Bioplastiki – czym są i czy uratują nas przed plastikową apokalipsą?

Od lat 50. ubiegłego wieku obserwujemy logarytmiczny wzrost produkcji tworzyw sztucznych. Ich produkcja została znacznie zintensyfikowana, tak by zaspokoić zapotrzebowanie szybko rosnącej liczby ludzi. Szacuje się, że od tego czasu wyprodukowano ponad 8,3 miliarda ton plastiku [1] (co odpowiada masie ok. 55 000 płetwali błękitnych 🐋😮). Chyba nikogo nie trzeba przekonywać, że wraz ze wzrostem produkcji tworzyw sztucznych rośnie ilość generowanych odpadów. W skali globalnej odpady z tworzyw sztucznych plasują się na trzeciej pozycji (12%), tuż za odpadami organicznymi (biodegradowalnymi) (44%) i tymi z papieru i tektury (17%) [2]. Łącznie tzw. „suche” surowce wtórne (plastik, papier i tektura, metal i szkło) stanowią 38% odpadów. O ile bioodpady i odpady papierowo-tekturowe prędzej czy później ulegną biodegradacji, o tyle te z tworzyw sztucznych będą zalegać w otoczeniu, gdyż duża ich część nie jest odpowiednio zbierana, odzyskiwana i unieszkodliwiana, co przyczynia się do zwiększenia ich akumulacji w środowisku, szczególnie wodnym [3].

Odpady z tworzyw sztucznych są najszybciej rozrastającą się grupą odpadów, zarówno pod względem objętościowym, jak i wagowym. Te same właściwości, które stanowią o niezwykłej użyteczności tworzyw sztucznych, m.in. ich trwałość i wysoka odporność na działanie czynników chemicznych, sprawiają że ich całkowity rozkład jest właściwie niemożliwy.

Okres półtrwania wiązania chemicznego w polimerze może wynosić kilka godzin (np. wiązania w cząsteczkach poli(ortoestrów) wykorzystywanych w medycynie jako nośniki leków), kilka lat (wiązania w cząsteczkach PET), ale też nawet kilkadziesiąt tysięcy lat (wiązania obecne w nylonie (poliamidach), których szacowany okres półtrwania wynosi 83 000 lat) [4]. Wszystkie powyżej przytoczone przykłady polimerów z technicznego punktu widzenia można (teoretycznie) nadal klasyfikować jako biodegradowalne, ale z praktycznego punktu widzenia nie ma to sensu.

Biotworzywa – zamienniki klasycznych plastików

Efektywny recykling odpadów z tworzyw sztucznych jest dużym wyzwaniem technicznym i ekonomicznym, a ich spalanie przyczynia się do zanieczyszczenia środowiska. Konieczne jest więc zintensyfikowanie badań nad opracowywaniem polimerów o dobrych właściwościach użytkowych i jednocześnie przyjaznych dla środowiska. Odpowiedzią na nasze zmartwienia mogą być tzw. biotworzywa, czyli polimery wytwarzane z surowców odnawialnych i/lub ulegających biodegradacji.

Chociaż pierwsze polimery z surowców odnawialnych, takich jak celuloza i kauczuk naturalny, były produkowane już w drugiej połowie XIX wieku, z czasem sukcesywnie zastępowano je polimerami pochodzenia petrochemicznego. Stały za tym przede wszystkim lepsze właściwości generowanych polimerów, ich niski koszt i zasobność surowca kopalnego. Złoty wiek klasycznych plastików mija, ponieważ jesteśmy coraz bardziej świadomi problemów jakie za sobą niosą. Ograniczone możliwości systemów gospodarki odpadami, negatywny stosunek konsumentów do wyrobów z konwencjonalnego plastiku i konieczność minimalizowania szkodliwych oddziaływań na środowisko związanych z „wiecznymi” odpadami sprawia, że w wielu placówkach naukowych podejmuje się intensywne badania w zakresie inżynierii materiałowej, recyklingu oraz technologii wytwarzania nowych polimerów, przyjaznych środowisku naturalnemu. Wynikiem pracy naukowców jest pojawienie się na rynku szeregu tzw. biotworzyw, czyli tworzyw wytwarzanych z surowców odnawialnych i/lub ulegających biodegradacji [5].

