Биоразлагаемые полимеры — упаковка будущего

     Зависимость этой отрасли от запаса мировых нефтяных ресурсов общеизвестна. И если пищевая промышленность все более ориентируется на использование химических компонентов, заменяющих натуральные, то, как ни странно, в производстве полиэтиленов и полипропиленов наблюдается как раз противоположная тенденция. Экологи всего мира выступают за замену сырьевой базы этих материалов на натуральные, в частности, растительные компоненты. Насколько это возможно сейчас? Каковы возможности и методы решения проблемы?
     Должны ли упаковочные пластики продолжать полагаться на нефть и газ в качестве своего исконного и надежного сырья или же концентрировать усилия на поиске новых сырьевых материалов на растительной основе?
     Ответ на этот вопрос сводится, в конечном счете, к единственной точке отсчета — мировым запасам нефти. Если полагать, что емкость мировой нефтяносной скважины безгранична и поток производных — этилена, пропилена, бензола и других мономеров — нескончаем, то вопрос можно закрыть. Если же, как считают большинство ученых, уже к 2050 году человечество исчерпает половину глобальных запасов нефти, то это приведет к беспрецедентному скачку цен, какой обычно сопровождает убывание любого стратегического природного ресурса.
     "Нефтяной" вопрос вовлекает в свою сферу и экологический аспект утилизации и захоронения отходов пластмассовой упаковки.
     Пластиковая упаковка из "растительного" сырья — зерновых, древесины и т.д. — разлагается на полностью безопасные составляющие: воду, биомассу, диоксид углерода и другие естественные природные соединения. Абсолютная экологичность — вот что отличает биоразлагаемую упаковку от прочих. К тому же запасы растительного сырья могут возобновляться вечно.
     Исходная точка проблемы — 1956 год, когда американский геофизик М. Кинг Хуберт начал пугать общественность скандальными прогнозами о грядущем истощении мировых запасов нефти и газа.
     Хуберту удалось довольно точно предсказать, что пик американских нефтяных поставок придется на 1970 год с последующим спадом и кризисом. Нефтяной кризис, действительно разразившийся в США в середине 70-ых, заставил многих поверить прогнозам Хуберта. Его последователи, обновив данные, объявили, что уже к 2010 году половина мировых залежей нефти будет истощена.
     Многие серьезные аналитики скептически относятся к прогнозам Хуберта. "Запасов нефти предостаточно. Подтверждение этому — проводимые по всему миру, даже в глубоководных районах Западной Африки, изыскания, — утверждает Алан Струф, специалист по оценке нефти. — Ближний Восток обладает запасами, которых хватит по крайней мере на 200 лет. В Саудовской Аравии существуют нефтеносные месторождения, которых еще не касался бур. Запасы нефти в России вообще еще не оценены. Часть осознания нефтяной проблемы заключается в том, что нефтедобывающие компании и не пытаются максимизировать добычу нефти, хотя они могли бы это сделать. Все сводится к одному: нужно ли вырабатывать и хранить больше, чем это необходимо мировому потреблению? К примеру, накапливает ли корпорация General Motors двадцатилетний запас автомобилей? Если уровень потребления нефти ниже спроса, ее излишки просто уходят в отходы".
     Еще до возникновения нефтяной проблемы предприниматели начали поиск альтернативного сырья для полимеров. Корни этих поисков уходят уходят в 30-е годы, когда промышленный автогигант Генри Форд исследовал возможность использования пластиков на основе соевых культур для различных комплектующих своих автомобилей.
     Только в последнее десятилетие исследовательские проекты в институтских лабораториях по всему миру предлагали применять самые различные растения: от привычных нашему сознанию картофеля, бобовых, пшеницы, свеклы до более экзотических тапиоки, древесины тополя, осины. "В этом есть своя доля иронии, — отмечает Скиф Маккеффи, профессор университета штата Массачусетс, — ведь индустрия пластмасс началась с использования в качестве сырья природных ингредиентов — натурального каучука и нитроцеллюлозы. Пластики на основе нефтепродуктов, поливинилхлорид и полиэтилен, начали широко применяться лишь во время Второй Мировой войны из-за резкой нехватки резины и металла".
     Первые эксперименты с биоразлагаемыми полимерами были неудачными, в результате чего ряд проектов по их производству был закрыт."Первые биоразлагаемые пластики были, по сути, ошибкой.
     Они не были по-настоящему биоразлагаемыми и подвергались серьезной критике со стороны Greenpeace и Федеральной торговой комиссии США, — говорит профессор Маккеффи. — Кроме того, вялый маркетинг и слабые продажи привели к тому, что многие фирмы, занимающиеся этим бизнесом, были просто выкинуты с рынка". Так, корпорация Churchhil Technology, производитель биоразлагаемых добавок, полимеров специального назначения и водорастворимых материалов, обанкротилась в 1997 году, предварительно пустив на ветер 24 млн. долларов Компании пришлось продать свой патент на биоразлагаемые материалы итальянской фирме Novamont SpA.Последние два года перспективы роста потребления биоразлагаемых полимеров улучшаются. Сформировалась рыночная ниша, появились рентабельные предприятия, да и свойства новых биополимеров стали приближаться к характеристикам традиционных пластиков — полистиролу, полипропилену и т.д.
