Biologicky rozložitelné plasty a bioplasty: Mýty, sny a skutečnost. H. Beneš Ústav makromolekulární chemie AV ČR

Transkript

1 Biologicky rozložitelné plasty a bioplasty: Mýty, sny a skutečnost H. Beneš (benesh@imc.cas.cz) Ústav makromolekulární chemie AV ČR

2 Moderní život je neoddělitelně spojen s polymery Plast = polymer + aditiva (stabilizátory, retardéry hoření, plniva, barviva, maziva, změkčovadla, atd.) 4 6% spotřeby ropy se použije na výrobu polymerů (>80% spotřeby ropy se spálí- ve spalovacích motorech či energeticky využije na teplo a elektrickou energii) Plastové výroby jsou využívány ve všech průmyslových odvětvích: Obrázky převzaty z publikace Polymery (aut. L. Běhálek)

3 Moderní život je neoddělitelně spojen s polymery Proč jsou široce využívané plastové výrobky? Levná surovina (ropa) a energeticky nenáročná produkce plastů Snadná zpracovatelnost různými postupy (vytlačování, vyfukování, vstřikování, lití, vakuové formování, válcování, ) Různorodá struktura, která umožňuje připravit plastové výrobky s požadovanými vlastnostmi Výhodné vlastnosti (nízká hustota materiálu, izolant, odolnost vůči povětrnostnímu stárnutí a korozi) jejich správné používání - šetří životní prostředí (úspory energie, nižší emise CO 2, zajišťuje ochranu potravin a snižuje produkci odpadních potravin)

4 Moderní život je nerozdělitelně spojen s polymery Proč jsou v současnosti prezentovány jako zlo pro životní prostředí? Znečištění planety plastovými obaly, jejichž životní cyklus je < 1 rok Vyřeší bioplasty problémy s množstvím odhozených plastových odpadků v přírodě(tzv. littering)?

5 Mýty o bioplastech Bioplasty jsou biologicky rozložitelné Bioplasty se vyrábějí z obnovitelných zdrojů Bioplasty jsou šetrnější k životnímu prostředí Bioplasty jsou recyklovatelné Konvenční plasty s tzv. degradabilní přísadou (oxoplasty, škrob+pe) jsou kompostovatelné Bioplasty mají nižší užitné vlastnosti než konvenční plasty Bioplasty vyřeší problém znečištění planety plasty

6 Fakta o bioplastech Bioplasty = plasty vyráběné z obnovitelných zdrojů nebo biodegradabilní(biologicky rozložitelné) plasty nebo obojí Různorodé materiály v současnosti více než 300 druhů 1. Nebiodegradovatelné vyráběné z obnovitelných zdrojů 2. Biodegradovatelné vyráběné z obnovitelných zdrojů 3. Biodegradovatelné vyráběné z fosilních zdrojů(ropy)

7 Nebiodegradovatelnébioplastyvyráběné z obnovitelných zdrojů 100% nebo částečně na bázi obnovitelných zdrojů Mají stejnou (podobnou) chemickou strukturu a vlastnosti jako jejich petrochemické analogy Jsou recyklovatelné Rozdíly: V názvu(používá se předpona bio- ) V přípravě odlišná surovina(biomasa) pro přípravu monomerů Příklady: Polyethylen(PE) Polyethylentereftalát(PET) Polyamidy(PA) Polyurethany(PUR)

8 Nebiodegradovatelnébioplastyvyráběné z obnovitelných zdrojů Příklad: BioPET Bio-složka(20%): ethylenglykol Ropná složka(80%): kyselina tereftalová bio-pet vs. konvenční PET nutno zhodnotit celý výrobní cyklus- surovinovoenergetická bilance a zhodnocení enviromentálních rizik (např. LCA studiehodnocení životního cyklu) (bio)pet

