Zróbmy sobie "plastik" z...

Tworzywa sztuczne należą do najbardziej wszechstronnych materiałów na świecie. Popularne "plastiki" zawierają jako kluczowy składnik syntetyczne polimery, charakteryzujące się dużą masą cząsteczkową. Dzięki prostemu procesowi przetwórczemu oraz możliwości wytwarzania po niskim koszcie produktów, które podnoszą jakość i komfort życia, materiały polimerowe skutecznie podbiły globalne rynki.

Jak się jednak okazało (cóż za zaskoczenie) olbrzymia część tworzyw sztucznych (w postaci odpadów) znalazła swoją drogę do środowiska naturalnego, gdzie stanowią one trwałe ciała obce, gdyż składają się na nie sztucznie syntetyzowane polimery normalnie nie występujące w przyrodzie. Ponieważ korzystamy z "dobrodziejstw" wyrobów z tworzyw sztucznych zaledwie od kilku dziesięcioleci, wpływ zaśmiecenia środowiska tworzywami i potencjalne niebezpieczeństwa ciągle nie jest do końca rozpoznany. Jednak jest faktem niepodważalnym, że do środowiska naturalnego trafia obecnie olbrzymia ilość materiałów i substancji, których dotychczas tam nie było i do których przyroda się na drodze ewolucji nie dostosowała. 

Z tego właśnie powodu przemysł przetwórstwa tworzyw sztucznych (reagując również na coraz bardziej restrykcyjne regulacje prawne, vide: Dyrektywa SUP) coraz częściej zwraca się ku biotworzywom.

Tym mianem nazywamy łącznie tworzywa pochodzące z surowców odnawialnych i tworzywa biodegradowalne. 

Pierwsze tworzywa sztuczne, które uważane były za biodegradowalne, pojawiły się na rynku około trzydziestu lat temu. Ich pojawienie się nie przyniosło natychmiastowego sukcesu, przede wszystkim ze względu na słabe świadectwo ich rzeczywistego rozkładu biologicznego, to znaczy cechy, która była przedstawiana jako ich największa zaleta. Rozwój naukowy i technologiczny w dziedzinie biodegradowalności oraz polimerów wykazał od tego czasu znaczny postęp i dzisiaj można już kupować w większych sklepach sprawdzone produkty z tworzyw ulegających biodegradacji. 

Naturalne "plastiki"

Biotworzywa pochodzące z odnawialnych zasobów stanowią nową generację tworzyw, która redukuje wpływ na środowisko, zarówno zużycia energii jak i wielkości emisji gazów cieplarnianych. Polimery naturalne (biopolimery) stanowią kluczowy komponent żyjących organizmów. Najczęściej spotykane naturalne polimery to polisacharydy (celuloza, skrobia, glikogen) oraz białka (gluten, kolagen, enzymy) a inne formy naturalnych polimerów to lignina, poliestry, itp...

Przyjrzyjmy się zatem z czego możemy dziś sobie zrobić "plastik"

Biotworzywa z konopi

W ostatnim czasie dość głośno jest o biotworzywach z konopi. Konopie rosną niezwykle szybko i zawierają 65-70% biomasy, czyli więcej niż potrzeba do przekształcenia ich w biotworzywa. Wchłania również ogromne ilości CO2 z atmosfery podczas wzrostu. A zatem, wliczając nawet emisję dwutlenku węgla podczas jej przetwarzania - bilans powinien wyjść na zero.

Kevin Tubbs, założyciel firmy Hemp Plastic Company, patrzy na świat widzi świat w "biodegradowalnych" barwach. Firma z siedzibą w Denver specjalizuje się w produkcji elastycznych pojemników z biotworzyw wytwarzanych z produktów ubocznych przetwarzania konopi siewnej.

- Uprawy konopi, dzięki którym zyskujemy jadalne nasiona i olej CBD, generują wiele odpadów. Zacząłem więc eksperymentować. W wyniku badań uznałem, że mogę zrobić z nich dwie rzeczy: materiał budowlany hempcrete (połączenie słów hemp i concrete czyli beton z konopi) albo po prostu plastik - powiada Tubbs.

Beton konopiany rzeczywiście powstał, jest to lekki lekki materiał budowlany będący mieszaniną łodyg konopi oraz spoiwa, używany do konstrukcji i izolacji. Sprzedawany pod nazwami handlowymi Hemcrete, Canobiote, Canosmose, i Isochanvre. Ma dobre cieplne i akustyczne właściwości izolacyjne. Uznawany za materiał odnawialny i ognioodporny. 