     Основным препятствием для развития биопластиков в США является отсутствие в стране инфраструктуры переработки отходов и изготовления компостов. Американские специалисты утверждают, что "людям нужны удобрения, а не свалки".
     В Европе иной подход к этим вопросам. Во-первых, там существует более разветвленная инфраструктура компостирования, а население с пониманием относится к важности утилизации отходов и готово переплатить за упаковку, если она, по сравнению с другими, более экологична. Во-вторых, европейское законодательство благоволит к использованию биоразлагаемых упаковочных материалов, пытаясь скоординировать директивы по переработке отходов, их захоронению и созданию системы компостов. В последнем докладе по европейскому рынку биоразлагаемых материалов консультант фирмы Frost&Sullivan Ян Хэнкок указывает, что "значимость создания системы компостов для биоразлагаемых материалов нельзя переоценить. Когда биоупаковки не подвергаются компостированию, а собираются и захороняются как обычный мусор или вместе с ним, то их экологическая ценность сводится на нет. Если будут действовать специальные программы по сбору биоразлагаемых упаковок, их раздельному складированию и приготовлению компостных ям, то экономическая ценность нового вида упаковки станет очевидной".
     Изданные в этом году Европейским Союзом директивы как раз запрещают совместное захоронение различных видов отходов, предполагая раздельное захоронение. Для биоразлагаемых упаковок выделяются специальные площади под компосты. В докладе, опубликованном консалтинговой фирмой SRI, наиболее перспективными с ценовой точки зрения названы два материала: полимолочная кислота и алифатический (ароматический) сополиэфир. Ожидается, что в ближайшие годы использование только биоразлагаемого полиэфира возрастет на 70%.
     На данный момент, пожалуй, все крупные в области производства полимерной продукции фирмы выдвинули свои версии биоразлагаемых материалов. Немецкая компания Bayer представила новый биоразлагаемый полиэфирамид. Полимер имеет полукристаллическую структуру и производится литьем под давлением или экструдируется на традиционном оборудовании. Сырьем для его производства является гексамителен диамин, бутандиол и адипиновая кислота.
     Получаемая пленка обладает степенью прозрачности, ранжируемой от полупрозрачной до прозрачной. Процесс биоразложения упаковки происходит в течение 60-ти дней при контакте с бактериями и грибками. Предполагаемая рыночная ниша — мешки для мусора, упаковка пищевых продуктов, одноразовая посуда.
     Американская компания Easten Chemiical в прошлом году начала производство сложного полиэфира Eastar Bio COPE. Конечный рынок применения — пищевая упаковка, мешки и пакеты для садоводческого и сельскохозяйственного использования. Материал имеет полукристаллическую основу, хорошие свойства прозрачности, а его барьерные характеристики по кислороду выше, чем у полиэтиленовой пленки. При компостировании упаковка разлагается на диоксид углерода, биомассу и воду так же быстро, как обыкновенная газета.
     Биоразлагаемые материалы немецкой компании BASF марки COPE и Ecoflex обладают технологическими свойствами, аналогичными полиэтилену низкой плотности (LDPE). Пленки Ecoflex имеют высокие характеристики сопротивления проколу и водонепроницаемости. При этом, в отличие от полиэтиленовой, они воздухопроницаемы.
     Швейцарская фирма DuPont объявила о коммерческом производстве Biomax — гидро-биоразлагаемого полиэфира. Обладая свойствами обычного полиэтилентерефталата, он лишь немого дороже в производстве по сравнению со своим "нефтяным" аналогом. Точка плавления Biomax — 200°С, относительное удлинение варьируется от 50 до 500 %, прочностные характеристики могут регулироваться. Компания ведет активный маркетинг нового полимера как в Европе, так и в США.
     Ряд компаний предлагают материалы, в которых параметры биоразложения можно регулировать. Английская компания Symphony Environment Ltd. выпустила на рынок биополимер на полиэтиленовой основе, в котором степень разложения контролируется специальными добавками. В зависимости от количества и качества предварительно вносимых добавок полное разложение упаковки может варьироваться в диапазоне от 60 дней до 5 лет.
     Среди других производителей, предлагающих нестандартные разработки, — итальянская фирма Novamont SpA и английская компания Environmental Polymers Group (EPG). Первая разработала четыре композиции материала марки Mater Bi, нетоксичного полиацеталя на основе крахмала. Вторая — компания EPG — работает над специальными сортами поливинилового спирта, который способен к биоразложению в горячей и холодной воде. Материал будет использован для производства упаковочной пленки методом экструзии с раздувом. Предполагаемая EPG технология включает два компонента: запатентованную технологию экструзии и собственные разработки биодеградантов на основе поливинилового спирта (PVON).
