywności, ochrony śro-

dowiska i integracji z tradycyjnym sektorem naftowym.

Poprzez wykorzystywanie surowców odnawialnych, jak resztki czy specjalne uprawy, staje się możliwe w ten sposób stworzenie nowej gałęzi chemii, związanej z tradycyjną, lecz respektującą prawidłowości zachodzące w ekosystemach oraz lokalną bioróżnorodność oraz włączającą nowe obszary w proces innowacji.

We Włoszech poczyniono do tej pory pewne kroki służące implementacji tych ambitnych celów. Kilka znaczących na rynku przedsiębiorstw zainwestowało w badania i budowę instalacji demonstracyjnych i produkcyjnych. Jednym z nich jest Matrìca, spółka joint venture dwóch firm – Novamont i Versalis. W ramach inwestycji przekształcono zakłady petrochemiczne w Porto Torres na Sardynii w zintegrowaną biorafinerię, która wykorzystując surowce rolnicze i odpady roślin może produkować szereg produktów chemicznych – biochemikalia, półprodukty do produkcji biotworzyw, smarów, dodatki do gumy i plastyfikatory do tworzyw sztucznych. Biorafineria wykorzystuje przy tym innowacyjne i niskokosztowe procesy, dzięki czemu wpisuje się

RYNEK w nowy model przemysłowy.

Produkowane przez biorafinerię produkty adresowane są do rynku biochemikaliów, sektora, którego wzrost szacuje się na 17 proc. rocznie i z produkcją w wysokości 8,1 mln ton w 2015 roku (Lux Research Study, wrzesień 2010). Opar­ ty na tych szacunkach projekt rozpoczęty w 2012 roku to inwestycja warta 500 mln euro, w której skład wchodzą rozmaite instalacje, z których pierwsza niedługo zostanie uruchomiona. Dla celów projektu przeznaczono obszar o powierzchni 27 ha.

Matrìca jest przykładem integracji między rolnictwem a produkcją przemysłową.

Surowce używane w biorafinerii należą do grupy roślin oleistych, które nie stanowią konkurencji dla łańcucha żywnościowego oraz uprawiane są na obszarach o marginalnej powierzchni.

Interesującym gatunkiem z punktu widzenia biorafinerii jest na przykład

karczoch hiszpański, roślina o niskich wymaganiach i zdolna do przetrwania w suchym klimacie śródziemnomorskim.

Rośnie ona naturalnie w regionie na nieuprawnych, mało żyznych glebach i nie stanowi w żaden sposób konkurencji dla zasobów potrzebnych ludziom i zwierzętom. Do celów przemysłowych wykorzystywać można zarówno olej pochodzący z nasion karczocha, jak i biomasę, z której pozyskuje się celulozę i hemicelulozę.

Ponadto podczas ekstrakcji oleju otrzymuje się wysokobiałkową mąkę, która może zastąpić obecnie stosowaną w żywieniu zwierząt soję.

Oprócz innych produktów biorafineria Matrìca wytwarzać będzie biopochodne monomery do produkcji biotworzyw, dodatki zwiększające poślizg i uplastyczniające PVC, których receptura oparta jest na technologii firmy Novamont.

Oleje roślinne na przykład przekształcane będą w kwasy

dikarboksylowe, monokarboksylowe i glicerol.

Dobrym przykładem możliwości biorafinerii jest produkcja plastyfikatorów, które są ważnym dodatkiem dla wielu polimerów. Dotychczas do zmiękczania używało się szeroko ftalanów, jednak z uwagi na rosnącą świadomość w zakresie zdrowia i bezpieczeństwa intensywnie poszukuje się alternatywnych materiałów. Innowacyjne, biopochodne plastyfikatory nie zawierające ftalanów, a oparte na złożonych estrach, będą niedługo dostępne. Główną cechą owych materiałów jest połączenie takich cech, jak duża waga molekuł z bardzo niską temperaturą zeszklenia, dzięki czemu osiągnąć można dobre efekty plastyfikacji w szerokim zakresie warunków i przy niezwykle niskiej lotności plastyfikatorów.

Pierwsza rodzina produktów rafinerii oparta będzie na kwasie azelainowym, dikar-

Do głównych produktów biorafinerii Matrica należą biochemikalia, półprodukty do produkcji biotworzyw, smarów, dodatki do gumy i plastyfikatory do tworzyw sztucznych.

BIOTWORZYWA 1/2015 21

RYNEK

Biorafineria Matrìca zlokalizowana jest w Porto Torres na Sardynii.

boksylowym kwasie organicznym. Z punktu widzenia chemii jest to niezwykle ciekawa substancja, może być bowiem jednym z podstawowych składników biotowrzyw. Ponadto związek ten może być wykorzystywany także w innych aplikacjach, np. w sektorze kosmetycznym i farmaceutycznym do produkcji środków przeznaczonych dla skóry i włosów. Kwas azelainowy odznacza się wysokim stopniem czystości, co jest szczególnie ważne w procesie polimeryzacji oraz w produkcji kosmetyków.

Oprócz kwasów dikarboksylowych w biorafinerii Matrìca produkowane będą kwasy monokarboksylowe, jak np. kwas pelargonowy, naturalny produkt o wielu potencjalnych zastosowaniach np. w obszarze produktów fitosanitarnych,

22 BIOTWORZYWA 1/2015

a przede wszystkim – biomateriałów o właściwościach smarnych. Takie zastosowania są możliwe dzięki wysokiej czystości kwasu wynikającej z procesów służących do jego ekstrakcji. Biolubrykanty produkowane w oparciu o kwas pelargonowy w szczególności nadają się do aplikacji, gdzie wymagane są wysokie właściwości produktu. Mogą być używane w branży samochodowej, w rolnictwie, w produkcji statków i wielu innych obszarach.

Innym ważnym produktem biorafinerii będzie specjalna mieszanina pochodnych olejów roślinnych, opracowana z myślą o zastąpieniu ropopochodnych dodatków używanych obecnie w produkcji opon.

Mieszanina będzie w szczególności używana jako olej-zmiękczacz w mieszankach

gumowych do wyrobu opon, dzięki czemu będzie można uzyskać lepsze właściwości w zakresie oporów toczenia (co przełoży się na mniejsze zużycie paliwa) oraz lepsze własności przetwórcze, dzięki czemu zarówno podczas produkcji, jak i eksploatacji uzyskać będzie można wyższe wskaźniki w zakresie ekologii. http://www.matrica.it

NAUKA

Andrzej Łodyga, Piotr Tyński, Magdalena Kozioł, Waldemar Sadurski, Jakub Bogusz, Justyna Ostrowska

Skrobia termoplastyczna – alternatywne źródło innowacyjnych tworzyw biodegradowalnych

W

ostatnich latach obserwuje się znaczny wzrost zainteresowania tworzywami biodegradowalnymi, a zwłaszcza wytwarzanymi na bazie surowców odnawialnych. Przez długi czas w przemyśle opakowaniowym podstawowym surowcem były polimery pochodzące ze źródeł petrochemicznych, takie jak: polietylen (PE), polipropylen (PP), poli(teraftalan etylenu) (PET), czy też polistyren (PS). Dobre właściwości mechaniczne, barierowe oraz transparentność umożliwiały zastosowanie tych polimerów w wielu aplikacjach, a szczególnie w sektorze opakowaniowym. Jednak powszechne stosowanie syntetycznych i jednocześnie niebiodegradowalnych polimerów spowodowało poważne problemy ekologiczne, narastające z biegiem lat. W związku z tym, w trosce o środowisko naturalne, na przestrzeni ostatniej dekady Unia Europejska wprowadza kolejne restrykcje, które zmuszają przedsiębiorców do stosowania biodegradowalnych zamienników dla polimerów konwencjonalnych, a także wprowadzanie dodatków przyspieszających biodegradację tworzyw, tzw. prodegradantów. W Unii Europejskiej zagadnienia zwią-

zane z opakowaniami i odpadami opakowaniowymi reguluje dyrektywa 94/62/WE o opakowaniach i odpadach opakowaniowych oraz jej nowelizacje 2004/12 i 2005/20.

