04/02/2020

Часть вторая. Все о биоразлагаемых пластиках. Мировой рынок биополимеров — 2019

04/02/2020
ЧАСТЬ ВТОРАЯ. ВСЕ О БИОРАЗЛАГАЕМЫХ ПЛАСТИКАХ. МИРОВОЙ РЫНОК БИОПОЛИМЕРОВ — 2019
Продолжаем разговор о проблемах и задачах мирового производства полимеров. Узнаем, на самом ли деле существует полностью биоразлагаемая пластиковая упаковка, какие разновидности экопластика есть на рынке. Поговорим о преимуществах и недостатках современных биоразлагаемых пакетов

Химия и экология полимеров

Полностью биоразлагаемых пластиков в мире на данный момент фактически не существует. Каждое из найденных решений имеет свои преимущества и недостатки, несет определенные риски для окружающей среды, которые необходимо соизмерять с потребительскими характеристиками, ценой, ресурсами, затраченными на производство.

Вообще попыткам создать что-то менее вредное для окружающей среды, более дружественное, чем традиционные пластики, уже более 30 лет. Формально такие пластики существуют. Есть европейский стандарт EN 13432 (ему идентичен отечественный ГОСТ Р 54530-2011) и его собратья, подразумевающие разложение упаковки в компосте не более чем за шесть месяцев. Есть маркировка «100 % biodegradable», которую используют на множестве видов пластиковой упаковки.
Проблема в том, что к обоснованности подобной маркировки есть множество вопросов. Главное, как и в случае с «ответственным потреблением», о котором мы подробно рассуждали в прошлом материале, теоретическая модель далека от реальности. С современным биоразлагаемым пластиком куча проблем:
Он требует специальных условий утилизации, определенного по составу компоста;
Может содержать соединения металлов, которые сами по себе не опасны, но в больших объемах наносят вред природе;
Для разложения ему нужны определенные условия окружающей среды;
Такой пластик не подлежит повторной переработке;
Его производство ведет к увеличению капитальных затрат;
Он не решает проблему загрязнения мирового океана;
Побочным продуктом его разложения является метан.
То, что мы привыкли именовать «биоразлагаемыми» пластиками, — разные по своему составу и способам утилизации продукты. Альтернатив традиционным полимерам в плане изготовления потребительской упаковки существует несколько:
  1. Полимеры на биооснове, то есть сделанные полностью из природных материалов (крахмала, полимолочной кислоты, целлюлозы и т. д.). В Европе их называют «компостируемые пластики».
  2. Традиционные полимеры с биоразлагающими добавками, ускоряющими процесс разложения в естественных условиях.
  3. В отдельную группу можно записать пластики с оксобиоразлагаемыми добавками, где главным катализатором выступает кислород.

Бумага и текстиль не могут служить адекватной альтернативой при производстве пакетов. Массовое производство бумажных пакетов наносит огромный вред экологии (не будем забывать про традиционную борьбу «экологов» с целлюлозно-бумажной промышленностью). Необходимо полностью менять модель потребительского поведения. Даже для того чтобы просто сравнять затраченные ресурсы на производство пакета из пластика, пакета из бумаги и сумки из хлопка, бумажный пакет необходимо повторно использовать не менее трех раз. Хлопковая сумка должна выдержать по меньшей мере 131 поход в магазин.
Согласно одному часто цитируемому исследованию, оба типа «биоразлагаемых» пластиков от разных мировых производителей спокойно выживают в почве и морской воде на протяжении трех лет (несмотря на маркировку стандарта EN 13432, где указан предельный срок разложения шесть месяцев). Более того, с этими артефактами вполне можно идти в магазин за покупками.
Фото: Imogen Napper
Источник: The Guardian
Исследователи из Плимутского университета проверили различные виды упаковки: два варианта пластиковых пакетов с оксодобавками, «биоразлагаемые» пакеты, компостируемые пакеты (из природных материалов), обычные полиэтиленовые пакеты с добавками. Результат во всех случаях был практически идентичен, вне зависимости от условий утилизации (соленая вода, разные типы компоста и т. д.): ни о каком полном разложении в заявленные производителями сроки не может быть и речи.