9 Biodegradovatelné bioplastyvyráběné z obnovitelných zdrojů Členění dle způsobu přípravy: 1. Modifikace biopolymerů = přírodních polymerů syntetizovaných biochemickými reakcemi rostlin(škrob, celulóza) Např. termoplastický škrob(tps) Relativně snadná a levná výroba Omezená využitelnost 2. Přímá syntéza biopolyesterů bakteriemi Kompletní syntéza mikroorganismy Polyhydroxyalkanoáty(PHA) až 150 typů Poly(β-hydroxybutyrát)(PHB) Vysoká cena polymeru Obtížná zpracovatelnost, nutnost modifikace 3. Polymerace bio-monomerů Monomer je získán z obnovitelného zdroje biochemickými nebo chemickými reakcemi Syntéza především alifatických polyesterů (kyselina polymléčná, PLA, polybutylensukcinát, PBS)

10 Bioplasty vyráběné z obnovitelných zdrojů Chem. Rev. 2012, 112,

11 Biodegradovatelné bioplastyvyráběné z fosilních zdrojů (ropy) Monomery syntetizovány z ropy Aromatické kopolyestery: poly(butylenadipát-co-tereftalát)(pbat) Alifatické kopolyestery: poly(butylensukcinát/adipát)(pbsa) Poly(Ɛ-kaprolakton)(PCL) Polyesteramidy(PEA) Někdy nesprávně zařazovány tzv. plasty se zkrácenou životností

12 Plasty se zkrácenou životností Plast + biodegradabilní složka: např. polyethylen (PE) + škrob Plast(PE) + aditivum(pro-oxidant, 1-5 hm.%), tzv. oxo-degradabilní plasty: Sloučeniny obsahující kationty přechodných kovů (např. dithiokarbamáty železačimědi,fe 3+,Co 3+ amn 3+ solivyššíchmastnýchkyselin,apod.) SloučeninynabáziFe 3+ -urychlujífotodegradaci SloučeninynabáziCo 3+ amn 3+ -urychlujítermodegradaci Fáze rozkladu: Polyethylen (PE) (M n ~ 10 5 g/mol) PE oligomery (M n ~ 10 3 g/mol) + nízkomolekulárníoxidačníproduktyco 2 +H 2 O

13 Plasty se zkrácenou životností Závěry coseví: Prooxidanty snižují mol. hmotnost PE Nížemolekulární produkty oxidace jsou konzumovány mikroorganismy Mikroorganismy tvoří biofilm na povrchu oxidovaných PE folií K výrazné degradaci v kompostu dochází pouze u vysoce zoxidovaných PE fólií Dosud nezodpovězené otázky: Jaký je minimální stupeň oxidace PE, aby byly skutečně biodegradovány? Podílejí se mikroorganismy přímo na štěpení PE řetězce? Jaké skupiny mikroorganismů a jaké enzymy se zúčastňují biodegradace PE? Toxicita kovových příměsí?

14 Biodegradace, biologicky rozložitelné polymery - biodegradovatelný materiál má schopnost rozkládat se bezpečně, spolehlivě a relativně rychle na suroviny, které jsou přírodě vlastní - všechny zdroje stvořené přírodou se vrací do přírody. Alespoň jeden krok degradace je uskutečněn metabolismem přirozeně se vyskytujícího organismu. - polymery z obnovitelných zdrojů = syntetizované ze obnovitelných (nikoliv fosilních) surovin (např. kukuřice, cukrová řepa) Polymer z obnovitelných surovin biodegradovatelný

15 Biodegradace, biologicky rozložitelné polymery Polymery u nichž dochází k degradaci a následnému rozkladu působením mikroorganismů (bakterie, houby, aj.) Rozklad polymeru může probíhat: 1. Aerobně (za přístupu vzduchu) lze využít v kompostárnách C polymer + O 2 CO 2 + H 2 O + C zbytkový + C biomasa + soli 2. Anaerobně (za nepřístupu vzduchu) lze využít v bioplynových stanicích C polymer CO 2 + CH 4 + H 2 O + C zbytkový + C biomasa + soli lze energeticky využít