Tubbs postawił jednak na plastik. - Jakiego innego biotworzywa mógłbym użyć? – pyta Tubbs. - Konopia ma bardzo nietypowe właściwości jak na roślinę. Jest wyjątkowo wytrzymała, prawie tak mocna jak pajęcza sieć.

Już ojciec motoryzacji, Henry Ford był pod takim wrażeniem biotworzyw z konopi, że w 1941 roku zaprojektował samochód wykonany w sporej części z tego tworzywa (choć nigdy nie został wprowadzony do produkcji). Okazuje się, że Henry Ford chciał pomóc rolnikom w czasie Wielkiego Kryzysu. Wiedział, że samochody zawsze cieszą się coraz większą popularnością, a jeśli potrafiłby produkować plastikowe samochody z produktów rolnych, mógłby przynieść Amerykanom podwójne korzyści: auta z biotworzyw byłyby bardziej przystępne cenowo a ich produkcja pomogłaby przemysłowi rolniczemu. 

Gotowy prototyp został wystawiony w 1941 roku na festiwalu Dearborn Days w Dearborn w stanie Michigan.

Biotworzywa z jabłek i pomarańczy

Badaczka Veronika Bátori z uniwersytetu w Borås w zachodniej Szwecji uzyskała biotworzywa ze jabłek i pomarańczy.

Do swojego projektu, wykonanego w ramach pracy doktorskiej "Od odpadów owocowych do biomateriałów: Opracowanie folii i obiektów 3D w systemie gospodarki o obiegu zamkniętym” Bátori wybrała odpady jabłek i pomarańczy, ponieważ jak twierdzi badaczka, są one dość trudne w utylizacji. Zamiast tego można je wykorzystać do produkcji nowych produktów, przyczyniając się w ten sposób do zmniejszenia ilości odpadów w środowisku. Produkty uboczne przemysłu przetwórstwa spożywczego mają duży potencjał w produkcji różnych tworzyw sztucznych pochodzenia biologicznego i mogą być jednym z możliwych sposobów na złagodzenie dzisiejszych problemów związanych z zanieczyszczeniem środowiska, zauważa Bátori.

- Resztki jabłek i pomarańczy zawierają dużo wody i materii organicznej, a jeśli trafiają na wysypiska śmieci, powodują niekontrolowaną produkcję metanu. Są one również trudne do spalania ze względu na zawartość wody i nie za bardzo nadają się na paszę dla zwierząt z powodu wysokiego poziomu cukru i niskiego pH - wyjaśnia Bátori

Bátori przetestowała dwie metody. Pierwsza z nich przypomina produkcję folii metodą wylewania.

Badaczka wylewała roztwór polimerowy na niekleistą powierzchnię, na której roztwór wysychał tworząc cienką folię. Druga metoda to formowanie wytwarzanie obiektów za pomocą technologii druku 3D. 

Wytworzone przez Batori materiały miały różne cechy, w zależności od tego jaką metody użyła badaczka. - Folie z resztek pomarańczy były mocniejsze od folii z wytłoczyn jabłkowych, ale w ich strukturze były obecne małe dziurki. Aby uzyskać jednolitą powierzchnię, musieliśmy dodać substancję chemiczną o niskim stężeniu. Natomiast obiekty 3D z wytłoczyn jabłkowych były znacznie mocniejsze niż te z odpadów pomarańczowych. Jednak w obu przypadkach wydaje się, że odpady z jabłek są łatwiejsze w obróbce - opisuje efekty swojego eksperymentu Bátori. Badaczka dodaje również, że materiały te są dość smaczne.

Grzyby - "zielona" drukarka 3D

Materiały na bazie grzybni mogą stanowić obiecującą alternatywę, ponieważ są nie tylko lekkie, tanie i łatwe w produkcji, umożliwiają też recykling odpadów i mogą ulec biodegradacji w ciągu zaledwie trzech miesięcy.

Zespół studentów inżynierii środowiska politechniki w Lozannie opracował sposób uprawy biodegradowalnego materiału z grzybni. Jak twierdzą, ma on obiecujące właściwości i może zastąpić tworzywo sztuczne.

Nibytkanka składająca się nitkowatych strzępków może łączyć różne podłoża, takie jak zrębki drzewne, a otrzymana w ten sposób mieszanina może być formowana np. w cegły bądź panele. Ośmiu studentów EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) zbadało, w jaki sposób grzybnia - którą każdy może wyhodować samodzielnie - mogłaby potencjalnie zastąpić tworzywo sztuczne.

