Rozwój wiedzy w dziedzinie ochrony środowiska naturalnego, jaki nastąpił w ostatnich latach uwidocznił, że negatywny wpływ różnych wyrobów, w tym wyrobów z tworzyw polimerowych, należy rozpatrywać w całym cyklu ich życia. Z tego względu dużego znaczenia nabrało ich projektowanie, wytwarzanie i użytkowanie oraz postępowanie z odpadami, zgodnie z zasadą zrównoważonego rozwoju. (…)
Dla przykładu dla opakowań obserwowane obecnie trendy związane z ochroną środowiska to głównie:
n Poszukiwania alternatywnych materiałów, szczególnie dotyczy to wykorzystywania surowców pochodzących ze źródeł odnawialnych;
n Stosowanie do produkcji surowców z recyklingu;
n Z uwagi na efekt cieplarniany uwzględnianie w produkcji rozwiązań o korzystniejszych dla środowiska wskaźnikach „carbon footprint”;
n Wykorzystanie materiałów biodegradowalnych spełniających kryteria kompostowalności, co umożliwia w odniesieniu do odpadów wykorzystanie kompostowania, metody recyklingu organicznego.
Biotworzywa
(…) Tworzywa polimerowe wytwarzane przy użyciu nowych technologii, zgodnie z definicją wprowadzoną przez stowarzyszenie European Bioplastics, określa się jako biotworzywa. Pojęcie biotworzyw obejmuje zarówno tworzywa niebiodegradowalne wytwarzane z surowców odnawialnych, jak również tworzywa biodegradowalne wytwarzane z surowców odnawialnych oraz biodegradowalne wytwarzane z surowców petrochemicznych. Graficzną ilustrację wymienionej definicji biotworzyw, jako eliptyczny obszar znajdujący się między osią pionową i poziomą przedstawiono na rys. 1.
Tworzywa biodegradowalne
Rozwój wiedzy w dziedzinie ochrony środowiska naturalnego, a także stopniowe wyczerpywanie się światowych zasobów ropy naftowej skłoniły naukowców do poszukiwań alternatywnych źródeł materiałów. Jednym z rozwijanych kierunków badań były prace nad opracowaniem technologii wytwarzania polimerów biodegradowalnych, które mogłyby zastąpić tradycyjne tworzywa sztuczne uzyskiwane z surowców petrochemicznych, ale jednocześnie charakteryzowałyby się podobnymi właściwościami użytkowymi i przetwórczymi.
Przemysłową produkcję opakowań z polimerów biodegradowalnych na niewielką skalę datuje się od roku 1995. Obecnie ich wykorzystanie i skala zastosowań ma znacznie większy zakres. W latach 2007-2008 światowe zdolności wytwórcze polimerów biodegradowalnych wynosiły już około 500 tys. ton, a w perspektywie roku 2011 mają zbliżyć się do poziomu 700 tys. ton.
Polimerowe materiały biodegradowalne ze względu na źródło pochodzenia surowców do ich wytwarzania, można podzielić na dwie zasadnicze grupy wymienione poniżej.
Polimery wytwarzane z surowców odnawialnych (w tym produkowane przez klasyczną syntezę chemiczną z monomerów pochodzenia naturalnego oraz produkowane przez mikroorganizmy lub zmodyfikowane bakterie, tzw. biopolimery), w tym:
n Skrobia termoplastyczna (TPS), mieszanki skrobi z poliestrami alifatycznymi i kopoliestrami alifatyczno-aromatycznymi, estry skrobi, mieszanki skrobi z surowcami naturalnymi;
n Poliestry hydroksykwasów pochodzenia mikrobiologicznego – poli (hydroksyalkaniany); PHAs, w tym kopolimery kwasu masłowego, walerianowego i heksanowego PHBV, PHBH;
n Poli (kwas mlekowy) (PLA) oraz tworzywa z udziałem PLA;
n Estry celulozy, mieszanki celulozy, celuloza regenerowana;
n Mieszanki drewna oraz innych surowców naturalnych.
Poliestry wytwarzane z ropy naftowej, w tym:
n Syntetyczny poliester alifatyczny – polikaprolakton (PCL);
n Syntetyczne i półsyntetyczne alifatyczne kopoliestry (AC) i poliestry (AP);
n Syntetyczne kopoliestry alifatyczno-aromatyczne (AAC);
n Polimery rozpuszczalne w wodzie – poli (alkohol winylowy) (PVAL).
