Biodegradowalne i kompostowalne tworzywa polimerowe – czym są i jakie nadzieje z nimi wiązać?

​Zadaniem numer jeden dla świata nauki i praktyki w odniesieniu do przemysłu opakowań jest pilne opracowanie, wdrożenie i upowszechnienie materiałów alternatywnych dla polimerów syntetycznych stosowanych dotychczas do produkcji opakowań.
Przy tej okazji spotykamy się z różnorodnymi pojęciami (definicjami) dotyczącymi tej grupy materiałów. Często w literaturze oraz w trakcie konferencji spotykamy się z takimi terminami jak: biopolimery, biotworzywa, biodegradacja, tworzywa biodegradowalne, oksydegradacja, tworzywa oksydegradowalne, kompostowanie, tworzywo kompostowalne, biomasa i inne.
W izbowej praktyce bardzo często kierowane są pytania, jak rozumieć te terminy, czym pojęcia te i materiały się różnią. Stąd też uznaliśmy, iż winniśmy aktywniej uczestniczyć w wyjaśnianiu tych terminologicznych rozmaitości (zawiłości). Stąd artykuł „Biotworzywa” zamieszczony w poprzednim numerze Biuletynu. W niniejszym numerze zamieszczamy artykuł dr hab. inż. Bogusława Królikowskiego prof. w Instytucie Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu nt. biodegradowalnych i kompostowalnych tworzyw polimerowych, w którym autor wyjaśnia znaczenie (definicję) tych nazw.
 
BIODEGRADOWALNE I KOMPOSTOWALNE TWORZYWA POLIMEROWE
 
Tworzywa polimerowe w ostatnich latach utrwalają coraz mocniej swą obecność w gospodarkach narodowych różnych krajów. Potwierdzeniem tego jest wzrastająca z roku na rok ich produkcja w świecie. W roku 2009 wyniosła ona 230 mln ton/rok, w roku 2017 – ponad 340 mln ton. Problem, jaki wywołuje masowa produkcja tych materiałów to wzrastająca ilość odpadów poużytkowych. Ich ponowny odzysk i przetwórstwo ściśle regulowane są przepisami wewnątrzkrajowymi. Zobowiązują one kraje, np. UE, do osiągania odpowiednich kwot odzysku odpadowych materiałów z podziałem na takie, które mogą być gromadzone na wysypiskach lub poddawane odzyskowi materiałowemu. Problem dotyczy zarówno tworzyw naturalnych jak i sztucznych, syntetycznych.

---

W tej chwili przyjmuje się, że w skali globalnej recyklingowi poddawane jest ok. 9% tworzyw z masowej produkcji, spala się 12%, a na składowiska śmieci wyrzuca 79% [1].
Problem przyszłości tworzyw polimerowych i ich zastosowań w różnych dziedzinach gospodarki, w szczególności w opakowalnictwie, był i jest przedmiotem wielu opracowań, dyskusji, konferencji. Jednym z takich przykładów są materiały konferencyjne VII Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej, która odbyła się 4. czerwca br. w COBRO pod patronatem Fundacji PlasticsEurope Polska [2].  
Jedną z tendencji, która w obecnej chwili, coraz mocniej dominuje wśród wytwórców i użytkowników tworzyw to materiały degradowalne, odnawialne, mieszczące się w pojęciach takich jak: biopolimery, biotworzywa, tworzywa biodegradowalne, oksydegradowalne, kompostowalne [3]. W tym miejscu nieodzowne będzie przytoczenie uproszczonych definicji tychże pojęć.