Ponadto, zgodnie z projektem przepisów przyjętych przez Parlament Europejski w 2014 roku, ilość stosowanych jednorazowych toreb polietylenowych do 2019 r. musi zostać zmniejszona o 80%.

Wiele ośrodków badawczych na świecie podjęło temat polimerów biodegradowalnych, pracując nad recepturami i technologiami produkcji tworzyw ulegających biodegradacji. Przewiduje się, że wprowadzane przez UE dyrektywy dotyczące ograniczeń w stosowaniu tworzyw konwencjonalnych powinny spowodować wzrost zainteresowania bioworzywami, tak w postaci granulatów, jak i otrzymywanych z nich gotowych wyrobów.

Zwiększenie oferty tworzyw biodegradowalnych i obniżenie ich ceny, która jak dotąd jest znacznie wyższa od ceny tworzyw otrzymanych z polimerów petrochemicznych, mają przyczynić się do wzrostu zainteresowania przedsiębiorców materiałami biodegradowalnymi.

Skrobia natywna i skrobia termoplastyczna Jednym z bardziej obiecujących polimerów naturalnych, który z powodzeniem znajduje zastosowanie w dziedzinie opakowań, jest skrobia. Co więcej, oprócz zalety, jaką jest jej biodegradowalność, pozyskiwana jest ona ze źródeł odnawialnych, co sprawia, że polimer ten spełnia zasady „zielonej chemii” i jest „podwójnie zielony”. Tym samym, ze względu na pochodzenie, cena tego polimeru nie jest związana z ceną ropy (która w ostatnich latach ulega dużym wahaniom), zachęcając producentów tworzyw biodegradowalnych do wykorzystania tego surowca.

Skrobia jako dodatek do tworzyw stosowana jest najczęściej w dwóch postaciach: – skrobia natywna, jako biodegradowalny napełniacz, – tzw. skrobia termoplastyczna (TPS) (z ang. thermoplastic starch).

Zastosowana w postaci natywnej jako wypełniacz syntetycznego tworzywa, przyspiesza dezintegrację i fragmentację łańcucha niebiodegradowalnego polimeru, a tym samym jego rozkład w środowisku naturalnym. Może być również przetworzona do formy termo-

BIOTWORZYWA 1/2015 23

NAUKA

Skrobia natywna i otrzymywana z niej skrobia termoplastyczna

plastycznej i po wymieszaniu z innymi polimerami biodegradowalnymi, w celu poprawy jej właściwości mechanicznych i barierowych, utworzyć całkowicie biodegradowalną blendę polimerową.

Skrobia termoplastyczna (TPS) jest obecnie głównym surowcem do wytwarzania biodegradowalnych polimerów skrobiowych. Otrzymywana jest w procesie wytłaczania skrobi natywnej w obecności plastyfikatorów (np. glicerol, mocznik itp.) w podwyższonej temperaturze, co prowadzi do uzyskania materiału termoplastycznego. Tak otrzymana skrobia termoplastyczna w postaci granulatu może być dalej przetwarzana na standardowych urządzeniach stosowanych w przetwórstwie tworzyw termoplastycznych.

Ze względu na hydrofilowy charakter, materiały oparte jedynie na skrobi i plastyfikatorach wykazują niezadawalające właściwości mechaniczne oraz zbyt szybko degradują w warunkach wysokiej wilgotności, ulegając odkształceniom i zniszczeniu w trakcie użytkowania. W celu poprawy ich właściwości mogą być one mieszane z innymi polimerami biodegradowalnymi w

24 BIOTWORZYWA 1/2015

obecności odpowiednich dodatków poprawiających kompatybilność/homogeniczność mieszanych składników. Od zawartości poszczególnych składników w tworzywie zależy wiele jego właściwości oraz przydatność aplikacyjna, a jednym z głównych składników warunkujących te cechy jest skrobia. Udział skrobi termoplastycznej w takich mieszan-

kach może dochodzić do 75%, co znacząco obniża cenę biodegradowalnego materiału.

Przetwarzanie i zastosowanie blend polimerowoskrobiowych Granulaty mieszanek polimerowo-skrobiowych mogą być przetwarzane w celu uzyskania finalnych wyrobów po-

Folie biodegradowalne na bazie skrobi termoplastycznej Zastosowanie

Zalety

Czynniki wpływające na rozkład folii

- folie opakowaniowe - torby jednorazowego i wielorazowego użytku, - worki na śmieci, - jednorazowe naczynia, tacki, pojemniki na żywność, - folie rolnicze i ogrodnicze

- biodegradowal­ ność, - nietoksyczne, - bezsmakowe i bezzapachowe, - niska przepuszczalność dla tlenu i wilgoci, - niska cena surowca - skrobi ziemniaczanej, - dostępność i odnawialność surowca, - właściwości mechaniczne zbliżone do folii uzyskanych z syntetycznych polimerów

- temperatura i wilgotność otoczenia, - obecność mikroorganizmów w środowisku rozkładu, - nasłonecznienie, - skład jakościowy blendy, z której została wytworzona folia

Tabela 1. Charakterystyka i kierunki zastosowań biodegradowalnych folii na bazie TPS

NAUKA Folia

FOLIE INS

FOLIE OPAKOWANIOWE KOMERCYJNE

przez zastosowanie tradycyjnych metod przetwórstwa, jak na przykład: – wytłaczanie (np. folii z rozdmuchem lub głowicą płaską „cast”), – wtryskiwanie, – prasowanie, – termoformowanie, – wytłaczanie z rozdmuchiwaniem (wytwarzanie butelek).

Przetworzone granulaty biopolimerowe na bazie skrobi termoplastycznej znalazły zastosowanie w wielu aplikacjach, przede wszystkim w przedmiotach jednorazowego i krótkoterminowego użytku, w sektorze opakowaniowym oraz foliach rolniczych. W zależności od składu i właściwości tego typu folie biopolimerowe mogą znaleźć szerokie zastosowanie w życiu codziennym, zaczynając od najprostszych produktów, takich jak worki na śmieci czy reklamówki sklepowe, a kończąc na foliach wielowarstwowych do bardziej zaawansowanych zastosowań (tabela 1). Folie sztywne otrzymywane meto-

Grubość Wydłużenie Wytrzyma­ [μm] względne łość na przy zer­ rozciąganie waniu [%] [MPa]

Folia 1 HDPE

24

375

44

Folia 2 HDPE

20

309

25

Folia 3 LDPE+TDPA (prodegradant)

41

756

23

Folia 4 50% TPS + Poliester 1

78

429

27

Folia 5 50% TPS + Poliester 2

79

245

26

Tabela 2. Właściwości mechaniczne folii komercyjnych i folii otrzymywanych w Laboratorium Tworzyw Biodegradowalnych INS

dą wytłaczania głowicą płaską „cast” mogą być również wykorzystane do termoformowania pojemników i opakowań o różnych kształtach. Jeszcze inna aplikacja to biodegradowalne folie do zastosowania

Urządzenia do przetwórstwa tworzyw na hali Laboratorium LTB

w ogrodnictwie i rolnictwie, które rozkładają się w glebie w określonym krótkim czasie.