Ale zacznijmy do początku.

Wszystkie tworzywa sztuczne można podzielić na podstawie surowca, z którego są pozyskiwane (kopalny lub odnawialny) oraz podatności na procesy biodegradacji. Według tych kryteriów tworzywa polimerowe można podzielić na cztery grupy:

niebiodegradowalne, otrzymywane z surowców kopalnych (nieodnawialnych);
niebiodegradowalne, otrzymywane z surowców odnawialnych, czyli takich, których wykorzystywanie nie wiąże się z długotrwałym ich deficytem;
biodegradowalne, otrzymywane z surowców kopalnych;
biodegradowalne, otrzymywane z surowców odnawialnych („podwójnie zielone”).

Ryc. 1. Podział tworzyw polimerowych ze względu na podatność na procesy biodegradacji oraz źródła surowca.

Poza grupą klasycznych polimerów niebiodegradowalnych (produkowanych z surowców petrochemicznych) powszechnie używanych w skali masowej od ponad półwiecza, trzy pozostałe grupy – stanowiące wspólnie tzw. biotworzywa – dopiero od kilkunastu lat są wykorzystywane na większą skalę. Powiązane jest to z rozwojem technologii ich wytwarzania, według których producenci są w stanie zagwarantować stałość ściśle określonych właściwości tworzywa (powtarzalność produkcji).

Uściślając, terminem „biotworzywa” określa się całą gamę tworzyw, które zgodnie z normą europejską EN 16575 pozyskiwane są z surowców odnawialnych, i mogą to być zarówno tworzywa podlegające procesowi biodegradacji, jak i te niebiodegradowalne. Dodatkowo termin ten obejmuje również polimery biodegradowalne wytwarzane z surowców petrochemicznych. Tak więc, terminem „biotworzywa” określa się de facto dwa typy materiałów:

tworzywa otrzymywane z surowców pochodzenia roślinnego (zarówno biodegradowalne, jak i niebiodegradowalne);
tworzywa podlegające procesowi biodegradacji (również z surowców nieodnawialnych).

Obecnie biotworzywa stanowią około 1% całkowitej światowej produkcji tworzyw sztucznych, ale dynamika ich rynku jest większa niż w przypadku polimerów klasycznych [6]. To pozwala szacować z dużą pewnością, że ich globalna produkcja znacznie wzrośnie w kolejnych latach, szczególnie że obserwuje się stały wzrost popytu i rozszerzanie wachlarza ich zastosowań. Grunty wykorzystywane pod uprawę surowców odnawialnych, wykorzystywanych do produkcji wybranych biotworzyw, wyniosły w 2020 roku około 0,7 mln ha, co stanowiło mniej niż 0,02% globalnej powierzchni rolnej [7]. Dla porównania, pastwiska i areały pod produkcję żywności i paszy obejmowały odpowiednio 66,5 i 25% całkowitej powierzchni rolnej. Wydaje się więc, że pozyskiwanie surowca do produkcji biotworzyw nie stanowi zagrożenia dla rolnictwa i gospodarki żywnościowej, nawet mając na uwadze prognozy mówiące o tym, że światowa produkcja biotworzyw ma wzrosnąć z około 2,11 miliona ton wyprodukowanych w 2020 roku do około 2,87 miliona ton w roku 2025, co stanowić będzie ~36% wzrost w ich produkcji w skali pięciu lat [7].

Warto zaznaczyć, że niektóre polimery biodegradowalne były znane już na początku XX wieku, jednak brak odpowiednio opracowanych technologii ich wytwarzania w skali masowej uniemożliwił ich szerokie zastosowanie [6].