16 Polymer Průběh biodegradace polymerů narušení polymeru fyzikálně mechanické faktory zchlazení / ohřátí, zvlhčení / vysušení a zmražení / rozmražení chemické faktory - hydrolýza, oxidace biologické faktory růst hub, extracelulární enzymy Monomery a oligomery průnik buněčnou membránou zdroj uhlíku a energie pro organismy Biomasa + CO 2 + H 2 O

17 Faktory ovlivňující biodegradaci plastů Vlastnosti polymeru pohyblivost polymerních řetězců obsah krystalické fáze rozložení sekvencí aromatických a alifatických řetězců molekulová hmotnost typ a množství funkčních skupin hydrofilita aditiva Složení plastu (množství a typy aditiv) Typ a tvar plastového výrobku (fólie, vlákno) velikost povrchu Druh mikroorganismu/ů mezofilní a termofilní Podmínky prostředí ph, teplota, vlhkost, přítomnost živin

18 Biodegradace v anaerobních podmínkách Vliv typu polymeru na rychlost biodegradace Journal of Biotechnology 86(2001)

19 Bioplasty celosvětová produkce, 2017 Celosvětová produkce plastů: cca. 335 mil tun Bioplasty < 1% Zdroj: European Bioplastics, nova-institute(2017)

20 Bioplasty očekávaný vývoj produkce Plasty nebiodegradovatelné z obnovitelných zdrojů Plasty biodegradovatelné z obnovitelných zdrojů a ropy Zdroj: European Bioplastics, nova-institute(2017)

21 Bioplasty aplikační oblasti Zdroj: European Bioplastics, nova-institute(2017)

22 Bioplasty výhody vs. nevýhody Úspora fosilních paliv(ropy) Nízká uhlíková stopa(neutrální uhlíkový cyklus) Lze vycházet z odpadních surovin ze zemědělství Ekotoxická nezávadnost biodegradabilních plastů Většinu bioplastů lze recyklovat Zábor zemědělské půdy(nyní pouze cca 0,02%) Vyčerpáníživinzpůdy Vyšší spotřeba agrochemických prostředků(pesticidy, herbicidy) Obtížně odhadnutelná doba degradace(vliv mnoha faktorů) Rozpad na fragmenty(mikroplasty) vs. úplná bioasimilace Výzvy do budoucna: Jak lépe hodnotit trvalou udržitelnost plastových výrobků? Hodnocení životního cyklu(lca) + jiné nástroje? Jak účinně porovnávat plasty připravené z obnovitelných a fosilních zdrojů?

23 Mýty o bioplastech odpovědi (ANO či NE?) Bioplasty jsou biologicky rozložitelné Bioplasty se vyrábějí z obnovitelných zdrojů ANO i NE ANO i NE Bioplasty jsou šetrnější k životnímu prostředí Bioplasty jsou recyklovatelné Většina ANO Konvenční plasty s tzv. degradabilní přísadou (škrob+pe, oxoplasty) jsou kompostovatelné ANO i NE NE ANO, ale! Bioplasty mají nižší užitné vlastnosti než konvenční plasty Bioplasty vyřeší problém znečištění planety plasty většina NE Rozpad biologicky rozložitelných plastů ve volné přírodě - probíhá zásadně pomaleji či vůbec neprobíhá! NE

24 Závěry výzvy současnosti Zlepšit spolupráci občanů(vzdělání, osvěta) Smysluplnost používání plastových obalů(omezit nadužívání) Zlepšit odpadové hospodářství(trend udržitelného rozvoje) Zvýšit podíl recyklace (zálohové obaly) a energetického využití (oběhové hospodářství) Omezit/ zakázat skládkování plastů Vytvořit regulační rámec pro biologicky rozložitelné plasty Vývoj nových typů plastů Lze do budoucna najít alternativu k plastovým obalům (nový materiál)? Děkuji vám za pozornost.