• Biopolimery – to polimery wytwarzane przez organizmy żywe, zwane także polimerami naturalnymi. Zaliczają się do nich białka (gluten, kolagen), polisacharydy (celuloza, skrobia, lignina) i które zaczynają mieć coraz większe znaczenie przemysłowe.
• Biotworzywa – materiały tworzywowe, które są biodegradowalne lub są wytworzone z surowców odnawialnych. Mogą również spełniać oba te warunki. W medycynie termin ten może oznaczać zgodność tworzyw sztucznych z tkanką ludzką lub zwierzęcą. Biotworzywa są zbiorem nadrzędnym w stosunku do tworzyw biodegradowalnych.
• Biodegradacja – jest procesem degradacji tworzywa wywołanym udziałem żywych organizmów, mikroorganizmów i enzymów trawiennych przez nie wytwarzanych. W takich przypadkach materiał polimerowy staje się źródłem pokarmu dla tych organizmów.
• Tworzywo biodegradowalne [4 – 7] – jest to biotworzywo, które może składać się z biomasy odnawialnej (jak np. skrobia) lub z kopalin nieodnawialnych (jak np. ropa naftowa), przetworzonych w sposób chemiczny lub biotechnologiczny. W obu przypadkach tworzywo klasyfikowane jest jako biodegradowalne. 
• Końcowe produkty biodegradacji – to produkty trawienia tworzyw przez mikroorganizmy jak ditlenek węgla, biomasa lub węglowodory o krótkich łańcuchach.
• Oksydegradacja – jest to degradacja tworzyw polimerowych zachodząca w naturalnym środowisku w obecności tlenu i przyspieszana przez promieniowanie UV/VIS, również z udziałem  czynników dodatkowych.
• Tworzywo oksydegradowalne [8] – tworzywo termoplastyczne z dodatkiem prodegradantów (jak: Fe, Mn, Co, Cr itp.), katalizujących  oksydegradację polimeru. Ze względu na ochronę środowiska wprowadzanie do osnowy polimerowej metali ciężkich jest procesem niepożądanym.
• Kompostowanie – proces polegający na obróbce odpadów organicznych w odpowiednich warunkach tlenowych, biologicznych, termicznych, gdzie materia organiczna przetwarzana jest przez naturalnie występujące mikroorganizmy. W warunkach kompostowania przemysłowego spełnionych musi być 5 podstawowych warunków: odpowiednia temperatura, duża wilgotność, pH, światło UV/VIS, mikroorganizmy – bakterie. Dodatkowym elementem jest czas, w którym cały proces przebiega. 
• Tworzywo kompostowalne – jest to tworzywo ulegające kompostowaniu. Tworzywo takie zawsze jest biodegradowalne, natomiast tworzywo biodegradowalne nie musi być jednocześnie kompostowalne, bo może ulegać rozkładowi w dłuższym okresie czasu lub w innych warunkach.
• Biomasa – materiał pochodzenia biologicznego z wyłączeniem biomasy przekształcanej w procesach  geologicznych i materiałów geologicznych (ze źródeł odnawialnych).

W ciągu ostatnich 15-20 lat zauważa się wzmożoną produkcję tworzyw biodegradowalnych, przeważnie syntetycznych, które nie zawierają dodatków przyspieszających rozkład struktury łańcucha węglowego. Do takich tworzyw należą głównie polilaktyd (PLA), polikaprolakton (PCL), polihydroksymaślan (PHB), modyfikowana skrobia, modyfikowany politereftalan etylenu PET [9].
Tworzywa takie wytwarza się z surowców odnawialnych, na przykład cukrów pochodzących z kukurydzy, albo z surowców petrochemicznych. Większość tworzyw biodegradowalnych należy do klasy poliestrów, chociaż niektóre uzyskiwane są z innych materiałów, między innymi skrobi modyfikowanej. Poliestry aromatyczne, na przykład politereftalan etylenu (PET), mają dobre właściwości mechaniczne, ale są odporne na działanie mikroorganizmów. Poliestry alifatyczne z kolei są bardziej podatne na rozkład, ale nie tak wytrzymałe jak ich aromatyczne pochodne. Aby poprawić właściwości fizyczne biodegradowalnych poliestrów alifatycznych, wbudowuje się czasem w ich strukturę odpowiednie grupy funkcyjne.
Należy w tym miejscu podkreślić, że w kraju i w świecie stosowanie tworzyw biodegradowalnych rozwija się niezbyt szybko, między innymi z powodów takich jak wysoka cena surowca, 3 – 4 wyższa niż cena standardowych produktów termoplastycznych lub fakt, ze tworzywo to jest przedmiotem importu. Na świecie jest tylko kilka firm wytwarzających taki surowiec w postaci granulatu.
Firmy wytwarzające biotworzywa to głównie BASF, Mitsubishi, Nature Works, Purac/Synbra, Futerro, Novamont, Innovia, Kaneka, DuPont, DOW Chemicals, Arkema [10].     
Polimery biodegradowalne można przetwarzać, stosując większość standardowych technologii przetwórstwa tworzyw sztucznych, włącznie z termoformowaniem, wytłaczaniem, formowaniem wtryskowym i rozdmuchowym.         
Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników w Toruniu  z powodzeniem prowadzi przetwórstwo tworzyw biodegradowalnych, głównie PLA, różnymi metodami:

