Termin Green Polymer Chemistry został użyty w niniejszym artykule do opisu procesów produkcji tworzyw termoplastycz-nych i elastomerów ze źródeł odnawialnych, w tym polietylenu (PE), polipropylenu (PP), polichlorku winylu (PVC), politereftalanu etylenowego (PET), poliamidu (PA), żywicy epoksydowej oraz poliuretanu.
Sloganem, który dominuje dzisiaj we wszystkich gałęziach produkcji przemysłowej jest „zrównoważony rozwój”: termin określający starania ludzkości, by znaleźć sposób na zachowanie zasobów naturalnych Ziemi dla przyszłych pokoleń i na zredukowanie szkodliwych efektów zmian klimatycznych. W produkcji tworzyw i gumy oznacza on m.in. rezygnację z paliw
kopalnych jako źródła podstawowych substancji chemicznych i zastąpienie ich zasobami odnawialnymi: roślinami, odpadami produkcyjnymi i gazami spalinowymi. Światowy przemysł chemiczny dostarcza nowe pomysły na pozyskiwanie „zielonych” paliw, a technologie opracowywane na ich potrzeby są adap-
towane przez przemysł polimerowy. Jednak – podobnie jak w przypadku ropy naftowej – walka zawsze będzie toczyć się o dostęp do źródeł.
Tak jak w przypadku wykorzystania roślin jako źródeł związków chemicznych, naukowcy używają ich również do opracowywania nowych rozwiązań inżynieryjnych. Katalizatory biologiczne (enzymy) są używane obok konwencjonalnych katalizatorów do rozrywania substratów w rodzaju lignocelulozy oraz do syntetyzowania specyficznych cząsteczek. Jednocześnie bioreaktory zawierające organizmy jednocząsteczkowe, takie jak drożdże albo bakterie, dostosowuje się do produkcji chemicznej dzięki stosowaniu technik w rodzaju inżynierii genetycznej, by usprawnić produkcję specyficznych enzymów. Unia Europejska zastanawia się nad podjęciem hodowli roślin w oceanach jako odpowiedzi na kurczące się zasoby lądów (jednym z pomysłów są hodowle alg). Wiele wskazuje na to, że w przemyśle chemicznym nadchodzi czas biologów!
I nie jest to już koncepcja, ale rzeczywistość; dostępne są już – i stosowane na komercyjną skalę – chemiczne metody produkowania konwencjonalnych tworzyw sztucznych. Wszyscy czołowi producenci polimerów przyglądają się rynkowemu potencjałowi źródeł odnawialnych, a ich działy R&D rozwijają swoje prace badawcze w tym kierunku.
W niektórych regionach świata nie jest to już niczym nowym, ponieważ firmy takie, jak brazylijska Braskem, Quattor (obecnie część Braskem) oraz Chemplast Sanmar (Indie) wykorzystywały źródła roślinne do produkcji etanolu i etylenu od pewnego czasu, gdy ich koszt stał się konkurencyjny w stosunku do ropy naf-
towej. Brazylia ma przewagę posiadania rozległych zasobów ziemi, które można przeznaczyć na uprawę trzciny cukrowej i zaawansowanie w produkcji etanolu dla przemysłu samochodowego. Można by ją przekierować na dostawę etylenu przeznaczonego na polietylen i źródła monomerów, wykorzystywanych w produkcji PP i PVC. Albo inne przykłady: w lipcu 2011 r. Dow Chemical oraz Mitsui ogłosiły zawiązanie spółki joint venture w Brazylii, której celem jest wytwarzanie polietylenu z trzciny cukrowej, zaś firma Solvay Indupa przygląda się bacznym okiem surowcom pochodzenia biologicznego z myślą o wykorzystaniu ich w produkcji PVC w Ameryce Południowej. Syntetyczny butadien – składnik gumowych opon – jest już od kilku dekad wytwarzany z etanolu otrzymywanego z trzciny cukrowej; pozwala to na uniknięcie uzależnienia produkcji opon od dostaw gumy lateksowej. Firma Lanxess planuje produkcję elastomerów z bioźródeł, podczas gdy firma Merquinsa Mercados Quimicos już testuje swój poliuretan termoplastyczny pochodzenia biologicznego w przemyśle obuwniczym.
Na całym świecie badania nad „zieloną chemią” rozwijają się w niesłychanym tempie i są prowadzone m.in. na uczelniach VTT Technical Research Centre w Finlandii, Materia Nova w Belgii, Uniwersytecie York oraz w National Non-Food Crops Center w Wielkiej Brytanii.
W Europie Chemtex Italia (część włoskiej spółki Mossi & Ghisolfi) oraz przedsiębiorstwo Süd Chemie rozważają produkcję związków chemicznych z cukru, a także z celulozy, podczas gdy firma Global Bioenergies wypracowała sposoby produkcji olefin, wśród nich etylenu i butadienu. Przedsiębiorstwa w rodzaju Genzyme rozwijają biokatalizatory potrzebne do zielonej syntezy.
Chiny czynią postępy w produkcji tworzyw ze źródeł odnawialnych i już teraz w Państwie Środka działa kilku producentów. Uczelnia Rizhao Polytechnic College przygląda się szczególnie bacznie użyciu metod syntezy z wykorzystaniem alg.