Należy jeszcze raz podkreślić, że nie wszystkie biotworzywa są biodegradowalne, np. Bio-PE to tworzywo, które zostało wyprodukowane z surowców roślinnych, ale tak samo jak jego konwencjonalny odpowiednik PE (polietylen) nie podlega procesowi biodegradacji. Tak więc, w tym przypadku przedrostek „bio” w nazwie określa jedynie pochodzenia surowca, z którego tworzywo zostało wyprodukowane.

Biodegradowalne, czyli jakie?

Biodegradacja obejmuje szereg reakcji chemiczno-biologicznych powodujących przerwanie łańcucha polimerowego i zmniejszenie jego rozgałęzień. Warto pamiętać, że biodegradowalność nie wiąże się z pochodzeniem danego surowca, tylko z jego strukturą. Proces ten odbywa się przy udziale organizmów żywych, takich jak: bakterie, pierwotniaki, grzyby czy glony. Wpływ na jego przebieg mają odczyn pH, temperatura, wilgotność czy obecność lub brak tlenu [8,9]. Biodegradacja w ostatecznym rozrachunku prowadzi do całkowitego rozkładu związków złożonych (polimerów) do występujących w przyrodzie związków małocząsteczkowych, w tym dwutlenku węgla i wody (w warunkach tlenowych) lub biomasy, dwutlenku węgla i metanu (w warunkach beztlenowych). Pomiar ilości uwolnionego dwutlenku węgla i porównanie go z teoretyczną ilością obliczoną na podstawie zawartości węgla w badanej próbce tworzywa, stanowi bezpośredni dowód zakresu oraz stopnia degradacji [10]. Tworzywo podlegające częściowemu rozkładowi nie powinno być klasyfikowane jako biodegradowalne, bo nie spełnia podstawowych założeń tzn. jego degradacja nie kończy się całkowitym (100%) rozpadem polimerów.

Gama dostępnych biotworzyw biodegradowalnych obejmuje m.in:

➤ polimery syntetyzowane chemicznie w procesie fermentacji biomasy, np. polilaktyd (PLA), stanowiący 32% całkowitej produkcji biotworzyw biodegradowalnych w 2020 r [7].

➤ polimery syntetyzowane przez mikroorganizmy lub genetycznie modyfikowane rośliny, np. PHA, PHB i PHBH (3%) [7]

➤ tworzywa na bazie skrobi, w tym skrobia termoplastyczna (TPS), mieszanki skrobi z innymi polimerami (32%) [7]

➤ polimery otrzymywane z surowców petrochemicznych, np.: kopoliestry alifatyczno-aromatyczne, w tym PBAT (23%) lub syntetyczne alifatyczne poliestry, w tym PCL i PBS (7%) [7].

Ryc. 2. Globalna produkcja biotworzyw biodegradowalnych produkowanych z surowców odnawialnych i petrochemicznych w 2020 r.

Przykłady biotworzyw „podwójnie zielonych” i ich zastosowanie

Biotworzywa w wielu zastosowaniach z powodzeniem zastępują klasyczne tworzywa sztuczne. Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę czterech wybranych polimerów biodegradowalnych.

PLA – Polilaktyd (kwas polimlekowy)

Wykorzystywany jest m.in. w produkcji materiałów opakowaniowych, folii, worków na odpady, tacek, kubków, butelek, sztućców i innych produktów jednorazowego użytku, materiałów do laminowania papieru, do drukowania czy w rolnictwie (folie ogrodnicze, doniczki rozkładające się po wysadzeniu roślin do gruntu, systemy kontrolowanego dostarczania nawozów i pestycydów) [11,12].