• wytłaczanie folii płaskiej o wymiarach 400x0,5 mm,
• wytłaczanie rur o wymiarach 20x2,5 mm,
• termoformowanie arkuszy folii do postaci pojemników jednorazowego użytku o wymiarach 180x130x80, 180x130x60 i 180x130x40 mm,
• wtryskiwanie elementów jednostkowych z użyciem wtryskarki klasycznej,
• wytwarzanie elementów jednostkowych metodą druku 3D z monofilamentu –modyfikowanego PLA.

Metoda ta jest rozwijana w tej chwili w Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut IMPiB w skali pół-technicznej.
Kilka lat temu, w ramach projektu badawczego podjęto próby modyfikowania skrobi celem uzyskania skrobi termoplastycznej. Uzyskano kompozyt zawierający ponad 60% skrobi, który charakteryzuje się całkowitą biodegradowalnością i wykazuje brak toksyczności wobec typowych roślin uprawnych. Opracowany kompozyt nadaje się do wytłaczania folii płaskiej i może być zastosowany wszędzie tam, gdzie wymagana jest szybka degradacja biologiczna materiału oraz jako biorozkładalny nośnik substancji aktywnych.
Dotychczasowe badania w Instytucie IMPiB dowiodły, że tworzywo PLA daje się łatwo przetwarzać klasycznymi metodami przetwórstwa tworzyw z użyciem standardowych maszyn przetwórczych, przy zachowaniu zbliżonych parametrów przetwórczych jak temperatura stref grzejnych, głowic przetwórczych czy konfiguracji układów uplastyczniających, jak w przypadku polietylenu LDPE.
Wprowadzenie do obrotu opakowań kompostowalnych tylko częściowo załatwia problem odpadów. Odpady z takich tworzyw nie mogą być mieszane ze strumieniem odpadów tworzyw standardowych. Tworzywa biodegradowalne, kompostowalne, pod wpływem czynników zewnętrznych (o których była mowa wcześniej) bardzo szybko mogą zmieniać swoje właściwości jak i wpływać na właściwości tworzyw niebiodegradowalnych. Konieczna jest więc segregacja tworzyw na poszczególne asortymenty, która staje się coraz bardziej jedną z ważniejszych operacji w recyklingu materiałowym. Zapewni to wysoką jakość tworzyw zawracanych do recyklingu materiałowego.
Podnoszony w ostatnim czasie problem powstających w błyskawicznym tempie odpadów poużytkowych  z tworzyw zaśmiecających cały świat, ze wskazaniem głównie na „pływające wyspy odpadów”, przemieszczające się po powierzchniach  akwenów mórz i oceanów rejonów Azji Południowo – Wschodniej, Afryki i Morza Karaibskiego dowodzi kilku rzeczy:

• wyroby z tworzyw polimerowych są w powszechnym użyciu w różnych dziedzinach gospodarki narodowej i w chwili obecnej trudno wyobrazić sobie życie codzienne bez ich udziału,
• do dzisiaj są jednym z czynników wskazujących na rozwój technologiczny i cywilizacyjny krajów na całym świecie i roczna wielkość ich produkcji, jak wspomniano wcześniej, jest olbrzymia i wykazuje tendencję wzrostową,
• problem podejścia do zagadnienia odpadów z tworzyw, ich gromadzenia, selekcji, dalszego zagospodarowania jest w różnych krajach różny. Wyraźnie podkreśla się różne podejście bogatych krajów zachodu i krajów „trzeciego świata”, które są na niższym poziomie rozwoju cywilizacyjnego  do powyższego problemu.