Мы собрали и проанализировали огромный фактический материал по мировому производству «биоразлагаемых» пластиков. Надеемся, что он поможет вести дискуссии об альтернативной пластиковой упаковке в более-менее научном ключе.

Общие сведения о биоразлагаемых полимерах

Биоразлагаемые полимеры отличаются от прочих пластиков тем, что в окружающей среде под действием микроорганизмов (бактерий или грибков) и физических факторов (УФ-излучение, температура, кислород) разлагаются. Длинные цепочки молекул биоразлагаемых полимеров распадаются на углекислый газ и воду, а также метан, биомассу и неорганические соединения.
Классификация биопластиков
Процессы синтеза биоразлагаемых полимеров развиваются в следующих основных направлениях:
  1. Получение биоразлагаемых полиэфиров на базе гидроксикарбоновых кислот.
  2. Придание свойств биоразлагаемости выпускаемым в настоящие время пластикам за счет смешения и модификации.
  3. Производство новых пластиков на основе воспроизводимых природных компонентов.
Технологии синтеза биоразлагаемых полимеров активно развиваются в США, Европе. Внедрения в производство есть в Корее, Японии, Китае. В России разработка таких технологий находится в начале становления.

Биоразлагаемые пластики в основном производятся из крахмала, полимолочной кислоты, полигидроксиалканоатов, целлюлозы и лигнина. При этом все компоненты материала являются биоразлагаемыми.

Также доступны так называемые биокомпозиты, представляющие собой смесь полимера с наполнителем, вводимым с целью снижения себестоимости материалов и/или для улучшения химико-механических свойств продукта.

Добавление к небиоразлагаемому пластику природных биоразлагаемых наполнителей (крахмала, древесной муки) не делает конечный товарный продукт биоразлагаемым.

Для достижения максимальной биологической разлагаемости пластики должны компостироваться вместе с органическими отходами — аэробным или реже анаэробным способами компостирования.

Биоразлагаемые пакеты нельзя сдавать на вторичную переработку. Они испортят обычный пластик.
Способы производства биоразлагаемых полимеров могут быть химическими или биологическими (под воздействием микроорганизмов или ферментов). Наиболее известные способы получения рассматриваемого материала:
1
Получение из природных полимеров путем их механической и химической обработки. Примеры: биоразлагаемый пластик из деструктурированного крахмала, из целлюлозы. Высокая стоимость. Страдает продуктовая безопасность: то, что является продуктом питания, мы используем для синтеза пластика, в то время как сотни миллионов людей в мире страдают от голода.
2
Химический синтез полимеров из мономеров, получаемых биопревращением возобновляемых источников сырья (в частности, использование молочной кислоты, получаемой при ферментизации сахаров, для выработки химическим способом полимолочной кислоты). Для биоразложения полимера на основе PLA необходимы определенные условия: температура и кислород. PLA получают из кукурузы, сахарного тростника, сахарной свеклы. Таким образом, в данном случае получения биоразлагаемого полимера также страдает продуктовая безопасность.
3
Получение биотехнологическим способом из возобновляемых сырьевых источников (применительно к ферментации сахаров, при которой микроорганизмы синтезируют термопластичные алифатические полиэфиры, в частности, полигидроксибутират, полигидроксиалканоаты (PHA), бактериальную целлюлозу). Способы получения биоразлагаемых полимеров с помощью синтеза бактериями являются дорогостоящими и нецелесообразными с точки зрения рентабельности к промышленному производству.
4
Химический синтез из продуктов переработки нефти и других невозобновляемых источников сырья. Традиционные синтетические пластики с введенными в них биоразрушающими добавками.
Наиболее распространенные добавки для биоразложения пластиков являются оксобиоразлагаемыми. Приставка «оксо-» означает, что для работы катализатора необходим кислород. На полигонах мусор закапывают, поэтому реакция может не пойти или материал успеет разложиться до мелких кусочков, которые сложно собрать. Кроме того, в подобные добавки добавляют никель, марганец, железо и кобальт. В конечном материале их содержание мало, однако при большом числе пакетов это значительные объемы, которые в конечном итоге окажут негативное влияние на почву, грунтовые воды.
Пример фоторазложения (прямой солнечный свет) пакета типа «майка»
Источник: Manfol.ru