Laboratorium Tworzyw Biodegradowalnych INS W Laboratorium Tworzyw Biodegradowalnych w Instytucie Nowych Syntez Chemicznych w Puławach (INS) są opracowywane i badane innowacyjne materiały bazujące na roślinnych surowcach odnawialnych, w tym skrobi ziemniaczanej i kukurydzianej. Prowadzone prace badawcze mają na celu opracowanie własnych technologii produkcji skrobi termoplastycznej i mieszanek polimerowo-skrobiowych do wytwarzania różnego rodzaju folii jedno- i wielowarstwowych, butelek i kształtek.

Otrzymywane dotychczas w Laboratorium Tworzyw Biodegradowalnych folie na bazie

BIOTWORZYWA 1/2015 25

NAUKA skrobi termoplastycznej i biodegradowalnych poliestrów mają zbliżone właściwości mechaniczne do folii wytworzonych z powszechnie stosowanych surowców petrochemicznych. Folie te posiadają wysoką wytrzymałość na rozciąganie oraz dobre właściwości elastyczne. Ich niewątpliwą zaletą jest to, że ulegają rozkładowi w warunkach kompostowalnych, przez co są przyjazne

dla środowiska. Dodatkowo, poprzez zastosowanie taniej i powszechnie dostępnej skrobi, zostaje obniżona cena wytworzenia takiej folii. W poniższej tabeli zestawiono wybrane wyniki badań właściwości mechanicznych folii otrzymanej z powszechnie stosowanego polietylenu oraz folii wyprodukowanej w Laboratorium Tworzyw Biodegradowalnych na bazie skrobi i poliestrów

Lp. Nazwa urządzenia 1.

Linia do granulacji tworzyw biodegradowalnych z wytłaczarką 2-ślimakową o średnicy ślimaków 20 mm o parametrach L:D = 48:1 2.

Układ do rozdmuchu folii 1, 3 i 5-warstwowej z trzema wytłaczarkami 1-ślimakowymi 3.

Układ do wylewania folii 1, 3 i 5-warstwowej z trzema wytłaczarkami 1-ślimakowymi 4.

Wytłaczarka 2-ślimakowa o średnicy ślimaków 26 mm o L:D = 52:1 z systemem dozowników grawimetrycznych 5.

Wytłaczarka 1-ślimakowa o średnicy ślimaka 25 mm 6.

Prasa hydrauliczna 7.

Butelczarka

8.

Dwuwalcarka

9.

Termoformierka

10.

Młyn wolnoobrotowy

11.

Młynek nożowy

12.

Wtryskarka elektryczna o sile zamykania form 600 kN

13.

14.

Mieszalnik szybkoobrotowy Suszarki do tworzyw

biodegradowalnych metodą wytłaczania z rozdmuchem.

Laboratorium Tworzyw Biodegradowalnych INS wyposażone jest w urządzenia do wytwarzania i przetwórstwa tworzyw oraz nowoczesną aparaturę do analizy polimerów, które zestawiono w tabelach 3 i 4.

Urządzenia do przetwórstwa tworzyw umożliwiają przede wszystkim przygoto-

Zastosowanie Proces uplastyczniania skrobi, przygotowanie granulatów mieszanek polimerowych. Wydajność wytłaczarki 2-ślimakowej do 20 kg/h.

Otrzymywanie elastycznych folii 1, 3 i 5-warstwowych metodą rozdmuchu.

Otrzymywanie sztywnych folii 1, 3 i 5-warstwowych głowicą płaską o grubości do 1,8 mm Otrzymywanie granulatów mieszanek polimerowych. Modyfikacja tworzyw, reaktywne wytłaczanie.

Wytłaczanie tworzyw polimerowych, proces uplastyczniania skrobi.

Przetwórstwo metodą prasowania mieszanek biotworzyw z dodatkami.

Wytwarzanie butelek 1 i 3-warstwowych metodą wytłaczania z rozdmuchem.

Mieszanie tworzyw z pigmentami, barwnikami i dodatkami modyfikującymi ich właściwości.

Kształtowanie opakowań, pojemników z folii sztywnych.

Mielenie i rozdrabnianie odpadów polimerowych do recyklingu.

Mielenie i rozdrabnianie tworzyw polimerowych, naturalnych surowców roślinnych w celu wykorzystania ich jako dodatki do biotworzyw.

Wtryskiwanie kształtek do badań właściwości mechanicznych otrzymywanych materiałów.Badanie i optymalizacja warunków procesu wtryskiwania biotworzyw.

Przygotowywanie mieszanek do wytłaczania.

Suszenie granulatów tworzyw i proszków.

Tabela 3. Aparatura do przetwórstwa tworzyw w Laboratorium Tworzyw Biodegradowalnych INS

26 BIOTWORZYWA 1/2015

NAUKA

Proces wytłaczania z rozdmuchem folii zawierającej 60% skrobi termoplastycznej w mieszance Wtryskarka elektryczna

biopolimerowych oraz otrzymywanych z nich produktów.

Specjalistyczna aparatura pozwala na ocenę właściwości mechanicznych i termicznych oraz reologicznych półfabrykatów i wyrobów finalnych uzyskiwanych w procesie przetwórstwa.

Laboratorium Tworzyw Biodegradowalnych INS zlokalizowane jest na terenie Puławskiego Parku Naukowo-Technologicznego.

Poza prowadzeniem prac badawczych, laboratorium świadczy usługi dla firm zajmujących się przetwórstwem i badaniem tworzyw, nie tylko biodegradowalnych. Wyposażenie aparaturowe w urządzenia do przetwórstwa tworzyw pozwala na prowadzenie badań w skali wielkolaboratoryjnej w warunkach odzwierciedlających rzeczywiste warunki produkcji, przy stosunkowo niewielkim zużyciu tworzywa.

Aparatura badawcza będąca na wyposażeniu Laboratorium umożliwia ponadto kompleksowe oznaczenie właściwości

wanie granulatu skrobi termoplastycznej, jej mieszanek z innymi poliestrami biodegradowalnymi oraz wytworzenie z uzyskanych blend polimerowych folii, kształtek czy butelek. Dodatkowo aparatura produkcyjna zainstalowana w laboratorium pozwala, obok prowadzenia prac badawczych, na produkcję granulatów polimerowych od kilkudziesięciu do stu ton rocznie, na potrzeby drobnego rynku polimerowego.

Aparatura badawcza jest niezbędna do kontroli jakości surowców stosowanych do wytwarzania skrobi termoplastycznej i mieszanek

BIOTWORZYWA 1/2015 27

NAUKA Lp. Nazwa urządzenia 1. Titrator KF z piecykiem do próbek stałych 2. Spektrometr FTIR z przystawką ATR 3.

Termograwimetr TGA

4.

Różnicowy kalorymetr skaningowy DSC

5.

Chromatograf żelowy GPC/SEC

6.