PHA – Polihydroksyalkanian

Polihydroksyalkaniany (PHA) po odpowiednim oczyszczeniu są nietoksyczne i wykazują wysoką biozgodność z tkankami organizmu człowieka, dlatego doskonale sprawdzają się w zastosowaniach laboratoryjnych, np. jako podłoża do hodowli linii komórkowych oraz w medycynie, np. w przeszczepach naczyń, nerwów i zastawek serca, ale też w produkcji opatrunków, implantów, stentów, nici chirurgicznych i biodegradowalnej odzieży wykorzystywanej na sali operacyjnej. Można je również stosować w systemach dostarczania leków (długotrwałe dawkowanie leków). PHA stosowane są również do produkcji materiałów opakowaniowych, artykułów jednorazowego użytku, takie jak talerzyki, tacki, łyżeczki i kubki jednorazowe [13].

TPS – skrobia termoplastyczna

Kompozycje polimerowo-skrobiowe stosowane są do produkcji folii, termoformowalnych tacek, różnego typu pojemników, powlekania papieru i tektury, druku 3D, spienionych wyprasek i materiałów wypełniających wolne przestrzenie w opakowaniach transportowych. Skrobia termoplastyczna służy do produkcji wyrobów opakowaniowych (m.in. folii i toreb na zakupy oraz odpady), produktów do stosowania w ogrodnictwie (folii do ściółkowania, doniczek rozkładających się po wysadzeniu roślin do gruntu) oraz artykułów jednorazowego użytku (np. elementów wyposażenia cateringu i artykułów sanitarnych) [14,15].

PBS – Polibursztynian butylenu

Ma znakomite właściwości przetwórcze, dzięki czemu może być wykorzystywany m.in. w produkcji przędzy i tekstyliów, ale ma też zastosowanie w ogrodnictwie (folia do ściółkowania) i gastronomii (sztućce, pojemniki, kubki) [16]. Jest też dobrym materiałem do produkcji opakowań (folii i torebek) oraz produktów higienicznych. PBS wykazuje biokompatybilność w kontakcie z niektórymi liniami komórkowymi indukując ich namnażanie i różnicowanie [17]. Produkty jego degradacji są nietoksyczne, dlatego materiał ten w przyszłości może być wykorzystywany w medycynie, np. do rekonstrukcji tkanek miękkich i inżynierii tkankowej [18]. Aby obniżyć koszty produkcji, często czysty PBS domieszkowany jest innymi polimerami, np. skrobią termoplastyczną (TPS).

Biodegradacja a kompostowanie

Wiele produktów biodegradowalnych projektuje się tak, aby nadawały się do kompostowania. Jednak w wielu przypadkach ta kompostowalność występuje tylko w ściśle kontrolowanych warunkach [8,19]. Dlatego jedynym pożytecznym i zgodnym z naturą sposobem ich utylizacji (jeśli tworzywa nie nadają się już do recyklingu mechanicznego) jest ich kompostowanie w specjalnie do tego przeznaczonych kompostowniach przemysłowych.

Kompostownie to profesjonalne obiekty przemysłowe zajmujące się przeróbką znacznych ilości odpadów organicznych. Zapewniają optymalne warunki procesu, szybką degradację, dobrą kontrolę emisji i wysoką jakość kompostu. W tych warunkach kompostowanie jest w pełni monitorowanym procesem biotechnologicznym.

Trzeba zauważyć, że nie każde tworzywo biodegradowalne będzie równocześnie przydatne do recyklingu organicznego, ponieważ biodegradacja poza zoptymalizowanymi warunkami może nie zachodzić lub przebiegać dużo wolniej niż jest to wymagane w przypadku kompostowania przemysłowego. Innymi słowy, każdy materiał kompostowalny jest biodegradowalny, ale nie wszystkie materiały biodegradowalne są kompostowalne.

