Bioplasty - nový problém pro odpadáře/ III

Klíčovým světovým problémem, zejména z pohledu snižování emisí CO2, je dekarbonizace ekonomiky. Zatímco pro výrobu plastů se spotřebovává zhruba 5 % fosilních surovin, výrobní základna pro bioplasty je teoreticky dostatečná.

Vědci odhadují, že na naší planetě se ročně produkuje 172 miliard tun biomasy, tj. organických látek rostlinného a živočišného původu. Z tohoto množství je pouze 3,5 % využíváno, většinou pro potravinářské účely. Biomasa jako obnovitelný zdroj slaví renesanci, když je využívána i v energetice a při výrobě pohonných hmot. Pro tyto účely se využívá cíleně pěstovaná rostlinná biomasa (cukrová řepa a třtina, kukuřice, sojové boby).

Jedním z nejvýznamnějších produktů pro výrobu plastů je monomer etylenu. Základem pro jeho průmyslovou výrobu je v Evropě převážně ropa, v USA zemní plyn, tedy zdroje, které mají omezenou životnost a jsou neobnovitelné. Pro výrobu plastů se spotřebovává zhruba 5 % jejich roční produkce.

Výrobní jednotky klasických plastů mají kapacity v rozsahu 100-1000 tis. tun/rok a know-how z několika desítek let provozu. Potenciálně by až jedna třetina plastů mohla být nahrazena bioplasty. K tomu však bio-plasty potřebují levnou výchozí surovinu, většinou opět monomer.

BIO-POLYETHYLEN

Největší kapacitou pro výrobu bioplastů (bio-PE) disponuje brazilská firma Brasken. Využívá cukrovou třtinu k výrobě etylalkoholu, ten poté dehydratuje na etylen a polymerací vyrábí bio-PE. Kapacita této výroby je 200 tis. tun (na světě se ročně vyrobí přes 80 mil. tun PE). Několik světových firem plánuje, či již buduje závody na výrobu ethylenu a dalších bio-produktů, vesměs na bázi cukrové třtiny. Je třeba podotknout, že tyto bio-polymery nejsou biodegradovatelné a mají stejné uplatnění jako klasické polymery.

ŠKROBY

Potencionálně největším zdrojem pro výrobu bio-plastů jsou škroby z rostlin. Tyto aplikace jsou rozvíjeny více než 20 let.

Bio-plasty lze získat částečnou fermentací škrobu, jeho destrukcí s plastikátorem na termoplastické škroby (TPS) nebo chemickou destrukcí škrobu. Poté obvykle následuje krok smíchání suroviny s kompatabilizéry, změkčovadly, dalšími aditivy a plasty fosilního nebo biologického původu (podíl škrobu 30-80 %). Tyto plasty mohou nahradit klasické plasty zejména v obalech a v zemědělství (fólie). Na trhu je jich přes 15 typů, většinou v biodegradovatelném provedení.

KYSELINA POLYMLÉČNÁ

Jde o alifatický polyester, průmyslově vyráběný od roku 2003. Výchozí surovinou je cukr nebo škrob, který se konvertuje na cukr. Roztok cukru je fermentován mikroorganismy na dva izomery kyseliny mléčné, které se v druhém stupni chemicky polymerují na makromolekuly. Vlastní polymerace izomerů vede ke směsi dvou typů PLA, z něhož jeden má tepelnou odolnost 60 °C, druhý přes 100 °C. Vzájemné směsi plus přídavky různých aditiv umožňují širokou škálu nových typů a aplikací. PLA je nejvíce zkoumaným bioplastem. V roce 2020 by měly výrobní kapacity dosáhnout celosvětově 950 tis. tun/rok.

PLA je biodegradabilní, bezpečný pro potravinářské obaly, mísitelný s konkurenčními plasty a snadno zpracovatelný na stávajících zpracovatelských strojích - extruderech a vstřikovacích strojích. Předností PLA je možnost smíchání s komoditními i inženýrskými plasty, jako je PS, PC nebo ABS a následné aplikace i v technických výrobcích.

