Некоторые считают, что полномасштабный переход на использование биоразлагаемых полимеров, может состояться еще, по крайней мере, лет через десять. Независимо от того, каким будет конечный результат, мы совершенно очевидно находимся на пороге очередных «больших открытий» в области пластмассовых материалов.

Пункт разгрузки. Критическая масса. Оба эти распространенные выражения используют для того, чтобы охарактеризовать момент, когда нечто уникальное или малоизвестное становится вдруг обычным и популярным. Хотя в области биоразлагаемых полимеров и биополимеров этой точки еще предстоит достигнуть, можно считать, что мы уже на пути к этому.

Независимо от того, являетесь ли Вы формовщиком или проектировщиком, сейчас самое время познакомиться с развивающимися линиями продуктов, а также теми возможностями, которые способны предложить такие материалы. До сих пор значительная активность наблюдалась в области производства применений для упаковочных пакетов и пленочных продуктов, но не следует ошибочно считать, что полимеры не могут стать приемлемой альтернативой при литьевом формовании.

 
 
Современные применения для материалов из РНА Metabolix (окрашенных в зеленый цвет) включают контейнеры для яблочного соуса, упаковку для косметики, крышки для кофе и ложки, в то время как Biograde 300A компании FKuR Kunststoffe используется для производства столовых приборов.

Зеленые по конструкции

Существует два класса биополимеров, которые следует рассматривать. К одному классу относятся полностью биологически разлагаемые материалы, а к другому относятся материалы, создаваемые из возобновляемых ресурсов, которые не разлагаются.

Вместо того, чтобы вносить свой вклад в дело развития рециклинга, полностью биологически разлагаемые полимеры позволяют решать экологические проблемы скорее за счет расщепления на углекислый газ, воду и гумус после продолжительного воздействия микроорганизмов. Вместо вечного существования на свалке, как это происходит со многими продуктами из уплотненной бумаги, металла и пластмассы, биологически разлагаемые материалы предназначены для того, чтобы уменьшить объемы материалов, попадающих на свалку, просто за счет того, что они исчезают.

В Северной Америке три компании прокладывают путь в области создания биологически разлагаемых материалов. Первой из них (первой начавшей вести разработки в этой области) является компания Natureworks LLC (Миннетонка, Миннесота), принадлежащая Cargill. Cargill, крупный концерн, занимающийся сельскохозяйственным бизнесом, является владельцем большей части получаемой зерновой продукции, и именно кукуруза является сырьевым материалом, который используют в Natureworks для производства своего материала из PLA.

 
Хотя микробы, ферментирующие органические материалы образуются естественным путем, компания Metabolix представила метаболический инжиниринг, который позволяет создавать микробы с лучшими параметрами ферментации, или лучшей «микробной биологической производительностью». Существующие микробы можно настраивать для получения большей производительности и создания полимеров из недорогих кормов.

Второй компанией является Metabolix, базирующаяся в Кембридже, Массачусетс, компания, которая изначально выросла на базе Массачусетского Технологического Институтa. Продукт компании, который называется Natural Plastic, создан на основе PHA (полигидроксиалканоатов), встречающегося в природе вида полиэфира. Интересно, что теплостойкость PHA составляет 120°C (264°F), это примерно в два раза выше, чем у PLA, а это означает, что этот материал является очень многообещающим для создания прочих применений помимо пленки. В 2004 г., компания Metabolix создала стратегический союз с другим производящим зерновые гигантом, компанией Archer Daniels Midland Co. (Декатур, Иллинойс).

Третьей компанией является компания PSM North America (Уорренвилль, Иллинойс), принадлежащая Teinnovations, которая производит состоящий на 80% из крахмала материал, называющийся Plastarch, или PSM, который имеется в виде марок для литьевого формования.

В том, что касается работы с возобновляемыми источниками, в настоящее время компания DuPont (Уилмингтон, Делавэр) является единственным производителем, который предлагает продукты на основе кукурузы, но не биоразлагаемые. Компания вступила в борьбу в прошлом году, когда она объявила о начале производства двух полимеров на биологической основе (Sorona и Hytrel), которые производятся на основе получаемого из кукурузы мономера, названного Bio-PDO.

