Paradygmat polimerów biodegradowalnych

Paradygmat w nauce to, wg T. Kuna, zbiór pojęć i teorii tworzących podstawy w zakresie danego obszaru wiedzy¹. Upraszczając, jest to również forma myślenia z zewnątrz, wychodzącego poza utarte schematy, kreatywnego „thinking outside the box”. Paradygmat polimerów biodegradowalnych, którego formułowanie obserwujemy obecnie, można rozumieć zatem jako zbiór poglądów oraz porozumień w zakresie nauki o polimerach, który nie jest jednak dany raz na zawsze i może w przyszłości ulec przemianom.

Wszechstronność zastosowań klasycznych tworzyw sztucznych, w tym głównie opakowań poliolefinowych, wynika z ich walorów użytkowych, takich jak: funkcjonalność, wysoka elastyczność, niewielka waga, chemiczna stabilność, barierowość, odporność na korozję oraz na rozkład mikrobiologiczny czy atmosferyczny. Niestety, z powodu relatywnie małej podatności na degradację stanowią one powiększającą się grupę uciążliwych dla środowiska odpadów stałych, zachowujących swoją trwałość przez wiele lat. W celu przyspieszenia degradacji niektórzy producenci wprowadzają do poliolefin 1-3% dodatku przyspieszającego rozkład fotochemiczny lub chemiczny. Degradacji tej nie należy mylić jednak z biodegradacją, gdyż nie są to terminy równoważne. Materiały z tworzyw sztucznych z dodatkami degradowalnymi nie spełniają wymagań przydatności do kompostowania zgodnie z normą EN 13432:2000 (polskie wydanie PN-EN 13432:2002: Opakowania – Wymagania dotyczące opakowań przydatnych do odzysku przez kompostowanie i biodegradację. Program badań i kryteria oceny do ostatecznej akceptacji opakowań). Należy zatem poliolefiny z takimi dodatkami traktować jako wyroby spoza obszaru („outside the box”) tworzyw ulegających biodegradacji w przyjętym zgodnie z normą czasie².

 

Wzrastające zainteresowanie produktami z polimerów biodegradowalnych wymaga przystosowywania infrastruktury komunalnej do uruchomienia nowych, „zielonych” technologii. Próby kompleksowego wdrożenia opakowań biodegradowalnych wraz z jednocześnie intensywnie przebiegającą promocją przeprowadzono w niemieckim mieście Kassel na przełomie lat 2001/2002. W programie uczestniczyło ok. 30 organizacji z różnych sektorów gospodarki. Ten pilotażowy projekt, trwający od maja 2001 r. do listopada 2002 r., miał na celu zdobycie doświadczeń w prowadzeniu selektywnej zbiórki opakowań biodegradowalnych razem z odpadami organicznymi, przeznaczonymi do kompostowania³. Podobny projekt, lecz na mniejszą skalę, realizowany jest aktualnie w Zabrzu⁴. Na terenie kompostowni prowadzone są również badania biodegradacji polimerów w warunkach kompostowania przemysłowego.

 

Rosnące wymagania w zakresie ochrony środowiska również w Polsce wymuszają na przedsiębiorcach wprowadzanie na rynek nowych technologii, przyczyniających się do zrównoważonego rozwoju. Ze szczególną ostrożnością prowadzone są badania nad polimerami biodegradowalnymi, które można by stosować do pakowania żywności. Materiały te nie mogą stanowić pożywki dla rozwoju mikroorganizmów niebezpiecznych dla zdrowia konsumentów, lub ze względu na złe właściwości barierowe prowadzić do szybkiego zepsucia produktów spożywczych. W związku z tym tworzywa polimerowe ulegające kompostowaniu przemysłowemu stosowane są w pierwszym rzędzie jako opakowania jednorazowego użytku, o korzystnych parametrach fizykomechanicznych i barierowych, opakowania żywności o krótkim okresie przydatności do spożycia oraz opakowania, których powtórne przetwórstwo jest ekonomicznie nieuzasadnione.

 

Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych PAN w Zabrzu, wychodząc naprzeciw powyższym oczekiwaniom, koordynuje w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka (PO IG) rozwojowy projekt kluczowy: „Materiały opakowaniowe nowej generacji z tworzywa polimerowego ulegającego recyklingowi organicznemu”. Projekt realizowany jest w ramach Priorytetu 1 PO IG „Badania i rozwój nowoczesnych technologii”. Jego celem jest opracowanie nowych rozwiązań technologicznych, umożliwiających stopniową zamianę opakowań z klasycznych tworzyw sztucznych na opakowania nowej generacji, ulegające biodegradacji w warunkach kompostowania przemysłowego, które to opakowania będą bezpieczne dla zdrowia ludzi oraz przyjazne dla środowiska. Przedmiotem projektu jest opracowanie założeń procesu technologicznego wytwarzania ulegających biodegradacji w warunkach kompostowania przemysłowego tworzyw polimerowych (polimerów, mieszanek polimerowych oraz nanokompozytów) oraz opracowanie założeń procesu wytwarzania z tego tworzywa folii przeznaczonych zarówno do użycia bezpośredniego, jak i do wytwarzania z nich metodą termoformowania sztywnych opakowań nowej generacji, głównie dla produktów spożywczych. Prowadzone badania zmierzają do określenia właściwości przetwórczych materiałów biodegradowalnych nowej generacji, przeznaczonych do celów opakowaniowych, oraz ich odporności na degradację pod wpływem warunków procesu przetwórczego (w tym wpływu sił ścinających, wysokich temperatur panujących w maszynach przetwórczych). Ponadto celem jest zbadanie wpływu warunków procesu przetwórczego na biodegradację w warunkach przemysłowych oraz zoptymalizowanie parametrów przetwórczych ww. materiałów dla uzyskania najkorzystniejszych właściwości użytkowych wyrobu.