Dynamiczny analizator termomechemiczny DMA

7.

Maszyna wytrzymałościowa z głowicą pomiarową siły 2kN i 5kN wyposażona w videoekstensometr

8.

Plastometr

9. Młot Charpy’ego 10. Aparat do testów HDT i Vicata 11. Reometr kapilarny z dwoma głowicami pomiarowymi siły do 50kN z systemem do pomiarów pVT, die swell, elastyczności i wytrzymałości stopu na rozciąganie 12. Aparat do badania wytrzymałości na rozdzieranie metodą Elmendorfa 13. Aparat do badania odporności na uderzenie metodą spadającego grotu 14. Piknometr helowy 15. Twardościomierz Shore D 16. Komora klimatyczna

Zastosowanie Oznaczanie zawartości wody w surowcach i granulatach polimerowych.

Badanie struktury chemicznej polimerów, analiza jakościowa.

Charakterystyka surowców, analiza składu stechiometrycznego i identyfikacja produktów rozkładu próbki, określenie trwałości termicznej granulatu.

Analiza fazowa polimerów, oznaczanie składu chemicznego i czystości, pomiar ciepła przemian fazowych i reakcji chemicznej, wyznaczanie ciepła właściwego substancji, wyznaczanie temperatury topnienia i zeszklenia polimerów.

Oznaczanie masy cząsteczkowej polimerów, lepkości granicznej, konformacji łańcuchów polimerowych.

Badanie mechanicznych i lepkosprężystych właściwości materiałów w funkcji temperatury, czasu i częstotliwości, podczas periodycznych zmian obciążenia.

Badanie właściwości mechanicznych folii: wytrzymałości na rozciąganie, Modułu Younga, odporności na przebijanie, wyznaczanie współczynnika tarcia.

Wyznaczanie masowego i objętościowego wskaźnika szybkości płynięcia.

Badanie udarności materiałów polimerowych.

Wyznaczanie wartości temperatury ugięcia pod obciążeniem HDT oraz temperaturę mięknienia wg Vicata dla materiałów termoplastycznych.

Pomiar lepkości przy ścinaniu oraz innych reologicznych właściwości polimerów.

Wyznaczanie odporności folii na rozdzieranie.

Badanie odporności folii na przebicie spadającym grotem.

Pomiar gęstości tworzyw.

Oznaczanie twardości tworzyw.

Kondycjonowanie próbek.

Tabela 4. Aparatura badawcza dostępna w Laboratorium Tworzyw Biodegradowalnych INS

28 BIOTWORZYWA 1/2015

NAUKA tworzyw polimerowych, niezbędnych w kontroli jakości, a także świadczenie usług analitycznych dla firm zewnętrznych.

Podsumowanie Ze względu na możliwość zastosowania biopolimerów w wielu gałęziach przemysłu i ich komercjalizacji, wciąż intensywnie prowadzi się badania nad rozwojem technologii ich otrzymywania. Wiele firm zajmuje się wytwarzaniem polimerów biodegradowalnych, a skala ich produkcji rośnie.

Pomimo, że właściwości i cechy użytkowe otrzymywanych kompozytów biodegradowalnych są zbliżone do konwencjonalnych polimerów, ciągle są jeszcze niekonkurencyjne cenowo. Ceny klasycznych polimerów petrochemicznych wynoszą 4–7 zł/kg (PE, PP,

Aparatura do analizy termicznej polimerów (Różnicowy Kalorymetr Skaningowy DSC i Termograwimetr TGA)

PET), natomiast średnie ceny tworzyw biodegradowalnych wynoszą od ok. 10 zł/kg polilaktydu (PLA) do 50 zł/kg polihydroksymaślanu (PHB).

W związku z tym zastosowanie taniej i szeroko dostępnej skrobi jako składnika kompozycji

Maszyna wytrzymałościowa jednokolumnowa z wideoekstensometrem

biodegradowalnych wydaje się być dobrym kierunkiem w rozwoju współczesnego przemysłu tworzywowego.

Reometr kapilarny

BIOTWORZYWA 1/2015 29

NAUKA

Krzysztof Bajer

Skrobia jako potencjalny surowiec materiałowy Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, ul. M. Skłodowskiej-Curie 55, 87-100 Toruń

O

becnie na całym świecie poszukuje się nowych, przyjaznych dla środowiska, biodegradowalnych materiałów opakowaniowych [1]. W tym celu w ostatnich latach wykorzystuje się surowce roślinne, często określane mianem biopolimerów [2]. Mogą to być polimery wytwarzane bezpośrednio z surowców naturalnych, takich jak polisacharydy (skrobia, celuloza, chityna i chitozan), polipeptydy pochodzenia naturalnego (żelatyna), poliestry bakteryjne, polimery uzyskiwane drogą klasycznej syntezy chemicznej z monomerów pochodzenia naturalnego,

Rys. 1 Zdjęcie skrobi

30 BIOTWORZYWA 1/2015

a także polimery produkowane przez mikroorganizmy i polimery produkowane z surowców petrochemicznych z udziałem polikaprolaktonu (PCL), poliestry amidowe, kopoliestry, polialkohol winylowy (PVAL). Ogromnego znaczenia nabierają tzw. „czyste” technologie, wykorzystujące materiały, które nie obciążają środowiska naturalnego.

Idealny biopolimer powinien – oprócz zdolności do biodegradacji – posiadać funkcjonalność stosowanych do tej pory tworzyw sztucznych, a także być w stosunku do nich ekonomicznie konkuren-

Wzór strukturalny skrobi

cyjny [3]. Ostatnio jako taki materiał wskazuje się skrobię – naturalny i odnawialny biopolimer, którego roczna produkcja w samej Europie wynosi około 8 mln ton [4]. Skrobia (rys. 1) składa się z dwóch frakcji: amylozy ((C6H10O5)n, gdzie n=5000) 20–25 % i amylopektyny ((C6H10O5)n, gdzie n=50000) 75–80% [5].

Czysta skrobia jest białą, semikrystaliczną (15–45% stopień krystaliczności) substancją, pozbawioną zapachu i smaku [6,7]. W zależności od pochodzenia możemy wyróżnić skrobię ziemniaczaną, pszenną, kukurydzianą, bananową, grochową, ryżową i inne. Różnią się one przede wszystkim typem krystaliczności, kształtem i wielkością ziaren (rys. 2) oraz zawartością amylozy i ciężarem cząsteczkowym.

Temperatura topnienia wszystkich skrobi (220–240˚C) i temperatura przejścia szklistego (230˚C) jest wyższa, aniżeli temperatura ich degradacji (220˚C), stąd jej przetwórstwo w postaci czystej jest utrud-

NAUKA

Rys. 2. Zdjęcia skrobi wykonane skaningowym mikroskopem elektronowym SEM. Od lewej: skrobia ziemniaczana, kukurydziana i pszenna

nione [8]. Także ze względu na słabą rozpuszczalność, silne właściwości hydrofilowe oraz niekorzystne właściwości mechaniczne w formie surowej skrobia zużywana jest w niewielkim stopniu i ma bardzo ograniczone zastosowanie praktyczne. Dlatego też skrobię poddaje się modyfikacjom, których celem jest zmiana jej właściwości na bardziej przydatne do zapewnienia określonej postaci lub konsystencji produktu oraz lepszej trwałości i stabilności wyrobu podczas przechowywania.