 
Фото только в сети: большинство производителей биоформования, хотя большинство применений это пленка или термоформованнные поддоны.

Поскольку это самое новейшее направление в области биополимеров, и поскольку оно является самым многообещающим для литьевого формования, интерес к PHA здесь обеспечен. Модифицированные бактерии являются основным элементом продуктов из РНА Metabolix. Вместо того, чтобы просто ферментировать кукурузу для создания подобных полиэфиру материалов, эта технология делает большее, она создает микробов для получения более высокой производительности и производства РНА из менее дорогих видов кукурузы, таких как отходы, получаемые при мокром измельчении. Такие создаваемые инжинирингом бактерии E. coli K12 (те же, что используются для производства фармацевтических продуктов) накапливают PHA для производства энергии после перемалывания сырьевого материала из кукурузного крахмала.

Metabolix далее экстрагирует PHA для дальнейшей обработки с получением гранул. Возможна в будущем разработка метода, с помощью которого будет создаваться РНА в зеленых растениях для последующего использования в качестве топливной биомассы после извлечения полимера. Кроме разработки своих собственных продуктов РНА, Metabolix также приобрела РНА Biopol компании Monsanto в 2001 г.

Боб Финден, вице-президент по продажам и маркетингу компании Metabolix, рассказал IMM о причинах относительно недавнего роста интереса к биополимерам, который стимулировало  несколько факторов. “Различие между сегодняшней ситуацией и ситуацией семидесятых заключается в том, что, что затраты были в те времена единственным существенным фактором. А в настоящее время мы находимся в ситуации, когда свалки закрываются, а новые не открываются. Мы столкнулись с глобальным потеплением, выбросами углекислого газа, высокими энергозатратами, и политической ситуацией, которая формируется под влиянием нашей потребности в нефти. Поэтому наибольший интерес представляет проблема исключения использования нефти и газа в качестве полимерных сырьевых материалов”.

В настоящее время имеются марки РНА для литьевого формования с теплостойкостью до 120°C (264°F), в то же время компания все еще занимается разработкой листа, пленки, покрытия для бумаги и одноволоконных материалов. “Мы теперь можем переходить от кукурузы к сахару и затем к полимеру, и нацелены на создание применений, для которых наши стоимостные предложения имеют смысл”, - говорит он. Сюда относятся упаковка для пищевых продуктов, стаканчики, крышки для кофе, контейнеры для мороженого, контейнеры для пищевых продуктов, а также одноразовые потребительские продукты, такие как емкости для косметических продуктов, а также упаковка для продуктов для ухода за здоровьем и внешностью. Аналогичный олефинам и полиэфирам в том, что касается обработки и свойств, PHA может стать прямой заменой для HDPE и PET.

По словам Финдлена, компания Metabolix работает со всеми основными владельцами брэндов и переработчиками упаковочных материалов. “Мы обеспечивает испытательные количества марок для литьевого формования, и осуществляем совместную разработку прочих марок”, - говорит он. Компания производит на своей пилотной установке 25 тонн в месяц. Полностью функциональное производство в Клинтоне, Айова, должно быть введено в эксплуатацию в конце 2008 г. с годовой производительностью 110 миллионов фунтов, благодаря союзу с Archer Daniels Midland.

На данной стадии PHA поставляется с выплатой премиальной наценки 2 – 2,50 доллара за фунт. Компании, производящие упаковку, могут счесть стоимостные параметры предложения рентабельными, если, например, продуктам удается занять более выигрышные места на полках благодаря тому, что упаковка является биологически разлагаемой. Кроме того, производители и владельцы брэндов могут использовать биоразлагаемую упаковку для реализации на рынке  товаров тем покупателям, которые озабочены проблемами сохранения окружающей среды.

Финдлен также добавляет, что PHA представляет собой материал, полностью биологически разлагаемый во всех экологических условиях, и это подразумевает способность подвергаться промышленному компостированию, что является обычно используемой в Европе технологией, применяемой на специальных предприятиях по компостированию, соответствующих стандартам температуры и времени. Аналогично, PHA просто может разлагаться в бытовых компостных кучах, почве, морских средах, на увлажненных участках и открытых свалках.