Palący problem odpadów z tworzyw był jednym z tematów poruszanych podczas II Warsztatów Zespołu Materiałów Polimerowych Komitetu Nauki o Materiałach PAN, które odbyły się 22 maja br. w Tarnowie [11, 12]. Podkreślono fakt, że odpady z tworzyw polimerowych to znakomity surowiec nadający się do recyklingu materiałowego lub surowcowego, a także jako surowiec opałowy w elektrociepłowniach po uprzednim zgazowaniu tychże odpadów.
Wynikiem przedstawionych powyżej rozważań nt. istniejącego stanu wiedzy o tworzywach poużytkowych (jako części odpadów komunalnych pozyskiwanych z gospodarstw domowych) jest ofensywa legislacyjna UE i ONZ dotycząca wysokich kwot zagospodarowania odpadów tworzywowych (głównie opakowań) - wagowo do wartości 55% w roku 2030 [12], a także Raport Instytutu Sobieskiego, dotyczący celów długoterminowych do 2030 roku, zakładający zwiększenie wagowo do wartości 65% pozyskiwania do ponownego użycia i recyklingu odpadów komunalnych w kraju oraz zmniejszenie wagowo do wartości 10% wielkości odpadów składowanych w stosunku do całej ilości wytworzonych odpadów komunalnych [13].
               
Literatura
[1]       Tworzywa sztuczne https://wikipedia.org/wiki/Tworzywa_sztuczne
 (dostęp: 7.06.2019)
[2]       http://www.cobro.org.pl/index.php/16-konferencje-i-seminaria/100-przyszlosc-
            opakowan-z-tworzyw- polimerowych   (dostęp: 3.06.2019)
[3]       http://www.plastice.org/faq/plastice-glossary-of-terms  (dostęp: 5.06.2019)
[4]       Polimery biodegradowalne https://pl.wikipedia.org/wiki/Polimery_biodegradowalne  
            (dostęp: 7.06.2019)
[5]       Nałęcz M., Kuś H.: Problemy biocybernetyki i inżynierii biomedycznej. Biomateriały,
           tom 4. WKŁ: W-wa 1990
[6]       Klimuk E., Łebkowska M.: Biotechnologia w ochronie środowiska, PWN 2004
[7]       Trzmiel T.: Procesy biodegradacji (skrypt z wykładami), 2012
[8]       Gibas E.:  IIMPiB bada wyroby oksydegradowalne
            https://www.plastech.pl/wiadomości/IIMPiBbada-wyroby-oksydegradowalne  (dostęp:
           7.06.2019)
[9]       Polimery syntetyczne https://wikipedia.org/wiki/Tworzywa_sztuczne 
           (dostęp: 17.06.2019)
[10]     Malinowski R.: Biotworzywa i materiały biodegradowalne, [W:] Konferencja:
           „Tworzywa ekologiczne i specjalne – nowe możliwości”, Targi Plastpol’19,
           28.05.2019, Kielce
[11]     Witowska-Mocek B.: Polimery, 2019, 64, 7-8, 542
[12]     Polaczek. J.: Przem. Chem., 2019, 98, 7, 1037
[13]      Styś T., Foks R., Moskwik K.: Raport – Krajowy plan gospodarki odpadami 2030,
            Instytut Sobieskiego, 2016, WWW.sobieski.org.pl  (dostęp:15.07.2019) 
 
           
 
            (-) Bogusław Królikowski