W zastosowaniach przemysłowych główną rolę odgrywają modyfikacje chemiczne (zwłaszcza sieciowanie i/lub acetylowanie) ze względu na ich bardzo dużą różnorodność.

Metod modyfikacji chemicznej jest bardzo wiele [7, 9–12].

Dzięki nim z tego biopolimeru można otrzymywać ogromne ilości produktów przydatnych niemalże w każdej dziedzinie naszego życia. Używa się ich do produkcji tworzyw, superabsorbentów o wysokiej wodochłonności, materiałów okrywających do mikrokapsułkowania (wykorzystywanych w medycynie czy kosmetyce jako nośniki substancji biologicznie czynnych, np. witamin oraz w przemyśle spożywczym do zamykania aroma-

tów). Ponadto skrobie modyfikowane znalazły zastosowanie jako składniki klejów czy papieru, jako materiały wybuchowe, błonotwórcze, a także jako leki dermatologiczne. Lista zastosowań skrobi modyfikowanych przekracza 1000 pozycji, a jej poszerzenie jest tylko kwestią wyobraźni [13].

W branży tworzyw polimerowych największe znaczenie ma zastosowanie skrobi do produkcji wszelkiego rodzaju folii i opakowań biodegradowalnych, do których najczęściej wykorzystuje się inną z metod modyfikacji skrobi – plastyfikację. Prowadzi ona do zmniejszenia oddziaływania między makrocząsteczkami skro­bi (zerwania wiązań wodorowych i częściowej depolimeryzacji skrobi), obniżenia temperatury przejścia szklistego, a tym samym przyczynia się do poprawy warunków przetwórstwa tego polimeru – powoduje wzrost wydłużenia przy zerwaniu oraz udarności, przyczyniając się jednocześnie do obniżenia wytrzymałości na rozciąganie. Wśród najczęściej stosowanych plastyfikatorów wyróżnić można glicerynę, sorbitol, wodę, glikol etylenowy, mocznik, formamid czy acetamid [8, 4–17]. Skrobia plastyfikowana (PS) może być przetwarzana tak, jak trady-

cyjne tworzywo polimerowe.

Jednakże ze względu na czułość na wilgoć nie może być stosowana do wielu celów.

Podstawowym obszarem jej zastosowań są rozpuszczalne, kompostowalne pianki, takie jak wypełniacze, tace i kształtki, folie ogrodnicze. W firmie Novamont stwierdzono, że PS w połączeniu z polimerami syntetycznymi może tworzyć 3 rodziny materiałów. Jedną z nich jest PS skompleksowana z kopolimerami syntetycznymi zawierającymi fragmenty hydrofilowe i hydrofobowe, takie jak np. kopolimer alkoholu winylowego, poliestry, uretany lub kopolimer etylen-kwas akrylowy. Inną rodzinę stanowi PS z niekompatybilnymi polimerami syntetycznymi (pochodne celulozy, poliestry alifatyczne) lub PS częściowo skompleksowana i częściowo kompatybilna wymieszana z niekompatybilnymi lub częściowo kompatybilnymi polimerami syntetycznymi. Skrobia może być poddawana destrukcji w obecności polimerów hydrofobowych, takich jak alifatyczne poliestry. Stwierdzono, że mieszanie skrobi z alifatycznymi poliestrami poprawia jej właściwości przetwórcze i biodegradację. Najlepiej do tego celu nadaje się poliester, jakim jest poli-ε-kaprolakton

BIOTWORZYWA 1/2015 31

NAUKA i jego kopolimery lub polimery o wysokiej temperaturze topnienia otrzymywane w reakcji glikolu (1,4-butanodiol) z kwasem bursztynowym, sebacynowym, adypinowym, azelainowym lub dekanowym.

Obecność kompatybilizatora pomiędzy skrobią i alifatycznym poliestrem (np. amyloza skompleksowana z alifatycznym poliestrem) lub polimerem częściowo lub całkowicie kompatybilnym z poliestrem, skrobia szczepiona poliestrem, a także obecność przedłużaczy łańcucha, takich jak diizocyjaniany lub epoksydy może zdecydowanie poprawiać właściwości kompozytów na bazie skrobi. Tego typu materiały charakteryzują się doskonałą kompostowalnością, bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi oraz ograniczoną czułością na działanie wody.

Głównymi producentami skrobi termoplastycznej są Novamont (Włochy), ENPAC (USA) i National Starch (USA).

W laboratoriach często stosowaną metodą otrzymywania folii ze skrobi jest metoda wylewania roztworu i odparowania rozpuszczalnika. Metodą tą otrzymuje się folie z wodnych roztworów skrobi, a także roztworów mieszaniny skrobia – chitozan, skrobia – montmorylonit, skrobia – glicerol, jak również folie z amylozy i amylopektyny. W wielu przypadkach etapem poprzedzającym otrzymywanie folii ze skrobi przez wylanie roztworu jest przygotowanie mieszaniny skrobi z innymi składnikami stosując obróbkę parą wodną.

W procesie tym roztwór skrobi w formie dyspersji przepływa przez otwór do dyszy, gdzie poddawany jest działaniu pary wodnej pod wysokim ciśnie-

32 BIOTWORZYWA 1/2015

niem [18]. Nową metodą do uzyskiwania folii laminowanej ze skrobi kukurydzianej jest metoda rozpylania elektrycznego (EHDA). Polega ona na rozbijaniu na jednorodne krople cieczy przepływającej przez kapilarę, pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.

Uzyskane w ten sposób krople nanosi się na obracającą się płytkę. Badania wskazały, że metoda ta umożliwia uzyskiwanie folii o jednolitej grubości w czasie krótszym niż metodą strącania rozpuszczalnika [19].

Najczęściej jednak stosowaną metodą otrzymywania folii na osnowie skrobi jest wytłaczanie, które w porównaniu z wcześniej omówionymi procesami periodycznymi jest bardziej wydajne i ekonomiczne. Proces ten umożliwia modyfikację skrobi (chemiczną i fizyczną) oraz wytwarzanie nowych materiałów opartych na tym biopolimerze w sposób ciągły. Na właściwości kompozycji skrobiowych wpływ mają warunki procesu, tj. temperatura przetwórstwa, konfiguracja ślimaka, a także sposób przygotowania kompozycji: sposób mieszania składników, temperatura procesu mieszania, zawartość i rodzaj modyfikatorów, rodzaj środków sieciujących oraz innych polimerów.

W procesie wytłaczania stosowane są wytłaczarki jedno- lub dwuślimakowe. Różnice pomiędzy tymi typami wytłaczarek wynikają z mechanizmu transportu materiału. Wytłaczarki jednoślimakowe zawierają jeden ślimak. Mechanizm transportu w tych urządzeniach jest oparty na tarciu pomiędzy materiałem a ścianami cylindra wytłaczarki. Składają się one z układu uplastyczniającego, w skład którego wcho-

dzi część zasypowa i zasilania cylindra, część właściwa cylindra oraz strefa nagrzewająco-chłodząca cylindra. Głównym elementem składowym wytłaczarek jest ślimak. Konstrukcja ślimaka wpływa na natężenie przepływu tworzywa, pulsację, a także jakość uplastycznienia tworzywa. Zastosowanie wytłaczarek wieloślimakowych pozwala na uzyskanie efektywniejszego uplastycznienia tworzyw na osnowie skrobi, wśród których najczęściej stosowanymi są wytłaczarki dwuślimakowe. Biorąc pod uwagę kierunek obrotów ślimaka, wytłaczarki dwuślimakowe można podzielić na: współbieżne (ślimaki wykonuje ruchy obrotowy w tym samym kierunku) i przeciwbieżne (ślimaki wykonują ruch obrotowy w kierunkach przeciwnych). Uwzględniając kryterium odległości pomiędzy grzbietami zwojów jednego ślimaka a dnem kanałów drugiego, a także odległości pomiędzy ich powierzchniami bocznymi, ślimaki można podzielić na: zazębiające się szczelnie, zazębiające się nieszczelnie oraz nie zazębiające się. W przetwórstwie skrobi zastosowanie znalazły głównie wytłaczarki przeciwbieżne ze ślimakami o zwojach zazębiających się nieszczelnie.