Klasyfikacja ze względu na źródło pochodzenia surowca jest teoretyczna, gdyż obecnie wiele firm stosuje mieszanki, łącząc różne rodzaje materiałów polimerowych. Należy również liczyć się z faktem, że na skutek olbrzymiego postępu technologicznego niektóre surowce, obecnie pochodzenia petrochemicznego, w niedalekiej przyszłości mogą być wytwarzane ze źródeł odnawialnych.
W porównaniu z opakowaniami z tradycyjnych tworzyw sztucznych, podstawową zaletą opakowań wytworzonych z polimerów biodegradowalnych, jest możliwość ich zbierania po zużyciu razem z odpadami organicznymi, a następnie poddanie procesowi kompostowania w instalacjach przemysłowych.
Kompostowanie zalicza się do recyklingu organicznego i oznacza tlenową obróbkę odpadów opakowaniowych ulegających rozkładowi biologicznemu (biodegradacji), prowadzoną w kontrolowanych warunkach przy wykorzystaniu mikroorganizmów, które czerpią energię z przekształcenia węgla w ditlenek węgla. W wyniku tego procesu uzyskuje się materię organiczną – kompost.
Kompostowanie odpadów organicznych jest całkowicie akceptowane z uwagi na wymagania ochrony środowiska. Opiera się na naturalnych procesach biochemicznych, zintensyfikowanych w sztucznie wytworzonych warunkach przemysłowych dzięki zapewnieniu optymalnego środowiska do przebiegu procesów oraz możliwości sterowania tymi procesami.
(…) Na rynku pojawiło się już wiele materiałów biodegradowalnych. Ze względu na właściwości, rosnące zdolności produkcyjne oraz cenę, na uwagę zasługuje grupa polilaktydów NatureWorks (Cargill Dow), grupa kompozycji polimerowo-skrobiowych o nazwie handlowej MateriBi (Novamont) oraz folie celulozowe nowej generacji Natureflex (Innovia Films).
Klasyczne tworzywa z surowców odnawialnych
Drugim ważnym kierunkiem rozwoju tworzyw polimerowych były poszukiwania technologii wywarzania klasycznych polimerów, takich jak: polietylen, polipropylen, czy PET z surowców odnawialnych. Przykładem alternatywnego materiału opakowaniowego jest polietylen uzyskiwany z etanolu, tzw. „zielony polietylen”. Brazylijski koncern petrochemiczny Braskem opracował innowacyjną technologię polimeryzacji etylenu pochodzącego z alkoholu etylowego wytwarzanego poprzez fermentację surowców roślinnych. Instalacja Braskemu, pracująca w Triunfo (Brazylia) produkuje już kilka odmian „zielonego” polietylenu dużej i małej gęstości (HD-PE i LD-PE) do różnorodnych zastosowań opakowaniowych. Schemat tego procesu ilustruje rys. 2.
Innym przykładem wykorzystania surowców odnawialnych są butelki z PET (PlantBottle), których produkcja jest oparta na poli (tereftalanie etylenowym) wytwarzanym z udziałem źródeł odnawialnych (rys. 3). Dzięki tej technologii oszczędza się zasoby ropy naftowej, a jak wskazuje ocena cyklu życia (LCA), zmniejsza emisję CO2 o 25%. Taką innowacyjną technologię wprowadziła Coca-Cola Company. Butelki PlantBottle produkowane są z tworzywa PET, uzyskanego z kwasu tereftalowego (70%) oraz glikolu jednoetylenowego (30%). Kwas tereftalowy pochodzi z przetwórstwa ropy naftowej, natomiast glikol otrzymuje się z alkoholu etylowego poprzez fermentację wielocukrów roślinnych. Tworzywo z poużytkowych butelek PlantBottle nadaje się do recyklingu materiałowego i butelki takie mogą podlegać zbiórce razem z innymi butelkami z PET.
W trosce o redukcję emisji CO2 również PepsiCo zamierza w 2012 r. wprowadzić nową butelkę z PET wykonaną w 100% z biomasy roślinnej. Nowe butelki będą wykonane z odpadowych materiałów pochodzenia roślinnego (trawa, kora, kukurydza), które nie stanowią surowców do produkcji żywności. W przyszłości przewiduje się również wykorzystanie rolniczych produktów ubocznych, takich jak obierki ziemniaków, czy inne odpady roślinne, które nie znajdują zastosowania w sektorze spożywczym.
