Tworzywa sztuczne zaczęły być powszechnie stosowane około 1950 roku. Wówczas ich produkcja wyniosła ok. 2 mln t. Ze względu na konsumpcyjny tryb życia, rosnący handel, bardziej restrykcyjne przepisy dotyczące przechowywania żywności czy większy popyt na materiały budowlane ich produkcja znacząco wzrosła i w 2024 roku wyniosła 400 mln t.
– W związku z produkowaniem na masową skalę tworzyw sztucznych, choć stosujemy recykling materiałów i staramy się je odzyskiwać, to zagrożenie jest dość wysokie. Rozwiązania ekologiczne są obecnie dość kosztowne w porównaniu do rozwiązań klasycznych polimerowych, niemniej jednak rozwój materiałów biodegradowalnych jest bardzo ważny. Jeżeli z 400 mln t tworzyw sztucznych rocznie 75 proc. trafia do środowiska, to w najbliższym czasie przy takim tempie wzrostu liczby ludności będzie bardzo duży problem, żeby ten plastik później zagospodarować – mówi agencji Newseria Brian Kaczmarczyk z Sekcji Biomateriałów Grupy Badawczej Technologii Polimerów w Łukasiewiczu – Instytucie Chemii Przemysłowej.
Zdecydowana większość tworzyw sztucznych to materiały „nieśmiertelne”, które rozkładają się setki, a w przypadku butelek PET – nawet tysiąc lat. Fragmenty tworzyw sztucznych, czyli mikroplastik, są już niemal wszędzie – w powietrzu, wodzie i glebie. Przytaczane przez ekspertów IChP dane Międzynarodowej Unii Ochrony Przyrody wskazują, że największym źródłem mikroplastiku są tekstylia syntetyczne (35 proc.), 28 proc. pochodzi z opon samochodowych, a 24 proc. z kurzu miejskiego.
Jednocześnie tworzywa sztuczne to materiały, które bardzo trudno zastąpić ze względu na ich właściwości – są bowiem trwałe, odporne na warunki atmosferyczne i chemiczne, niezwykle plastyczne i względnie tanie w produkcji. Naukowcy z Łukasiewicza – IChP pracują nad biotworzywami, które mogą być alternatywą dla tworzyw sztucznych. Dzięki swojej biodegradowalności mogą się przyczynić do rozwiązania problemu zanieczyszczenia plastikiem i nadmiernej ilości odpadów. Biodegradowalność to zdolność materiału do rozkładu na proste, nieszkodliwe związki, takie jak dwutlenek węgla, woda i biomasa, dzięki działaniu mikroorganizmów – bakterii, grzybów czy alg. Szczególnym przypadkiem biodegradacji jest kompostowalność, czyli rozkład w kontrolowanych warunkach, po którym pozostałości wzbogacają glebę w składniki odżywcze, nie powodując jej zanieczyszczenia.
– Materiały biodegradowalne coraz częściej znajdują zastosowanie jako alternatywy dla polimerów pozyskiwanych z paliw kopalnych. Materiały opracowane, m.in. w naszej grupie, są dobrą alternatywą, ponieważ mają podobne właściwości do polipropylenu lub polietylenu, jednocześnie będąc biodegradowalnymi. Na przykładzie alkoholu poliwinylowego i chitozanu udało nam się opracować materiały, które mogą być zastosowane do opakowań spożywczych, również na szeroką skalę, co też przedstawia poziom aplikacyjny naszych rozwiązań na poziomie TRL 4, które dostały już zgłoszenia patentowe – wskazuje Brian Kaczmarczyk.
Jak podaje instytut, alkohol poliwinylowy, który podobnie jak polietylen jest pozyskiwany z paliw kopalnych, ma zdolność do biodegradacji. Z uwagi na swoje właściwości, takie jak przezroczystość, elastyczność czy rozpuszczalność w wodzie, znalazł wiele zastosowań jako ekologiczny zamiennik dla polietylenu. Naturalnym polimerem jest z kolei chitozan otrzymywany z chityny, substancji budującej pancerzyki skorupiaków, ale również ściany komórkowe grzybów. Oprócz tego, że jest biodegradowalny, ma właściwości przeciwbakteryjne – zapobiega psuciu się żywności i można go stosować do produkcji opakowań aktywnych, które chronią jedzenie przed psuciem i ograniczają rozwój drobnoustrojów.
Zastosowanie odpowiednich plastyfikatorów, takich jak ciecze głęboko eutektyczne, w obu polimerach pozwala na otrzymanie elastycznych materiałów, które nadają się do przechowywania żywności oraz wykazują właściwości przeciwdziałające rozwojowi pleśni.
– Z reguły większość rozwiązań opierających się na biomateriałach jest jednak w obecnych czasach bardziej kosztowna niż tradycyjne tworzywa z materiałów polimerowych, z uwagi na konieczne zastosowanie odpowiednich plastyfikatorów, które byłyby biodegradowalne, i innych mieszanek, które jednak muszą spełniać bardzo ścisłe i restrykcyjne normy, żeby mogły się nazywać biodegradowalnymi – ocenia naukowiec z Łukasiewicza – IChP.
Niedawno zespół instytutu opracował i opatentował poli-3-hydroksymaślan (P3HB), czyli nowy biopolimer z grupy PHA (polihydroksyalkanianów). Produkt jest wytwarzany z wykorzystaniem modyfikowanych genetycznie bakterii Escherichia coli. Mikroorganizmy, czerpiąc substancje pokarmowe z odpadów poprodukcyjnych (np. cukier z melasy), wytwarzają wewnątrz swoich komórek polimer. Jest on w kolejnych etapach uwalniany, ekstrahowany i oczyszczany, w ten sposób można go użyć jako ekologiczną alternatywę dla tradycyjnych tworzyw sztucznych, a następnie poddać recyklingowi. Twórcy rozwiązania podkreślają, że może być ono szeroko wykorzystywane w przemyśle, rolnictwie, farmacji i kosmetologii. Przykładowo zastosowanie go w medycynie pozwala na stworzenie leków o spowolnionym uwalnianiu substancji czynnej.
– Materiały biodegradowalne wymagają odpowiedniej infrastruktury do jej wytworzenia, ale przede wszystkim odpowiedniej infrastruktury do jej przetwarzania. Większość związków, które są odpowiednio używane, nie spełnia warunków kompostowalności, a potencjalny użytkownik z reguły będzie miał małą wiedzę i szansę na to, żeby odróżnić materiał, który jest produkowany z paliw kopalnych, od materiału, który jest produkowany z polimerów naturalnych – przekonuje Brian Kaczmarczyk. – Dlatego bardzo duże znaczenie będzie miała świadomość konsumencka, a następnie wprowadzanie całej infrastruktury, która byłaby w stanie odbierać te odpady i zawracać je z powrotem do środowiska lub odpowiednio rozkładać.
Jak podkreśla, biodegradowalne materiały nie są w stanie zastąpić wszystkich tworzyw sztucznych w różnych zastosowaniach, dlatego potrzebne jest równoległe rozbudowywanie infrastruktury, która umożliwi zamknięty obieg materiałów i efektywny recykling tworzyw niebiodegradowalnych.
Mówi: Brian Kaczmarczyk
Firma: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Chemii Przemysłowej