Odpady z tworzyw biodegradowalnych w Polsce

Umieszczenie na opakowaniu znaku przydatności do kompostowania sugeruje, że powinno ono podlegać systemowi zbiórki razem z bioodpadami (odpadami organicznymi). Obecnie jednak odpady komunalne z tworzyw biodegradowalnych, które trafiają do strumienia bioodpadów uznawane są za zanieczyszczenie i podlegają usunięciu w początkowych etapach procesu, a zanieczyszczony nią produkt końcowy (kompost) może zostać zaklasyfikowany jako odpad (pod kodem 19.05.03 – kompost nieodpowiadający wymaganiom). Odpad taki nie może zostać wprowadzony do obrotu handlowego jako nawóz organiczny lub jako środek wspomagający uprawę roślin, a może jedynie w ograniczonych ilościach zostać wykorzystany w ramach procesu odzysku, np. do biologicznej rekultywacji składowisk odpadów [20].

W teorii odpady z biotworzyw mogłyby trafiać do kosza na tworzywa sztuczne. Niestety, nie mogą być one przetwarzane razem z konwencjonalnymi tworzywami ze względu na różne parametry przetwórstwa. W praktyce oznacza to, że jeśli niewielka ilość biotworzywa zostanie przypadkowo pomieszana np. z HDPE w strumieniu recyklingu, powstałe z recyklingu produkty będą miały gorszą jakość i znacznie obniżone parametry wytrzymałościowe. Oznacza to konieczność rozdzielenia biotworzyw od klasycznych plastików przed właściwym recyklingiem. Niestety obecnie w Polsce nie ma skutecznej ścieżki pozwalającej na odseparowanie strumienia odpadów z tworzyw biodegradowalnych od odpadów z konwencjonalnych tworzyw sztucznych. Z tego powodu biodegradowalne tworzywa sztuczne musiałyby być sortowane osobno u źródła.

W praktyce oznacza to, że odpady z polimerów biodegradowalnych trafiają do frakcji odpadów resztkowych, a z nią tworzą wsad do spalarni w procesie „odzysku” energetycznego lub są kierowane na składowiska odpadów.

Czy biotworzywa to sensowna alternatywa dla klasycznego plastiku?

Poniżej stanowisko Rethink Plastics Alliance w sprawie biodegradowalnych tworzyw sztucznych:

Należy zachować ostrożność w promowaniu biologicznych i biodegradowalnych tworzyw sztucznych jako zamienników konwencjonalnych tworzyw polimerowych, zwłaszcza tam, gdzie istnieją alternatywy wielokrotnego użytku. Aby zapobiec zanieczyszczaniu środowiska, wymagania dotyczące etykietowania tych tworzyw sztucznych muszą być jednoznaczne w odniesieniu do zawartości, właściwości i zarządzania cyklem życia. Biodegradowalne tworzywa sztuczne powinny być stosowane tylko wtedy, gdy spełniają normę UE dla kompostowania przemysłowego i tam, gdzie istnieje odpowiednia infrastruktura do ich późniejszego gromadzenia i przetwarzania; biodegradacja w środowisku naturalnym nie może być uważana za odpowiednią opcję zakończenia żywotności dla tworzyw sztucznych – takie podejście zachęca użytkowników do zaśmiecania środowiska naturalnego plastikiem. Oparte na biosubstancjach tworzywa sztuczne powinny pozostać w 100% kompatybilne z konwencjonalnymi strumieniami recyklingu mechanicznego, chyba że są specjalnie zaprojektowane do kompostowania przemysłowego w wyżej wymienionych warunkach.

Polskie Stowarzyszenie Zero Waste jako część Rethink Plastics Alliance wspiera walkę o:

ograniczenie produkcji i konsumpcji, aby ograniczyć zanieczyszczenie tworzywami sztucznymi u źródła
lepsze zarządzanie odpadami
ale też, przeprojektowanie w duchu GOZ, w tym “unikaniu niefortunnej substytucji”

Zainteresowanych tematem biotworzyw odsyłam do opublikowanego w 2020 roku raportu dotyczącego biodegradowalności bioplatiku w środowisku naturalnym, będącego wynikiem pracy międzynarodowej grupy ekspertów działających w ramach Konsorcjum SAPEA (“Science Advice for Policy by European Academies”). Autorzy publikacji podejmują próbę odpowiedzi m.in. na pytanie, czy zastosowanie biodegradowalnych tworzyw sztucznych ma do odegrania rolę w realizacji strategii Komisji Europejskiej dotyczącej tworzyw sztucznych, osadzonej w kontekście gospodarki o obiegu zamkniętym.