Динамика рынка

По оценкам Business Communications Co., Норуолк, Коннектикут, в настоящее время глобальный спрос на биоразлагаемые пластмассы составляет 114 миллионов фунтов, при прогнозируемых среднегодовых темпах роста сильно превышающих ВВП, и прогнозируемом росте объема рынка до более чем 200 миллионов фунтов к 2010 г.

Тем не менее, в отчете ВСС отмечается, что, хотя «данная ниша рынка была нишей товарного продукта уже на протяжении более чем 20 лет, и здесь уже образовалось немало препятствий, таких как высокие цены, отсутствие промышленной инфраструктуры и необходимость соответствовать жестким законодательным предписаниям».

Рынок биологически разлагаемых полимеров Северной Америки развивался не так быстро, как рынки в Европе и Японии, говорится в  отчете, основными стимулами рынка являются упорядоченное законодательство и прогнозируемые повышения расценок на услуги свалок, и ничего из этого не предвидится в ближайшие пять лет.

Для того, чтобы в Северной Америке мог продолжаться рост, необходимо создавать системы и инфраструктуру для сбора и обработки биоразлагаемых полимеров; потребители должны захотеть мириться с неудобствами и затратами; также биологически разлагаемые полимеры должны рассматриваться как реалистичная и существующая альтернатива для утилизации отходов всеми заинтересованными сторонами.

Аналитики BCC предсказывают, что биоразлагаемые полимеры будут оставаться специальной нишей рынка еще, по крайней мере, лет десять. А в Европейской биопластмассовой Ассоциации, напротив, видят будущее биопластмасс в более розовых тонах (см. “Биопластмассовый бум в Европе”).

Здесь прогнозируется, что ближе к 2010 году производственные мощности достигнут 900,000 метрических тонн в год (см. график).
Прогнозы роста глобальных производственных мощностей, которые дают в Европейской Биопластмассовой Ассоциации на основе обзоров данных компаний-членов Ассоциации, показывают, что к 2010 году существующие мощности вырастут почти вдвое.                                                              

Рассматривая различные варианты

В число прочих альтернатив в области биополимеров входят пластмассы с высоким содержанием крахмала и не разлагаемые биологически материалы, которые производятся из мономеров на биологической основе. Как рассказывает Дэниел Тейн, вице-президент по продажам  принадлежащей Teinnovations PSM North America, Plastarch Material (PSM) представляет собой биологически разлагаемую смолу, изготовленную из кукурузного крахмала. PSM более чем на 80% состоит из кукурузного крахмала, и демонстрирует разложение, превышающее 70% после пребывания в почве 95 дней. Материал не растворим в воде, тем не менее, он также устойчив к воздействию масел и жиров. При наличии также огнестойкости в 1 час при 250°F, PSM является кандидатом для производства контейнеров для пищевых продуктов, подвергаемых обработке в микроволновой печи.

В этом году компания DuPont Engineering Polymers начнет предлагать на рынке два биополимера: вариант Hytrel на биологической основе и совершенно новый биополимер под названием Sorona. Оба биополимера были представлены на выставке NPE прошлого года, и они должны быть запущены в промышленное производство к концу года. Оба биополимера не разлагаются биологическим путем. Компания DuPont разработала технологию для производства мономера 1,3 пропандиола, или PDO, с использованием процесса ферментации на основе кукурузного сахара и генетически сконструированных бактерий, что схоже с технологией Metabolix.

В марте 2004 года компания создала совместное предприятие с компанией Tate & Lyle, крупной компанией по производству продуктов на основе кукурузы с опытом работы с технологиями ферментации, для того, чтобы появилась компания DuPont Tate & Lyle BioProducts. Это совместное предприятие затем построило в Лоудоне, Теннеси, одно из крупнейших предприятий по обработке биоматериалов в мире: оно способно производить 100 миллионов фунтов Bio-PDO в год.  Производство потребляет на 40% меньше энергии, чем аналогичное производство на основе нефтехимических продуктов, и сможет сэкономить 10 миллионов галлонов бензина в год.