Мировой рынок биополимеров 2019–2020

В настоящее время биопластики составляют примерно 1 % от 335 млн тонн пластиков, производимых ежегодно.
Согласно последним данным Европейского института биопластиков (European Bioplastics) и научно-исследовательского института nova-Institute (Хюрт, Германия), которые являются ведущими организациями в области исследования биополимеров, глобальные производственные мощности по выпуску биопластиков увеличатся примерно с 2,11 млн тонн в 2018 году до приблизительно 2,62 млн тонн в 2023 году.
Глобальные производственные мощности биопластиков в 2017–2018 гг., тыс. тонн
Источник: Европейский институт биопластиков
В число биоразлагаемых полимеров входят: крахмальные смеси, PLA — полимолочная кислота, РВАТ — полибутилен адипат/терефталат, PBS — полибутилен сукцинат, PHA — полигидроксиалканоаты. Основное внимание сегодня уделяется первым и последним в списке биополимерам.

Семейство полимеров PHA некоторое время находилось в разработке и сейчас выходит на рынок в коммерческом масштабе. По оценкам экспертов, производственные мощности PHA увеличатся в четыре раза в течение следующих пяти лет. Кроме того, удвоятся производственные мощности PLA к 2023 году. PLA является отличной заменой для PS (полистирола), PP (полипропилена и ABS (акрилонитрилбутадиенстирола). Эти сложные полиэфиры на 100 % биоосновные и биоразлагаемые.
Глобальные производственные мощности биопластиков в 2018–2019 гг., тыс. тонн (по типу материала)
Источник: Европейский институт биопластиков
Биоосновные, не поддающиеся биологическому разложению пластмассы, в том числе решения на основе PE (полиэтилен на биооснове), PET (полиэтилентерефталат на биооснове) и на основе PA (полиамид на биооснове) в настоящее время составляют до 48 % (1 млн тонн) от мировых мощностей по производству биопластиков.

Прогнозируется, что выпуск полиэтилена на биооснове будет продолжать расти, поскольку в ближайшие годы в Европе планируется запуск новых мощностей для его производства.

Намерения увеличить мощности для производства PET на биологической основе не были реализованы с теми темпами, которые прогнозировались в предыдущие годы. При этом акцент сместился на разработку PEF (полиэтиленфураноата), нового полимера, который, как ожидается, появится на рынке в 2023 году. PEF сопоставим с PET, но на 100 % состоит из биологического сырья и имеет превосходные барьерные и термические свойства, что делает его идеальным материалом для упаковки напитков, пищевых и непродовольственных товаров.

Также ожидается, что к 2023 году на рынок в коммерческом масштабе с сильным потенциалом роста благодаря применению в широком спектре секторов выйдет PP (полипропилен) на биологической основе.

PUR на биооснове (полиуретаны) — это еще одна важная группа полимеров, которые имеют огромные производственные мощности с хорошо развитым рынком и, как ожидается, будут расти быстрее, чем традиционный рынок PUR, благодаря своей универсальности. Данных об объемах производственных мощностей полиуретанов на биологической основе нет.

Сегодня существует «биопластичная» альтернатива практически для любого обычного пластикового материала соответствующего применения. В зависимости от материала, биопластмассы имеют те же свойства, что и обычные пластмассы, и предлагают некоторые преимущества, такие как уменьшенный углеродный след или дополнительные варианты управления отходами, как, например, промышленное компостирование.

Биопластмассы используются в различных секторах: от упаковки, продуктов питания, бытовой электроники, автомобилестроения, сельского хозяйства и игрушек до текстиля и ряда других. В структуре потребления крупнейшей областью применения биопластмасс является упаковка. В 2018 году данный сектор составлял почти 65 % (1,2 млн тонн) от общего рынка биопластиков.

Для получения гибкой упаковки среди полимеров на биооснове наиболее распространенный тип — материалы на основе крахмалов. За ним по частоте использования следует РВАТ (полибутилен адипат/терефталат), PLA и PBS (полибутилен сукцинат).
Глобальные производственные мощности биопластиков в 2017–2018 гг., тыс. тонн (по сферам применения типов материала)
Источник: Европейский институт биопластиков
Европа занимает первое место в области исследований и разработок биопластиков. Здесь выпускается около пятой части от мирового объема подобных материалов. К 2023 году доля биопластика, изготовленного в Европе, достигнет 27 %, что обусловлено недавно принятой политикой в таких странах, как Италия и Франция.