- Pomysł ten narodził się, gdy postanowiliśmy opracować oryginalną, innowacyjną alternatywę dla istniejących materiałów budowlanych - powiedział Gaël Packer, student EPFL zajmujący się inżynierią środowiska. 

- Współpracowaliśmy z kilkoma laboratoriami EPFL w celu przetestowania kluczowych właściwości materiału: izolacji termicznej, pochłaniania dźwięku, wytrzymałości na ściskanie oraz odporności na wodę i ogień - mówi Packer. Wyniki pokazały, że izolacyjność cieplna nowego materiału jest porównywalna z innymi materiałami izolacyjnymi, że z łatwością wytrzymuje ciężar ludzkiego ciała, pływa i jest wodoszczelny oraz jest dość ognioodporny. - Mimo że konieczne są dalsze testy, dotychczasowe wyniki są bardzo obiecujące i pokazują, że właściwości materiału są podobne do właściwości styropianu. Z pewnością możemy je jeszcze bardziej poprawić, doskonaląc np. skład mieszanki - mówi Packer.

Mango i wodorosty

W poszukiwaniu alternatyw dla tworzyw sztucznych, Denxibel Montinola - naukowiec z Filipin opracował biomateriał na bazie pektyny i karagenu, polisacharydów pochodzących z łupin mango i wodorostów morskich.

Montinola użył skórki z mango i wodorostów morskich ze względu na ich obfitość w kraju - znajdują się one w pierwszej dziesiątce towarów eksportowanych przez Filipiny. Jak twierdzi naukowiec, jego materiał jest nie tylko przyjazny dla środowiska, ale pod pewnymi względami lepszy od tworzyw sztucznych. Na przykład, całkowicie rozpuszcza się w wodzie i nie rozkłada się na małe cząsteczki. Z tego powodu nie stanowi on zagrożenia dla organizmów morskich.

Badacz jest przekonany, że jego materiał może rozwiązać problem mikroplastików. Są to drobiny plastiku o wielkości poniżej 5 mm. Obecne znajdowane są one nawet w miejscach, w których nigdy nie mieszkali ludzie.

Zdaniem badacza, nowy materiał jest na tyle mocny i elastyczny, że może być używany również do produkcji opatrunków.

Bakterie też produkują plastik

Niektóre bakterie w warunkach stresu zaczynają produkować... plastik. Takie tworzywo - wcale nie sztuczne - w miarę szybko rozkłada się w środowisku a na dodatek jest biozgodne. Można więc wykorzystać je do produkcji opatrunków czy pokrywać nim implanty.

- Badam bioplastik produkowany przez bakterie - mówił w 2018 r. w rozmowie z PAP mikrobiolog dr Maciej Guzik z Instytutu Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN w Krakowie.

Wyjaśnia, że znamy już ponad 150 gatunków bakterii, które w warunkach stresu wytwarzają polimer przypominający plastik.

- Tak jak misie na zimę odkładają tłuszcz, tak te bakterie, kiedy nadchodzą trudne czasy, odkładają bioplastik. To są dla nich zapasy węgla i energii - mówi dr Guzik. - Kiedy popatrzymy na taką bakterię pod mikroskopem, widzimy w jej wnętrzu perełki. To jest właśnie bioplastik. Takie granulki mogą stanowić nawet 90 proc. masy bakterii - dodaje mikrobiolog.

Plastik z bakterii jest biodegradowalny. W środowisku naturalnym szybko się więc rozkłada. - Jeśli nasz bioplastik trafi na kompost, gdzie jest wilgoć i ciepło, zostanie rozłożony na dwutlenek węgla i wodę już po trzech miesiącach. Jego kolejną supercechą jest biozgodność - opisuje dr Guzik.

Dr Guzik chce używać biopolimerów w zastosowaniach medycznych. Materiał świetnie spisze się w opatrunkach, które przyspieszałyby proces gojenia. Chodzi zwłaszcza o leczenie rozległych ran. Z polimerowej siateczki - czy też pianki - zrobiona byłaby tylko dolna część opatrunku przylegająca do rany. Ta część opatrunku nie musiałaby być zmieniana. 

A może z włosów?

Skoro jesteśmy już przy zastosowaniach biomedycznych, wypadałoby wspomnieć biomateriałach na bazie keratyny (włosy ludzkie, wełna), które stały się w tej dziedzinie obiecującym kandydatem ze względu na ich dostępność, biozgodność i biodegradowalność.

Biomateriały te sprzyjają adhezji i proliferacji komórek, nie wywołują reakcji zapalnej po implantacji (biokompatybilność). Stwierdzono, że różne typy keratyn mogą zawierać w sekwencji aminokwasowej peptydy adhezyjne. Obecność tych sekwencji umożliwia interakcje pomiędzy komórką a powierzchnią biomateriału oraz uruchamia ścieżki sygnałowe zapoczątkowujące regenerację tkanek.