По данным DuPont, Sorona обладает эксплуатационными характеристиками и формовочными параметрами, аналогичными параметрам PBT. Как говорит Нэндан Рао,  директор по глобальной технологии компании DuPont, “Помимо хорошей прочности и жесткости, здесь наблюдаются улучшенный внешний вид поверхности, глянец и хорошая размерная стабильность, что делает этот материал очень привлекательным для использования при изготовлении целого ряда применений, таких как: детали и компоненты автомобилей, электрические и электронные систем, а также промышленные и потребительские продукты”.

Предварительные оценки, в ходе которых сравнивался Hytrel, изготовленный на основе Bio-PDO, с имеющимся в настоящее время Hytrel, показали наличие улучшения свойств, таких как температурный диапазон и упругое восстановление. Этот материал предназначается для производства автомобильных применений.

На помощь приходят микробы

Американское химической общество недавно отметило в апрельском выпуске своего журнала Environmental Science & Technology, что можно в будущем использовать бактерии для преобразования основного компонента полистирольного пенопласта в биологически разлагаемый полимер.

Такие микробы, представляющие собой специальный штамм почвенных бактерий Pseudomonas putida, преобразовывали полистирольный пенопласт (такой как используемый для одноразовой упаковки двустворчатых моллюсков) в биологически разлагаемую пластмассу. Кевин О’Коннор из Университетского колледжа Дублина является автором исследования, подтверждающего эту способность. О’Коннор и его коллеги из Ирландии и Германии использовали пиролиз, технологию, которая преобразует материалы за счет их нагревания в отсутствии кислорода, для преобразования полистирола в стирольное масло. Затем исследователи снабдили этим маслом P. putida, бактерию, которая может питаться стиролом, и которая переработала масло в биологически разлагаемый полимер PHA (полигидроксиалканоаты). По словам О’Коннора, эту технологию можно также использовать для переработки прочих типов использованных пластмасс в PHA.

По данным Агентства по охране окружающей среды США, в глобальном масштабе производится более 14 миллионов метрических тонн полистирола в год,  и большая часть этих материалов оказывается, в конечном итоге, на свалке. Хотя на долю полистирола приходится менее 1% твердых отходов, которые производятся в США, там оседает на свалках, по крайней мере, 2.3 миллионов тонн в год. Как отмечают авторы исследования, в настоящее время утилизируется только 1% полистирольных отходов.

Биопластмассовый бум в Европе

В Западной Европе имеется множество потребителей, серьезно озабоченных проблемами охраны окружающей среды, и это наглядно подтверждает популярность биологически разлагаемых материалов. Согласно данным Европейской Биопластмассовой Ассоциации (Берлин, Германия), отрасль по производству биопластмасс  в Европе пережила свой первый бум в области развития рынка на протяжении 2006 г, такой вывод можно сделать на основе обзора данных 66 компаний-членов ассоциации. Выделяется еще целый ряд факторов: разработка материалов, наращивание производственных мощностей и разработка продуктов в соответствии со следующими данными:

Достижения в области разработки материалов:

• Ecovio (BASF, Германия)
• Origo-Bi (Novamont, Италия)
• Biopar и Bioparen (BIOP Biopolymer Technologies, Германия)
• PHA (Metabolix/ADM, США)
• Sorona, Hytrel (Dupont, США)
• смеси PLA (FKuR, Германия)

Новые производственные мощности:

• BIOP Biopolymer Technologies (10,000 тонн; Германия)
• Novamont (20,000 тонн; Biorefinery, Италия)
• Metabolix/ADM (50,000 тонн; США)
• Plantic (10,000 тонн; Австралия)

Продвижение разработки продуктов

• Новые пленки из PLA со свойствами HDPE (FKuR)
• Белые пленки из PLA, самоклеящиеся этикетки (Treofan)
• Металлизированные пленки от Cellulose (Innovia Films) или PLA (Treofan)
• Полностью компостируемые этикетки из бумаги или PLA (natura)
•Снимающиеся пленки из PLA для крышек (Treofan)
• Вспененные биопластмассовые поддоны (Coopbox, Sirap Gema)
• Первая полностью биологически разлагаемая бутылка (представлена Ihr Platz)
• Полный ассортимент маточных смесей для PLA и материалов на основе крахмала (PolyOne, Sukano)

www.polymery.ru