Крупным производственным центром является Азия. В 2018 году 55 % биопластиков было произведено именно в этой части света. 16 % и 9 % рынка приходятся на Северную и Южную Америку соответственно; 1 % — на Австралию.

Предлагаемые в мире решения

Биоразлагаемые материалы

Наибольшей популярностью пользуется биопластик на основе природных полимеров — крахмала и целлюлозы (из сахарного тростника и кукурузы). Биопластик из кукурузы производят компании Metabolix, NatureWorks, CRC и Novamont. Из сахарного тростника материалы производят предприятия Braskem. Компания Arkema в качестве сырья использует касторовое масло. Rodenburg Biopolymers получает биопластик из картофеля.

Голландские дизайнеры Эрик Кларенбик и Мартжи Дрос изобрели способ получения биопластика из водорослей. Их технология превращает водоросли в жидкое сырье, из которого посредством 3D-принтера можно печатать трехмерные пластиковые объекты.

Финская фирма Paptic выпускает материал для пакетов на основе целлюлозы и биопластика под одноименной маркой. Материал Paptic представляет собой что-то среднее между бумагой и пластиком. Фирму патронирует финский Фонд инвестиций в инновации.

Основанная в 2014 году в Индонезии компания Avani Eco создает продукцию из альтернативных пластику биоразлагаемых материалов. В частности, это пакеты из корня маниоки, которые якобы разлагаются в воде за несколько минут, а также пищевые контейнеры из сахарного тростника, посуда из PLA и кукурузного крахмала. Avani Eco — ведущий поставщик альтернативной упаковки в Юго-Восточной Азии.

Пластик из водорослей придумали в Израиле ученые Тель-Авивского университета. Микробы вида Haloferax mediterranei питаются водорослями Ulva lactuca. Побочным продуктом их жизнедеятельности является вещество полигидроксиалканоат, которое используется для производства пластмасс. Водоросли можно выращивать прямо в океане, на любой свободной территории, не занимая полезных земель. Согласно доступной информации, новый материал достаточно быстро разлагается в земле (в течение двух лет) и сравнительно недорог в производстве.

В 2012 году сообщалось, что ученые все того же университета Тель-Авива создали суперпрочный биоразлагаемый полипропилен, который может заменить металл и прочие материалы в бытовых товарах. Исследовательская команда университета преуспела в разработке нового катализатора для процесса производства полипропилена, способствующего производству самого прочного пластика. Состав в сообщении не раскрывается.

Компания JJG Biodegradable Product производит и продает биоразлагаемые материалы на основе крахмала (получаемого из таких растений, как кукуруза, картофель, маниока, батат). Материалы могут использоваться в аграрной, пищевой и других отраслях промышленности. Биоразлагаемые продукты JJG BioPlast были экспонированы в Малайзии, Франции, США и произвели сенсационный эффект. Позже были заключены долгосрочные договоры на поставки с иностранными предприятиями из Франции, Японии, Малайзии, Саудовской Аравии и других стран мира. Компания JJG Biodegradable Product находится в индустриальной зоне Китая, основана в 2009 году.

Чилийские ученые изобрели пакет на основе известняковых пород камня, который разлагается в холодной воде за несколько минут.

В научно-исследовательском центре IRIS (Барселона, Испания) создан биоразлагемый пластик, сырьем для которого послужила молочная сыворотка, которая, как известно, является побочным продуктом при производстве сыров.

Японские ученые создали биоразлагаемый пластик из водорослей и орехов. Особенностью нового материала является его способность выдерживать температуру до 120 ºC. Это примерно вдвое больше, чем показатели другого биоразлагаемого пластика — полилактида. Основными компонентами нового пластика являются парамилон (разновидность полисахарида, который накапливается в клетках исключительно представителей эвгленовых), а также жирные кислоты, полученные из скорлупы орехов кешью. Разработкой нового способа получения биопластика занимались Национальный институт прогрессивной промышленной науки и технологий, Университет Миядзаки и одна из крупнейших телекоммуникационных компаний страны — NEC.