Układ uplastyczniający takiej wytłaczarki posiada budowę segmentowo-modularną cylindra i ślimaków. Zaletą takiej budowy jest optymalizacja konfiguracji układu uplastyczniającego i ślimaków w celu uzyskania wysokiej jednorodności i korzystnych właściwości materiału skrobiowego. Na właściwości tworzyw skrobiowych otrzymywanych podczas wytłaczania wpływ wywierają warunki prowadzenia proce-

NAUKA su wytłaczania, np. stosowane temperatury, rodzaj ślimaka, zastosowane segmenty w konfiguracji ślimaka, szybkość obrotów ślimaka, jak również sposób przygotowania (sposób

mniejszą jednostkową wydajnością w odniesieniu do innych tworzyw stosowanych do produkcji folii (PP, PET, PLA czy PVC-P) [14]. Jednakże, przy odpowiednio dobranej

rodnej folii zawierającej ponad 60% masowych skrobi (rys. 3).

Folia taka odznacza się całkowitą biodegradacją w glebie i brakiem toksyczności wobec roślin uprawnych (rys. 4). Fo-

Rys. 3. Biodegradowalna folia o zawartości skrobi pow. 60%

mieszania, temperatura mieszania) oraz skład zastosowanych kompozycji (zawartość plastyfikatora, rodzaj plastyfikatora, zawartość środków sieciujących, włókien np. celulozowych, obecność innych polimerów itp.).

Przetwórstwo tworzyw na bazie skrobi nie należy do łatwych, tworzywo w procesie uplastyczniania charakteryzuje się wzrastającą lepkością ze wzrostem szybkości ścinania.

Następuje wówczas zagęszczanie tworzywa przy wzroście obrotów ślimaków. Prowadzone w Instytucie Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu badania wykazały, że skrobia plastyfikowana odznacza się najwyższym jednostkowym zużyciem energii napędu ślimaków i naj-

konfiguracji układu plastyfikującego wytłaczarki oraz parametrów procesu wytłaczania możliwe jest uzyskanie jedno-

lia może znaleźć zastosowanie wszędzie tam, gdzie dominującej roli nie pełnią parametry wytrzymałościowe, a kluczo-

Rys. 4. Wzrost roślin uprawnych (rzodkiewka i owies) w glebie zawierającej odpady folii

BIOTWORZYWA 1/2015 33

NAUKA wym parametrem jest szybki rozkład materiału w środowisku naturalnym bez negatywnego wpływu na otaczającą nas florę. Najnowsze wyniki badań prowadzone w Instytucie wskazują także, że folia na osnowie skrobi może pełnić rolę nawozu podczas rozkładu biologicznego i wpływać na poprawę wzrostu i jakości roślin. W obecnych czasach, gdy ekologia i ochrona środowiska mają coraz większe znaczenie, prestiż skrobi jako surowca w branży tworzyw polimerowych może bardzo wzrosnąć.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

Literatura: 1. L. Mościcki, L.P.B.M. Janssen, M. Mitura, Inż. Roln. 2006, 6, 65.

2. L. Mościcki, Acta Agroph. 2007, 9, 431.

3. J. Fang, P. Fowler, Food, Agri-

10.

culture & Environment 2003, 1 (3&4), 82.

L. Janssen, L. Moscicki, Thermoplastic starch: A green material for various industries, Wiley-VCH, Weinheim, 2009.

J. M. Raquez, Y. Nabar, M. Srinivasan, B. Y. Shin, R. Narayan, P. Dubois, Carbohydr. Polym. 2008, 74, 159.

K. Bajer, A. Richert, D. Bajer, J. Korol, Polym. Eng. Sci. 2012, 52 (12), 2537.

J. Kapuśniak, K. Jochym, K. Bajer, D. Bajer, Przem. Chem. 2011, 8, 1521.

Poutanen, P. Forssel, 1996, TRIP 4-4, 128.

P. Tomasik, M.F. Zaranyika, Adv. Carbohydr. Chem. Biochem.

1995, 51, 243.

P. Tomasik, M. Fiedorowicz, A. Para, [w:] Starch: Progress in structural studies, modifications and applications (red. P. Tomasik, V.P. Yuryev i E. Bertoft), Polskie Towarzystwo Technologów Żywności, Kraków 2004.

11. P. Tomasik, C.H. Schilling, Adv. Carbohydr. Chem. Biochem.

2004, 59, 175.

12. A. Walkowski, G. Lewandowicz, Przem. Spoż. 2004, 5, 49.

13. A. Krępulec, Przeg. Zboż.-Młyn.

2004, 3, 15 14. K. Bajer, A. Stasiek, M. Bogucki, Przetwórstwo tworzyw 2011, 17(4), 265.

15. H. R. Park, S. H. Chough, Y. H. Yun, S. D. Yoon, J. Polym. Environ. 2005, 13(4), 375.

16. Pat. PL 203055/ B1 (2006).

17. M. C. Galdeano, M. V. E. Grossmann, S. Mali, L. A. Bello-Perez, M. A. Garcia, P. B. Zamudio-Flores, Mater. Sci. Eng. 2009, C 29(2), 492.

18. J. W. Lawton, G. F. Fanta, Carbohydr. Polym. 1994, 23, 275.

19. R. Pareta, M. J. Edirisinghe, Carbohydr. Polym. 2006, 63, 425.

Parametr Chłonność wody Wilgotność Wytrzymałość na zerwanie Gęstość właściwa Wydłużenie przy zerwaniu Wytrzymałość na rozdzieranie met. Elmendorfa Udarność met. spad. grota Ciężar cząsteczkowy skrobi Degradacja termiczna Temperatura zeszklenia Temperatura termoplastyfikacji Stopień biodegradacji met. respirometryczną

Jednostka % % MPa kg/m3 % N N Mw °C °C °C % (30 dni)

Wartość 50–96 10–11 3–6 1455 90–135 0,1–0,14 >8,6 0,920 x 106 300 –46 63 49

Stopień biodegradacji met. wzrostu mikroorganizmów Fitotoksyczność

Skala 1–5

5 brak

Tabela 1. Wybrane parametry płaskiej folii biodegradowalnej wytworzonej w Instytucie

34 BIOTWORZYWA 1/2015

NAUKA

Rafał Malinowski

Poli(kwas mlekowy) – jeden z głównych przedstawicieli biotworzyw Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, ul. M. Skłodowskiej-Curie 55, 87-100 Toruń

R

osnąca produkcja tworzyw polimerowych na świecie powoduje znaczące obciążenie środowiska naturalnego materiałami nieulegającymi biodegradacji, a także pośrednio wydobyciem i przetwórstwem surowców kopalnych przeznaczonych do wytwarzania tych tworzyw. Stanowi to jeden z głównych problemów, nad którego rozwiązaniem prowadzone są liczne prace badawcze. Jednym ze sposobów ograniczających niekorzystny wpływ tworzyw na środowisko jest wprowadzanie do użytku nowych materiałów, przyjaznych dla tego środowiska.