Jeśli chodzi o materiały inżynieryjne, to poliamid jest syntetyzowany od lat – przynajmniej częściowo – z olejów roślinnych przez firmy takie, jak DuPont (Zytel RS 610 oraz PA 1010); Arkema (Rilsan PA 11); DSM (EcoPaxx PA410); Evonik (Vestamid Terra DS PA 1010 oraz Vestamid Terra HS PA 610); BASF (Ultramid BALANCE PA 610); Suzhou HiPro Polymers (Hiprolon 70 PA 610, Hiprolon 90 PA 612 oraz Hiprolon PA 1010). W ramach spółki jont venture firmy Solvay Advanced Polymers i Mitsubishi Gas Chemicals pracują nad produkcją monomerów poliamidu z oleju rycynowego. Liebniz Institute for Catalysis przegląda procesy syntezy monomerów z olejów roślinnych (prowadzi też wspólne projekty z firmą Evonik).
W ostatnich latach koncern Dow Chemical przyglądał się wielu metodom otrzymywania różnych tworzyw, m.in. glicerynie jako odnawialnemu źródłu epichlorohydryny, która jest używana do produkcji żywicy epoksydowej. Firma działająca w sektorze rolniczym, Archer Daniels Midland (ADM), opracowała technologię produkcji kilku prekursorów monomerowych z upraw, które mogą być użyte do wytwarzania polimerów takich, jak nienasycona żywica poliestrowa. Firma BASF prowadzi w kilku wydziałach zaawansowane programy badawcze dotyczące produkcji substancji chemicznych z tworzyw odnawialnych, podobnie jak koncern DuPont de Nemours (w tym polialkoholi, które mogą być użyte w polimerach takich, jak elastomery i poliuretany).
Producenci napojów, m.in. firmy Coca Cola oraz Pepsi, dążą do produkcji „zielonych” wersji PET z przeznaczeniem na butelki do napojów gazowanych; obie firmy poczyniły w tym zakresie znaczące postępy. Istnieją dwa główne składniki tych polimerów: glikol, który może być pozyskiwany z roślin (jest produkowany m.in. przez firmę Indian Glycol) oraz tereftalan, który okazał się trudniejszy do zsyntetyzowania. Holenderski uniwersytet Wageningen oraz firma Advantium wspólnie prowadzą badania nad produkcją „zielonego” PET. Wszyscy producenci skupiają teraz swoją uwagę na pozyskiwaniu surowców w „ekologiczny” sposób: od koncernu L'Oreal w kosmetyce i higienie osobistej po Unilever i Procter & Gamble w przemyśle artykułów spożywczych oraz detergentów.
Uniwersytet w holenderskim Wageningen jest czołowym ośrodkiem badawczym dla przemysłu rolnego i prowadzi projekty, które mają na celu pozyskanie polimerów (np. polistyrenu) z biosurowców, współpracując z firmami takimi, jak AkzoNobel.
Wielu producentów już dzisiaj testuje materiały pochodzenia biologicznego w swoich produktach i opakowaniach i szykuje się na więcej. Istnieją pewne problemy dotyczące wykorzystania w tym celu upraw rolnych, na przykład ryzyko konkurowania przemysłu chemicznego z dostawcami żywności. Dlatego wytwórcy muszą pamiętać o szerszym kontekście swych działań, by być pewnym, że odpowiadają one idei zrównoważonego rozwoju. Liderem w tym obszarze jest koncern Unilever, a firma LMC International prowadzi badania rynkowe oceniające dostępność płodów rolniczych. Najlepszym wyjściem byłoby użycie materiałów będących produktami odpadowymi, takich jak metan w gospodarstwach rolnych, dwutlenku węgla, siana lub wiórów drzewnych, ewentualnie wykorzystanie plonów, które są uprawiane na ziemi zbyt niskiej jakości, by dało się na niej wyhodować rośliny do celów spożywczych. Dwutlenek węgla jest idealnym surowcem i kilka firm chemicznych o
pracowało technologię przetwarzania go w tworzywa (m. in. BASF i Bayer Material Science).
Producenci z branży samochodowej, opakowaniowej i elektronicznej szukają „zielonych” źródeł materiałów dla redukcji zanieczyszczeń, a wykorzystanie idei Green Polymer Chemistry mogłoby spowodować znaczący przełom w tym obszarze. Firma Ford Motor Company jest szczególnie aktywna w poszukiwaniu i testowaniu innowacyjnych materiałów i przeprowadza badania nad odnawialnymi surowcami do produkcji kompozytów wykorzystywanych w produkcji aut.
Firma Applied Market Information (AMI) organizuje międzynarodowe forum dyskusyjne na temat Green Polymer Chemistry, które zajmie się m.in. rynkowymi korzyściami wynikającymi ze stosowania tej idei, potencjalnymi metodami produkcji „zielonych tworzyw” oraz zaprezentuje przykładowe materiały, jakie trafiły dotychczas na rynek. Konferencja odbędzie się w dniach 20-22 marca 2012 r. w Kolonii w Niemczech. Więcej informacji na stronie internetowej: www.amiconferences.com
Autor: Dr Sally Humphreys, Business Development Manager, AMI
Na podstawie informacji Applied Market Information opracował TK