Первопроходцем в сфере биополимеров, ведущим исследования с 1989 года, является компания Novamont. Недавно за создание растительного пластика Mater-Bi она была удостоена европейской премии «Изобретатель года». Этот пластик создан из комплекса крахмала (полученного из кукурузы, выращенной в Италии) и биоразлагаемых полимерных агентов, которые формируют разнообразные молекулярные сверхструктуры с широкой сферой применения. Другие компоненты включают в себя целлюлозу и полиэфиры из растительных масел в материале нового поколения Origo-Bi. Продукт прошел строгие испытания и сертифицирован как экологичный биоразлагаемый материал.

Биоразлагаемые добавки для традиционных полимеров

Далее приведем примеры распространенных добавок, которые вводятся в традиционные пластики для придания им свойств биоразложения. Наиболее популярный способ сделать традиционные пластики биоразлагаемыми — ввод в состав макромолекул биоразлагаемых мономеров, например, того же крахмала.

ПЭ высокого давления и крахмалы злаковых растений в качестве биоразлагаемой добавки являются основой таких материалов, как Ecostar, Polyclean и Ampaset.

Компании Apollor и Epiplast (Франция) создали серию новых легко формующихся композиционных материалов на основе полипропилена, армированного волокнами растительного происхождения, и отличающихся друг от друга различными наполнителями. Фирма Biograde (Австрия) выпускает под одноименной маркой серию полимерных материалов, состоящих из смеси полиолефинов с термопластичным крахмалом.

Материалы Biograde BL-F и Biograde BL-M являются крахмальными концентратами на основе полиэтилена и полипропилена соответственно. Биоразлагаемый материал Mater-Bi (Италия) основан на полимере полиамид-6 (6,6) и различных добавках природного происхождения (в количестве от 60 % до 90 %), а также синтетических нетоксичных полимерах с низкой молекулярной массой, разрешенных для непосредственного контакта с пищевыми продуктами и обладающих достаточно высокой скоростью разложения под влиянием природных факторов.

В США широкое распространение получили биоразлагаемые на открытом воздухе упаковки под общим названием TONE. Основой для получения таких материалов является поликапролактам. Поликапролактам совмещается механическим способом со многими типами пластиков (ПЭ, ПП, ПВХ, ПС, ПК, ПЭТФ). Существенным достоинством этой группы материалов является их принадлежность к термопластам, достаточная доступность и низкая стоимость, легкость переработки различными методами, высокий уровень свойств и скорость разложения на открытом воздухе.

Компания Cereplast, производитель компаундов на основе крахмала, переходит на производство смесей из полностью возобновляемых и полностью способных подвергаться компостированию компаундов; компания производит компаунды, которые на 50 % состоят из воспроизводимого крахмала и на 50 % из традиционного полипропилена.

Основные производители биоразлагающих добавок

Symphony Environmental (Великобритания) — мировой лидер и пионер в разработке добавок для производства обычных пластмасс, биоразлагаемых и защитных технологий для улучшения пластмассовых изделий. Компания стремится к сокращению ненужного пластика и повторному использованию/утилизации, где это возможно. Основной ее продукт — d2w (degradable to water), самая популярная в мире добавка для биоразложения пластиков.

Продукт d2w используется уже в более чем 60 странах по всему миру, в том числе в России. В частности, добавку d2w в 2011 году стала вводить в пакеты-маечки сеть супермаркетов «Слата» (г. Иркутск).

Но! В 2015 году в суде Милана постановили, что добавка d2w не является соответствующей европейским стандартам, а пластиковые пакеты и другая упаковка, содержащие добавку d2w, юридически не могут продаваться как «биоразлагаемые». Такое решение было принято в результате рассмотрения дела, возбужденного против итальянской фирмы KromaBatch, которая занимается реализацией данной добавки. Обоснование решения звучит так: «Тот факт, что пластмассы, содержащие добавку d2w, деградируют в большей степени, чем традиционные пластмассы, является недостаточным основанием, чтобы считать такую упаковку соответствующей европейскому стандарту промышленного компоста EN 13432».