PHA A PPC

Stejně jako PLA jsou polyhydroxyalkaonáty (PHA) alifatické polyestery, které se vyrábějí přímou fermentací odpadů z cukrovky a cukrové třtiny. Licencují se jednotky s kapacitou 10 tis. tun. Vlastnostmi se PHA blíží polypropylenu. Stejně jako PLA lze PHA snadno zpracovávat vstřikováním, vytlačováním s hlavním aplikačním segmentem v obalovém průmyslu.

Velkou výzvou pro bioplasty PLA a PHA je možnost jejich míchání s polypropylenkarbonatem (PPC). Tento polymer je znám již 40 let a zajímavostí je, že se vyrábí z CO₂ dokonce přímo ze spalin z komínů cementáren a elektráren. Smícháním PPC se škroby nebo PLA nebo PHA se zlepší zpracovatelské a uživatelské vlastnosti fólií a výrobků, které jsou biodegradovatelné.

POLYESTERY

Biodegradabilní polyestery jsou polymery vyráběné z diolů z bio-báze a bio-kyseliny jantarové nebo adipové. Vznikají pak polybutelensukcinát (PBT) nebo polybutylenadipattereftalát (PBAT) nebo další kombinace. Posledně jmenovaný polymer vyrábí firma BASF z petrochemické báze pod názvem Exoflex a v blendu s PLA se objevuje na trhu pod označením Ecoflex. Světová spotřeba se odhaduje na 180 tis. tun.

BIO-PET

Polyetylentereftalát (PET) patří mezi plasty s nejvyšší dynamikou spotřeby, zejména díky rozvoji aplikací v lahvích. V posledních letech začala dodávat na trh lahve z částečného bio-PET. Vtip spočívá v tom, že PET se vyrábí polykondenzací monoetylenglykolu (MEG) a kyseliny tereftalové (PTA). První surovina má 30% a druhá 70 % podíl na výsledném PET. V Brazílii se začal průmyslově vyrábět MEG z cukrové třtiny přes etanol a etylen. Výsledná láhev je plně směsitelná a recyklovatelná s klasickou PET, má podíl materiálu rostlinného původu 30 %. Plné zavedení dražších lahví z úplného bio-PET se očekává do 20 let.

DLOUHÁ HISTORIE CELULÓZY

Celulóza má dlouhou historii při aplikacích i jako plast. Tyto polymery jsou vyráběny extrakcí nebo chemickou modifikací přírodní celulózy. Ze tří skupin polymerů na bázi celulózy má největší význam regenerovaná celulóza, z níž se vyrábějí celofán a umělá vlákna. Poprvé byl celofán aplikován jako obalová fólie v roce 1924, dnes je patrný mírný návrat celofánu jako bio-plastu.

POLYAMIDY

Polyamidy patří do kategorie inženýrských plastů se světovou spotřebou kolem 3 mil. tun. Ke klasickým produktům jako PA6, vyráběný polykondenzací kaprolaktamu, se na trhu objevil v roce 2002 produkt firmy Arkem bio-PA11, vyrobený z ricinového oleje. Další bio-typy PA jsou rozpracovány ve výzkumu. Výchozí surovinou je ricinový a řepkový olej. Totéž se týká výroby kaprolaktamu pro PA6 fermentací glukózy.

Velké chemické firmy investují značné prostředky do výzkumu, vývoje a nových technologií z přírodních zdrojů. Po bioplastech 1. generace (samostatné produkty) nastoupila 2. generace, která využívá směsi (blendy) bioplastů vzájemně, s aditivy, ale i s konvenčními fosilními plasty. Cílem je využít dosavadních technologií zpracování plastů a snížit uhlíkovou stopu výrobků. Mikrobiologové spolu s chemiky uvažují o bioplastech 3. generace, které by měly vzejít z využití řas a odpadních produktů. Pro tyto účely vyčlenila letos EU 8 miliard euro.

Ing. František Vörös
konzultant Sdružení EPS ČR, Kralupy nad Vltavou

Zdroj: studie Hannoverské university (Endres)

VÝROBNÍ KAPACITY BIOPLASTŮ V ROCE 2011

Bioplasty vyrobené fermentací škrobu mohou nahradit klasické plasty zejména v obalech a v zemědělství (fólie).