Projekt realizuje konsorcjum dwóch placówek PAN, dwóch wyższych uczelni oraz dwóch jednostek badawczo-rozwojowych o uznanym w kraju i poza nim autorytecie w zakresie badań nad materiałami polimerowymi. W skład konsorcjum wchodzą: Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych PAN w Zabrzu (koordynator), Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej, Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu oraz Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych PAN w Łodzi, Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej i Centralny Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Opakowań w Warszawie. Ostatnio powołany został międzynarodowy Komitet Naukowo-Technologiczny projektu, którego przewodniczącą została naczelna redaktor czasopisma Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego „Biomacromolecules” – prof. Ann-Cristine Albertsson z Królewskiego Uniwersytetu Technologicznego w Sztokholmie. Istotnym elementem projektu jest rozwinięcie stworzonych uprzednio i chronionych w kraju oraz zgłoszonych do ochrony w UE podstaw modyfikacji właściwości poliestrów, a w tym PLA na drodze otrzymywania kompozycji polimerowych zawierających syntetyczne analogi biopoliestrów alifatycznych. Opracowana w Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych PAN w Zabrzu unikalna metoda syntezy analogów biopoliestrów alifatycznych na drodze anionowej polimeryzacji z otwarciem pierścienia (ROP) β-laktonów umożliwia otrzymanie biodegradowalnych materiałów polimerowych o kontrolowanej mikrostrukturze łańcucha, masie molekularnej oraz chemicznej budowie grup końcowych.

Odpady powstające przy produkcji żywności mogą okazać się doskonałym źródłem otrzymywania materiałów biodegradowalnych. Badania prowadzone z udziałem naukowców z Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych PAN w Zabrzu, potwierdziły możliwość wykorzystania serwatki (ekologicznie groźny odpad przy produkcji sera lub kazeiny, której rezerwy w Europie szacuje się na 50×10⁶ ton rocznie) do produkcji biopoliestru P(HB-co-15%HV) na poziomie 600 tys. ton rocznie⁵. Obecnie Centrum rozpoczyna badania nad wykorzystaniem w tym celu również odpadów z przemysłu mięsnego (projekt w ramach 7. Programu Ramowego Unii Europejskiej).

 

Niestety, w Polsce składowiska pozostają nadal podstawowym miejscem zagospodarowywania odpadów komunalnych. W tej kwestii nasz kraj wypada bardzo niekorzystnie na tle pozostałych państw członkowskich Unii Europejskiej (przedostanie miejsce w Europie)⁶. Produkcja opakowań z tworzyw biodegradowalnych może zatem przyczynić się do bardzo dużej redukcji masy odpadowej na składowiskach. Istotnym elementem jest w tym przypadku certyfikacja materiałów polimerowych ulegających kompostowaniu przemysłowemu. W Polsce uprawnienia DIN CERTCO do prowadzania certyfikacji wyrobów przydatnych do kompostowania uzyskało Centrum Certyfikacji w Centralnym Ośrodku Badawczo-Rozwojowym Opakowań w Warszawie. Jest ono uprawnione do przyznawania znaku przedstawionego na rysunku.

 

Materiały opakowaniowe ulegające recyklingowi organicznemu powinny być zatem deponowane w pojemnikach do zbiórki odpadów organicznych i kierowane do kompostowni (w Polsce jest ok. 60 kompostowni) lub powinny być poddawane kompostowaniu w kompostownikach przydomowych⁷.

 

 

 

1.                  Kuchn T.: The Structure of Scientific Revolutions. University of Chicago Press Chicago 1962.

2.                  http://www.european-bioplastics.org/media/files/docs/en-pub/European_Bioplastics_OxoPositionPaper.pdf.

4.                  http://odpady.org.pl/plugins/content/content.php?content.67.

5.                  Braunegg G., Bona R., Koller M., Wallner E.: Sustainable Polymeric Materials from Renewable Resources and Agro-Industrial Waste. Expert Group Meeting on Environmentally Degradable Plastics and Sustainable Development. Trieste, Italy 2002. Institute of Biotechnology, Graz University of Technology. Austria 2002.

6.                  http://www.kigo.pl/nowa/images/zalozenia_nowego_systemu_gospodarki_odpadami_komunalnymi.pdf.

7.                  Żakowska H.: Ekologiczne torby handlowe? „Opakowanie” 11/2007.

 

 

Polska Akademia Nauk,

Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych,

Zabrze