Environmental Products Inc. (EPI, Канада). Входит в состав EPI Group, основана в 1991 году. Пионер в области оксобиоразлагаемых пластиков. Является разработчиком, лицензиаром и дистрибьютором полностью разлагаемых пластиковых добавок TDPA (Totally Degradable Plastic Additives). Добавка вводится в соотношении 2–3% к общему объему основного пластика (полиэтилен, полипропилен, полистирол). Нетоксична и безопасна для применения в контактах с пищей.

EPI имеет около 30 патентов, охватывающих различные аспекты технологии. Она, как правило, не продает продукты розничным торговцам или конечным пользователям, а лицензирует пакеты аддитивов производителям, которые уже поставляют готовую продукцию на рынок.

Willow Ridge Plastics (WRP) — один из ведущих производителей оксобиоразлагаемых добавок для пластиков. Добавки фирмы нетоксичны, безопасны для использования в пищевой отрасли. Продукты приняты во всем мире как соответствующие самому высокому стандарту в индустрии.

Bio-Tec Environmental (США). Основана в 2003 году Джоном Лейком, изобретателем, создателем технологии EcoPure. В настоящее время продукты марки EcoPure распространяются по всему миру. Добавки EcoPure можно использовать более чем с 15 полимерами, они разлагаются микроорганизмами. Принцип разложения — оксоразложение. Марка разделяет продукты нескольких классов и конечных назначений: от потребительской, промышленной упаковки до автозапчастей и игрушек.

ECM BioFilms (США) является лидером движения за устойчивое развитие в промышленности по переработке пластмасс, создавая решения для производства биоразлагаемых пластиков. Компания на своем сайте заявляет, что ее продукт для биоразложения пластиков ECM MasterBatch превосходит по множеству параметров продукты-аналоги ведущих конкурентов Symphony Environmental и EPI Environmental Products Inc. ECM BioFilms выпускает добавки для полистирола, полиуретанов и ПЭТФ. Добавка разлагается микроорганизмами.

Другие изготовители оксо-биоразлагаемых добавок

Nor-X Industry AS (Норвегия). Продукт: Renatura. Содержит уникальный ингредиент на основе железа (собственная разработка компании) и используется в основном для биоразложения полиолефинов.

Wells Plastics Ltd (Великобритания). Продукт: Reverte. Добавки и маточные смеси, содержащие продеграданты из ионов металла для придания основному полимеру фото- и терморазлагаемости. Содержат также уникальный усилитель биоразложения второго этапа, на котором используется модификатор скорости реакции для управления инициированием и сроками оксобиоразложения.

P-Life Japan Inc. (Япония). Продукт: P-Life. Смесь катализаторов на основе жирных кислот специальной собственной рецептуры компании. Содержание в основном полимере (ПЭ или ПП): от 0,3 % до 1 %. Возможно смешивание с гранулами ПМ непосредственно на этапе переработки. Имеет регистрацию FDA и соответствует требованиям директивы RoHS.

TOSAF (Израиль). Продукт: ОХ5854. По данным ИК-спектроскопии, основой для его производства выбраны полисахариды. Добавка вводится в соотношении 2–8 % от общей массы полимера. Для разложения в течение месяца необходимо УФ-облучение, условия высокой влажности и температура до 90 °С.

ADD-X BIOTECH (Швейцария). Марка Add flex HE01010 FF. Для ПВД. Одобрена FDA. При вводе 1,5 % добавки наблюдается самопроизвольное разложение пленки ПВД, нагретой до 60 °С, через 140 часов. Марка Addiflex представлена в четырех классах для полимеров различного назначения: A-grade, The HES grade, The HEV grade, The BOPP grade.

В следующей части нашего обзора поговорим о реальных альтернативах традиционным пластикам в условиях современной экономики. Узнаем, есть ли варианты приемлемые как с точки зрения экологии, так и со стороны удобства для потребителей, для которых важны цена и прочность.
Если материал оказался для вас полезным - поддержите проект и поделитесь записью!
Вы можете задать любой интересующий вас вопрос, заполнив форму обратной связи, или по телефонам в разделе «Контакты».

Будем рады сотрудничеству!
Другие материалы:
Мы публикуем интересные новости о реальном секторе экономике и отвечаем на вопросы, возникающие у производственников. Подпишитесь и первым узнавайте об обновлениях:
Еще новости