Materiałami takimi są m.in. biotworzywa [1]. Aby określone tworzywo mogło być zaliczone do grupy biotworzyw, musi być biodegradowalne i/ lub otrzymywane z surowców odnawialnych. Z uwagi na te kryteria, biotworzywa można podzielić na: – biodegradowalne oraz otrzymywane z surowców odnawialnych, – biodegradowalne oraz otrzymywane z surowców kopalnych, – niebiodegradowalne oraz otrzymywane z surowców odnawialnych.

Podział ten został wprowadzony przez European Biopla-

stics Association. Trzy wyżej wymienione grupy biotworzyw stanowią niewielki udział (około 1%) w całkowitej ilości tworzyw produkowanych na świecie.

Najważniejszą grupę biotworzyw, która może istotnie przyczynić się do ochrony środowiska naturalnego, stanowią polimery biodegradowalne otrzymywane z surowców odnawialnych, często nazywane „podwójnie zielonymi”. Nie stanowią one zagrożenia dla środowiska naturalnego, ponieważ całkowicie ulegają procesowi biodegradacji, a jednocześnie nie są one bezpośrednio uzależnione od surowców kopalnych. Głównym przedstawicielem tej grupy biotworzyw jest poli(kwas mlekowy) (PLA) [2–6], którego strukturę przedstawiono na rys. 1.

Rys.1. Wzór strukturalny PLA

PLA nie jest jednak nowym polimerem. Znany był już w latach 30. XX wieku, kiedy to po raz pierwszy został otrzymany. W latach 50. XX wieku

został opatentowany proces jego oczyszczania, co umożliwiło jego szersze zastosowanie w następnych dziesięcioleciach, głównie w inżynierii tkankowej i medycynie, np. do wytwarzania implantów lub szwów. Kiedy koncern Cargill opracował technologię wytwarzania PLA na skalę wielkotonażową, znalazł on zastosowanie komercyjne do wytwarzania wytworów codziennego użytku, np. opakowań produktów spożywczych.

Obecnie, ze względu na jego coraz łatwiejszą dostępność oraz coraz niższe ceny, staje się on konkurencyjnym tworzywem dla swoich niebiodegradowalnych odpowiedników.

Największym producentem PLA jest firma Nature Works produkująca odmiany tego polimeru o różnych przeznaczeniach, np. PLA z serii 2000 do termoformowania, PLA z serii 3000 do wtryskiwania, PLA z serii 6000 do wytwarzania włókien lub PLA z serii 8000 do wytwarzania materiałów spienionych.

PLA jest alifatycznym poliestrem, który otrzymuje się metodami chemicznej syntezy monomerów (kwasu mlekowego lub laktydu) wytwarzanych z surowców odnawialnych (głównie skrobi z kukurydzy).

BIOTWORZYWA 1/2015 35

NAUKA Kwas mlekowy (kwas 2-hydroksy propanowy) może występować w postaci L- lub D-enancjomeru. W zależności od syntezy któregokolwiek z enancjomerów oraz jej mechanizmu, można otrzymać PLA o różnych właściwościach, przez co może być on szeroko wykorzystywany. Polimer ten może być otrzymywany metodami: (a) bezpośredniej polikondensacji kwasu mlekowego lub (b) dwuetapowej syntezy, w której w fazie pierwszej otrzymuje się laktyd z kwasu mlekowego, a w fazie drugiej następnie jego polimeryzacja z otwarciem pierścienia. Metoda druga jest stosowana powszechniej oraz umożliwia otrzymanie PLA o lepszych właściwościach, ale wymaga zastosowania monomeru o dużej czystości.

PLA charakteryzuje się dużą wytrzymałością i sztywnością, ale jest dość kruchy. Jego wytrzymałość na rozciąganie i moduł sprężystości są wyższe do polietylenu dużej gęstości (HDPE), polipropylenu (PP) lub polistyrenu (PS), ale udarność i wydłużenie względne przy zerwaniu są mniejsze od tych polimerów. Generalnie PLA ma korzystne właściwości mechaniczne i użytkowe, przez co może konkurować z klasycznymi tworzywami występującymi na rynku. Jego temperatura zeszklenia wynosi około 58°C, a temperatura topnienia od około 130 do około 180°C w zależności od rodzaju PLA, a głównie od zawartości merów L i D w łańcuchu polimerowym. Jest to polimer półkrystaliczny, który najszybciej krystalizuje w temperaturze od 110 do 115°C. Właściwości fizykochemiczne PLA zależą w dużym stopniu od jego

36 BIOTWORZYWA 1/2015

morfologii w stanie stałym i krystaliczności. Ponadto bardzo łatwo chłonie on wilgoć, a jej ilość jest tym większa, im mniejszy jest stopień krystaliczności tego polimeru.

PLA może być przetwarzany za pomocą znanych maszyn, urządzeń i technologii [7]. Przetwarza się go w temperaturach w zakresie od 160 do 240°C, jednak już w tych warunkach może on ulegać częściowej degradacji, zarówno hydrolitycznej, jak i oksydacyjnej bądź depolimeryzacji. Dodatkowo proces jego degradacji mogą przyśpieszać resztki inicjatorów i monomerów, jak również źle dobrane warunki przetwórstwa, w tym niewłaściwa konstrukcja układu uplastyczniającego. Przed procesem przetwórstwa polimer ten musi być suszony, aby zapobiec jego hydrolizie, a tym samym pogorszeniu właściwości mechanicznych. Jeden z głównych producentów tego tworzywa (NatureWorks) zaleca, aby był on suszony do poziomu poniżej 250 ppm. Suszenie PLA przeprowadza się

w zakresie temperatur od 70 do 100°C w przypadku krystalicznego tworzywa oraz w temperaturze poniżej 60°C w przypadku amorficznego tworzywa. Czas suszenia zależy od temperatury tego procesu, np. czas suszenia PLA w temperaturze 70°C wynosi około 4 godzin, a w temperaturze 100°C wynosi około 1,5 godziny. Dobrze wysuszone tworzywo może być przetwarzane lub modyfikowane z wykorzystaniem różnych układów uplastyczniających. W Polsce jedne z pierwszych prób technologicznych w zakresie przetwórstwa przemysłowego i modyfikowania właściwości PLA zostały przeprowadzone w 2006 roku w Instytucie Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu (ówczesnym Instytucie Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych METALCHEM). W wyniku dalszych prac badawczych, prowadzonych wspólnie z innymi jednostkami naukowymi w Polsce, opracowane zostały założenia technologiczne wytwarzania folii litej i spienionej,

Rys. 2. Termoformowana tacka z PLA transparentnego i barwionego

NAUKA

Rys. 3. Termoformowana niebieska tacka ze spienionego PLA

a także termoformowania opakowań z PLA. Przykłady opracowanych wyrobów z PLA pokazano na rys. 2 i 3.