     Специалисты компании утверждают, что физические свойства изготавливаемой пленки будут эквиваленты, а в некоторых случаях и лучше, чем пленки из поливинилхлорида и полиэтилена, а по стоимости смогут конкурировать с другими биоматериалами. Новейшие технологии использовала американская корпорация Metabolix, концентрирующая свои усилия на PHA, материале со сложно структурой, производимом с помощью трасгенной технологии — know how компании. Технология позволяет изготавливать PHA напрямую, через процессы фотосинтеза, или косвенно, — ферментацией сахаров. Полимер представляет собою высококристаллический термопластик, разделяющий многие свойства с полипропиленом, включая идентичные точку плавления, предел прочности на разрыв, температуру склеивания и саму кристалличность. Предполагаемые рынки применения — упаковка для фаст-фуд, одноразовая упаковка медицинских препаратов.
     Однако, из всех представленных проектов, как полагают аналитики, наиболее успешным оказался проект, предложенный Cargill Dow, совместного предприятия двух компаний: сельскохозяйственного гиганта Cargill Corporation и лидера в производстве химических продуктов — корпорации Dow Chemical. Предприятие Cargill Dow является лидером в производстве полимолочной кислоты (PLA) — полимера, изготавливаемого из возобновляемых сельскохозяйственных ресурсов: зерновых и сахарной свеклы, то есть на основе растительных сахаров. Получаемый полимер обладает хорошей прозрачностью, прочностью, глянцем, является отличным влагопротектором, так же, как и ПЭТ, не пропускает запахи.
     Предполагаемая сфера применения — двуосноориентированные упаковочные пленки, жесткие контейнеры и даже покрытия. Компания утверждает, что упаковка из PLA-полимера способна полностью разлагаться в течение 45 дней при условии создания соответствующей структуры компостирования.
     По утверждению представителей Cargill Dow, технология совместного предприятия предлагает усовершенствованный контроль структуры полимеров. Преимущество данной технологии заключается в возможности использовать в качестве сырья самые разнообразные сельскохозяйственные сахаросодержащие культуры в различных регионах мира. Например, завод, вводимый в эксплуатацию в Европе в 2002 г., скорее всего, будет использовать пшеницу, а не кукурузу или бобовые, поскольку именно эта культура изобилует на европейском континенте. В других регионах в качестве возможного сырья будет выбрана свекла, тапиока или другие натуральные сахара.
     В отличие от своих конкурентов, биополимеры от Cargill Dow получили ощутимый коммерческий успех. Более десятка европейских и северо-американских фирм уже объявили о возможности использования новых полимерных материалов совместного предприятия. В списках потенциальных партнеров — немецкая фирма Hoechst Trespaphan Gmbh, второй по величине в мире производитель ориентированной полипропиленовой пленки.
     Сотрудничество двух крупнейших в своем бизнесе компаний обеспечивает возможность поддерживать приемлемые цены на биоразлагаемый полимер, делая его доступным. Аналитики Cargill Dow подтверждают, что "многие предыдущие проекты провалились, попросту "утопив" себя высокой стоимостью. Как бы положительно люди ни относились к проблемам охраны окружающей среды, их вряд ли устроит экологичная, но супердорогая упаковка".
     Однако в самой индустрии пластмасс, да и за ее пределами, все чаще обсуждается вопрос: "Оправдано ли морально использование сельскохозяйственного сырья для производства пластиков, если в мире существует голод?" Иными словами — не забирает ли Cargill Dow у голодающих пшеницу?
     В ответ компания приводит парадоксальные цифры. Оказывается, в пищу идет лишь 1 % зерновых, производимых в мире. Около половины всего урожая используется в качестве корма для животных. Еще 10 % идет на изготовление сахара и сахарозаменителей. "Производить биоразлагаемые материалы не означает в прямом смысле слова брать хлеб с чужого стола", — утверждает Пат Грубер, представитель Cargill Dow. — Европа, США выращивают огромные количества пшеницы, не предназначенные для пищи. Мы же можем использовать даже стебли кукурузных растений в качестве сырья Голод — очень сложная комплексная проблема. Скорее, это политический вопрос, нежели технологический. Его решение выходит за рамки усилий по созданию биополимеров". Сфера применения возобновляемых ресурсов гораздо шире, чем индустрия пластмасс. На производство пластиков уходит менее 1 % от мировой добычи нефти.
     Вне зависимости от того, будут ли в ближайшее время истощены мировые запасы нефти, биодеграданты привлекут к себе еще больше внимания. Уже сейчас цены на нефть и природный газ и их поставки крайне нестабильны. Один этот фактор побуждает производителей искать альтернативное сырье для производства полимеров. Сырье же растительное, природное, легко подвергающееся разложению, — лучший выход. А технические характеристики биодеградантов на данный момент не уступают их "нефтяным" аналогам.