Podsumowanie

Biotworzywa w wielu zastosowaniach z powodzeniem zastępują klasyczne tworzywa sztuczne. Rynek biotworzyw, szczególnie tych tzw. „podwójnie zielonych” (wytwarzanych z zasobów odnawialnych i ulegających biodegradacji), jest na pewno rynkiem perspektywicznym i prężnie rozwijającym się, co jest szczególnie zauważalne w ostatnim czasie. Co więcej, wraz z rozwojem technologii biotworzywa będą mieć coraz większy udział zarówno w wielu branżach gospodarki, jak i w codziennym życiu wielu społeczeństw. Spowodowane jest to między innymi wzrastającą świadomością konsumentów dotyczącą szkodliwego wpływu tworzyw sztucznych na zdrowie ludzi i na stan środowiska naturalnego. To z pobudek prośrodowiskowych coraz częściej sięgamy po zamienniki opakowań i produktów jednorazowych wykonanych z konwencjonalnych tworzyw sztucznych, nawet kosztem wyższej ceny. Tymczasem polski rynek nie jest gotowy do selektywnej zbiórki i odzysku biotworzyw (ani poprzez recykling mechaniczny, ani organiczny). W rzeczywistości więc ich wykorzystanie w Polsce ma obecnie charakter jednorazowy, a więc przejście na biotworzywa wcale nie oznacza rozwiązania problemu odpadów. Należy również pamiętać o tym, że produkcja tworzyw sztucznych pochodzenia biologicznego, na poziomie zaspokajającym obecny całkowity popyt na plastik, wymagałaby zwiększonej powierzchni gruntów ornych przeznaczonych do uprawy roślin dedykowanych do jego produkcji, a to mogłoby stwarzać konflikt między użytkowaniem gruntów pod uprawę roślin dla przemysłu tworzyw sztucznych i na żywność. Co więcej taka produkcja niesie ze sobą ryzyko negatywnego wpływu na środowisko (m.in. brak bioróżnorodności czy pogłębianie wyjałowienia gleb). Do tego trzeba doliczyć niemały ślad węglowy wynikający chociażby z transportu składników do produkcji biotworzyw.

Co więcej, najlepszym w kontekście ochrony środowiska scenariuszem jest wielokrotne przetwarzanie danego materiału polimerowego i dopiero gdy jego właściwości użytkowe spadną na tyle, że nie będą spełniały określonych norm i zaleceń, poddanie go recyklingowi organicznemu (biodegradacji w warunkach kompostowania).

Warto pamiętać o tym, że w pewnym sensie kompostowanie tworzyw biodegradowalnych wyklucza możliwość wielokrotnego przetwarzania, a tym samym pozbawia nas korzyści jakie moglibyśmy uzyskać podczas ich recyklingu. Proces kompostowania uniemożliwia odzyskanie i ponowne przetworzenie polimeru, czy też odzyskanie monomerów i oligomerów do ich ponownego wykorzystania w procesie polimeryzacji. Dlatego kompostowanie danego biodegradowalnego materiału polimerowego powinno odbywać się po jego wielokrotnym przetworzeniu, a więc powinno stanowić ostatni etap jego „życia”.

W tej sytuacji słusznym rozwiązaniem wydaje się być ograniczenie ilości odpadów za pomocą ponownego użycia surowców, poprzedzone zmniejszeniem konsumpcji, a to wymaga fundamentalnych zmian w myśleniu, zachowaniach i systemach wartości zarówno konsumentów, jak i przemysłu.

Literatura

Autorka:

Joanna Klim

Niniejszy artykuł powstał na bazie pracy dyplomowej autorki.