Zdolności produkcyjne biotworzyw
Światowe zdolności produkcyjne biotworzyw w roku 2010 szacowano na 725 tys. ton. Są to ilości nieporównywalnie mniejsze niż produkcja klasycznych tworzyw ropopochodnych (265 ml ton), ale prognozy na rok 2015 przewidują wzrost do poziomu 1,71 mln ton. Dane te zestawiono na rys. 4, w podziale na biotworzywa biodegradowalne i niebiodegradowane.
Zdolności produkcyjne biotworzyw w 2010 i prognozę na rok 2015 w podziale na regiony przedstawiono na rys. 5. W roku 2010 największe zdolności wytwarzania biotworzyw obejmowały Amerykę Południową (27,6%), Europę (26,7%) i Amerykę Północną (26,7%), nieco mniejsze – Azję (18,5 %). Jak wskazują prognozy na rok 2015 największe zdolności produkcyjne będą miały miejsce w Ameryce Północnej (32,9%) i Azji (28,1 %), a zmniejszą się udziały Ameryki Południowej (20,5%) i Europy (18,3%).
Strukturę biotworzyw w 2010 r. zamieszczono na rys. 6. a przewidywane zmiany w roku 2015 na rys. 7.
Jak wynika z rys. 6, w 2010 r. największe zdolności produkcyjne obejmowały: niebiodegradowalny polietylen wytwarzany ze źródeł odnawialnych (200 tys. ton – 28%), biodegradowalne polimery z udziałem skrobi (117,8 tys. ton – 16%) oraz polilaktyd PLA (112, 5 tys. ton – 15%). Prognoza na rok 2015 wskazuje, że struktura ta ulegnie zmianie na korzyść niebiodegradowalnych polimerów ze źródeł odnawialnych Bio-PE (450 tys. ton – 26%) i Bio-PET (290 tys. ton – 17%) oraz biodegradowalnego polilaktydu PLA (216 tys. ton – 13%).
Zasadą, stanowiącą nadrzędne kryterium rozwiązań strategicznych na wszystkich szczeblach zarządzania powinna być konstytucyjna zasada zrównoważonego rozwoju. Zakłada ona takie prowadzenie polityki i działań w poszczególnych sektorach gospodarki oraz życia społecznego, aby zachować zasoby i walory środowiska w stanie zapewniającym trwałe korzystanie z nich, zarówno przez obecne, jak i przyszłe pokolenia, przy
jednoczesnym zachowaniu trwałości funkcjonowania procesów przyrodniczych oraz naturalnej różnorodności biologicznej na poziomie krajowym, ekosystemowym, gatunkowym i genowym. W praktyce oznacza to równorzędne traktowanie racji ekologicznych, społecznych i gospodarczych oraz powoduje konieczność integrowania zagadnień ochrony środowiska z polityką sektorową w pozostałych dziedzinach gospodarki.
Literatura
Hasso von Pogrell, Market development of bioplastics and latest biopackaging trends, 4th Conference The future of biodegradable packaging, Warsaw, 27.09.2011.
Weber C. J.: Biobased Packaging Materials for the Food Industry, The Royal Veterinary and Agricultural University, 2000.
Kaeb H.: Bioplastics – Vision 2020. Market Introduction in Europe. BIOPLASTICS IN PACKAGIN, Interpack 2008, Dusseldorf, 26 April, 2008.
Żakowska H.: Systemy recyklingu odpadów opakowaniowych w aspekcie wymagań ochrony środowiska, Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej w Poznaniu, Poznań 2008.
Morschbacker A.: Biobased PE – A Renewable Plastic Family, Braskem S. A., European Bioplastics Conference Handbook, 21-22, Paris, November 2007.
Cees van Dongen, Dvorak R., Kosior E.: Design Guide for PET Bottle Recyclability, UNESDA&EFBW, 2011.
Word’s First 100% Plant-Baseed PET Bottle, Bioplastics Magazine No 2/2011, p. 25.
Prof. nzw. dr hab. inż. Hanna Żakowska
Centralny Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Opakowań (COBRO)