Biomateriały na bazie keratyny są coraz częściej stosowane jako opatrunki zarówno w modelach zwierzęcych jak i u ludzi. Zastosowane opatrunki cechują się niewielką immunogennością oraz przyspieszają proces gojenia. W 2013 roku na rynku pojawiły się opatrunki na bazie białek keratynowych (Keraplast Technologies) wyizolowanych z wełny nowozelandzkich owiec. Opatrunki te zostały dopuszczone do użytku w USA, Unii Europejskiej, Australii i Nowej Zelandii.

Plastikowy raj

W artykule "Production, use, and fate of all plastics ever made", opublikowanym w 2017 r. w czasopiśmie Science Advances, badacze przedstawili dane dotyczące produkcji tworzyw sztucznych z 65 lat - od 1950 do 2015 roku. Według nich ludzkość w tym czasie wyprodukowała aż 8,3 miliarda ton tworzyw, czego skutkiem było wygenerowanie około 6,3 mld ton odpadów z tworzyw sztucznych. Około 9% tych odpadów poddano recyklingowi, 12% spalono, a 79% zgromadzono na składowiskach odpadów lub w środowisku naturalnym. Naukowcy przewidują, że przy utrzymaniu obecnych trendy w produkcji i gospodarce odpadami do 2050 r. około 12 mld ton odpadów z tworzyw sztucznych znajdzie się na składowiskach odpadów lub w środowisku naturalnym.

Naprzeciw tym liczbom stają nasze nawyki a przede wszystkim wygoda. Łatwość przetwarzania, dostępność i przede wszystkim cena powodują, że możemy co najwyżej ponarzekać na kubki i foliowe torby walające się po plażach ale nikt przy zdrowych zmysłach nie zrezygnuje z tworzyw. Tym bardziej, że oprócz znienawidzonej reklamówki przemysł przetwórczy oferuje nam nowoczesne, innowacyjne materiały polimerowe, których roli w życiu każdego z nas nie sposób przecenić.

Kompozyty obniżające wagę samochodu i pomagające rozwijać elektromobilność, dzięki czemu możemy ograniczać emisję spalin, wspomniane już tworzywa obecne w medycynie czy np. rury z tworzyw termoplastycznych, dzięki którym można łatwiej i taniej zapewnić dostęp do wody pitnej - powodują, że świat od tworzyw sztucznych się nie odwróci.

Naukowcy z Królewskiego Instytutu Technologicznego w Sztokholmie stworzyli przezroczyste drewno, nadające się do produkcji paneli słonecznych. Transparentne drewno jest biodegradowalne i przyjazne środowisku. Tworzywo pochodzi z naturalnych źródeł i nie sprawia problemów podczas utylizacji. 

Biotworzywa nie są cudownym rozwiązaniem kwestii "plastiku". Ale mogą nam pomóc ten nasz raj utrzymać przy życiu przy zachowaniu jego dotychczasowych standardów i korzyści jakie niosą materiały polimerowe. Jesteśmy dopiero na początku przygody z biotworzywami, nie są one jeszcze rozpowszechnione, będą sprawiać problemy w sortowaniu i recyklingu, zdarzają się też ślepe uliczki.

Pamiętacie torby "przyjazne środowisku" lub "przyjazne naturze"? Takie, w których dodatki degradujące powodowały, iż materiał torby ulegał szybszemu rozkładowi niż podobna torba z tworzywa sztucznego. Bardzo szybko okazało się, że ulegały fragmentacji, ale nie rozkładowi na resztki organiczne, powodując większe zagrożenie dla środowiska niż powiewająca na gałęzi reklamówka. Ekologia to od kilku lat nośny temat, więc nie ma się co dziwić, że na tej fali każdy będzie chciał zarobić.

 - Konsumujemy a konsumpcja to produkcja odpadów. Konsumujemy zużywając zasoby, a więc zużywamy zasoby aby produkować odpady - powiedział kiedyś Wacław Wasiak, dyrektor Polskiej Izby Opakowań, używając obrazowego sformułowania, które zapadło mi w pamięć.

Pracujmy zatem nad rozwojem tworzyw z surowców odnawialnych, w myśl biblijnego "z prochu powstałeś w proch się obrócisz".

PS. Nie zostawiajmy "plastików" innym plażowiczom. Nie potrzebują ich. Mają swoje.

Jacek Leszczyński