Poza licznymi zaletami, PLA ma również wady. Ze względu na swoją kruchość, małą odporność na odkształcenia w podwyższonej temperaturze, nienajlepszą barierowość lub możliwość częściowej degradacji już na etapie przetwórstwa, wymaga on modyfikacji. Do głównych metod modyfikowania jego niektórych właściwości zalicza się wytwarzanie kompozytów, nanokompozytów oraz mieszanin z innymi polimerami. Znane są również metody jego sieciowania, kopolimeryzacji lub szczepienia.

Jedną z najczęściej stosowanych metod modyfikowania właściwości PLA jest wytwarzanie jego mieszanin z innymi polimerami biodegradowalnymi, w wyniku czego można uzyskać nowe właściwości materiału, których nie mogłyby osiągnąć poszczególne składniki z osobna. Najczęściej do modyfikowania

właściwości PLA stosowane są takie polimery biodegradowalne jak: alifatyczno-aromatyczny kopoliester (PBAT), poli(kwas hydroksymasłowy-co-hydroksywalerianowy) (PHBV), policaprolakton (PCL) lub skrobia termoplastyczna (TPS). Niektóre mieszaniny są również dostępne komercyjnie, np. firma BASF produkuje folię Ecovio z mieszaniny polimerów PLA i PBAT. Niektóre właściwości mechaniczne lub użytkowe PLA można także polepszyć, wytwarzając jego kompozyty lub nanokompozyty z takimi składniki dodatkowymi jak: włókna naturalne (lnu, konopi, sizalu lub abaki), włókna szklane, polimerowe lub węglowe (cięte lub w postaci rowingów), napełniacze szklane (np. mikrokulki szklane), napełniacze mineralne (węglan wapnia lub hydroksykrzemian magnezu), nanonapełniacze (np. montmorylonit) i wiele innych. Stosuje się również małocząsteczkowe związki wielofunkcyjne, porofory, nukleanty, plastyfikatory, barwniki lub środki sieciujące,

w celu obniżenia ceny materiału, zwiększenia jego odporności termicznej, poprawienia właściwości przetwórczych lub powierzchniowych oraz nadania produktowi określonej barwy.

PLA jest polimerem ulegającym szybkiej biodegradacji w warunkach kompostowania przemysłowego. Jednakże aby mógł on ulec rozkładowi w określonym czasie do takich produktów, jak woda, dwutlenek węgla i komórki biomasy (zgodnie z normą EN 13432), muszą być łącznie spełnione warunki środowiskowe, takie jak: (a) odpowiednia temperatura, (b) właściwa wilgotność, (c) obecność mikroorganizmów oraz (d) określone pH. Ponadto rozkład PLA zależy od struktury jego makrocząsteczek, a głównie od ich liniowości, liczby grup chemicznych wrażliwych na działanie enzymów, stopnia krystaliczności, ciężaru cząsteczkowego, a w przypadku kompostowania wyrobów z PLA istotny jest również ich kształt. Standardowy test EN 14046 wymaga, aby w warunkach kontrolowanego kompostowania 90% materiału uległo przemianie do ww. produktów w czasie krótszym niż 6 miesięcy.

Biodegradacja jest wieloetapowym procesem z ciągiem reakcji chemiczno-biologicznych, w którym polimer rozkłada się pod wpływem tzw. czynników biotycznych (żywych mikroorganizmów).

Pierwszym etapem tego rozkładu jest często hydroliza lub utlenianie, a następnie degradacja.

Procesy biodegradacji różnych materiałów polimerowych mogą przebiegać w różnych okresach czasowych. Polimery ulegające biodegradacji szyb-

BIOTWORZYWA 1/2015 37

NAUKA ko i w kontrolowanych warunkach (zwykle w warunkach kompostowania przemysłowego) określane są często jako polimery kompostowalne. Czas jest więc głównym kryterium tego, czy określony polimer biodegradowalny jest również kompostowalny. Wynika z tego, że każdy polimer kompostowalny jest polimerem biodegradowalnym, ponieważ ulega rozkładowi biologicznemu w warunkach kompostowania w stosunkowo krótkim czasie. Takim polimerem jest m.in. PLA. Natomiast nie każdy polimer biodegradowalny jest polimerem kompostowalnym [8].

PLA ma wiele zastosowań, których zakres można rozszerzać, modyfikując właściwości tego polimeru. Poza tym istnieją dwa główne obszary tych zastosowań. Pierwszy dotyczy wielkotonażowej produkcji wyrobów codziennego użytku, a drugi związany jest z produktami specjalistycznymi przeznaczonymi dla medycyny i inżynierii tkankowej.

W zależności od zastosowanych technologii oraz rodzaju użytego PLA można wytwarzać z niego produkty jednorazowego użytku (np. sztućce), termoformowane kubki, talerzyki i pojemniki, butelki z preform, torby, folie sztywne przeznaczone do termoformowania, folie orientowane, folie rolnicze, a także włókna. PLA jest również używany w mniej typowych zastosowaniach, np. w elektronice (obudowy urządzeń elektronicznych), w technologii drukowania 3D lub do wytwarzania elementów wyposażenia wnętrz. W zastosowaniach specjalistycznych wytwarza się z niego m.in. bioresorbowalne nici chirurgicz-

38 BIOTWORZYWA 1/2015

ne i implanty, klamry, klipsy, kapsułki do kontrolowanego dozowania leków, nośniki leków, maski chirurgiczne, opatrunki, kompresy, odzież dla personelu medycznego, pieluchy, chusteczki higieniczne oraz waciki.

Podsumowując, stwier­dzić można, iż poli(kwas mlekowy) ma szansę stać się tworzywem XXI wieku. Coraz lepsze właściwości użytkowe wyrobów z PLA, jak również coraz niższe ceny i większa dostępność tego tworzywa, przyczyniają się do jego powszechnego stosowania, już nie tylko w medycynie i inżynierii tkankowej. Ponadto jego łatwa podatność na proces biodegradacji, możliwość ponownego przetwórstwa oraz uwarunkowania prawne określone unijnymi dyrektywami, sprawiają, że rośnie zainteresowanie tym polimerem. Jako jeden z głównych przedstawicieli biotworzyw może dzisiaj konkurować z innymi materiałami stosowanymi w różnych sektorach gospodarki.

Literatura: 1. http://en.european-bioplastics. org.

2. Kaplan D. L. (Ed.), Biopolymers from Renewable Resources, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, New York 1998.

3. Auras R. A. (Ed.), Lim L. T., Selke S. E. M., Tsuji H., „Poly(lactic acid): Synthesis, Structures, Properties, Processing, and Applications”, Wiley, 2010.

4. Martin O., Averous L., Poly(lactic acid): plasticization and properties of biodegradable multiphase systems, Polymer 2001, 42, 62096219.

5. Garlotta D., A literature review of poly(lactic acid), J. Polym. Environ. 2001, 2, 63-84.

6. Duda A., Penczek S., Polilaktyd [poli(kwas mlekowy)]: synteza, właściwości i zastosowanie, Polimery, 2003, 48, 16-27.

7. Lim, L. T., Auras, R. and Rubino, M. (2008). Processing technologies for poly(lactic acid), Prog.

Polym. Sci., 33, 820-852.

8. Krzan A., Biodegradowalne polimery i tworzywa, Dokument projektu PLASTICE, 2012.

W kolejnym numerze:

BIOKOMPOZYTY JUŻ W STYCZNIU 2016!