Синтез, властивості, області застосування руйнуються біопластиком на основі молочної кислоти

Лідером за обсягами випуску серед руйнуються біопластиком до теперішнього часу залишався полілактид (полімер молочної кислоти). Цей пластик може бути отриманий синтетичним способом і ферментативним бродінням цукровмісних субстратів. У промисловості молочну кислоту отримують гідролізом 2-хлорпропіоновой кислоти і її солей (100 ° C) або лактонітріла CH3CH (OH) CN (100 ° C, H2SO4) з подальшим утворенням ефірів, виділення і гідроліз яких призводить до продукту високої якості.

Відомі інші способи отримання молочної кислоти: це окислення пропілену оксидами азоту (15-20 ° C) з подальшою обробкою H2SO4- взаємодія CH3CHO з СО (200 ° C, 20 МПа). Полілактид отримують полімеризацією оптично активного лактид в розчині при 100-150 ° C або в масі при 140-200 С.

Отримують лактид також біотехнологічним способом, ферментативним бродінням глюкози цукру або мальтози, сусла зерна або картоплі (рис. 5.7). Далі лактид піддають полімеризації. Для додання ПМК термостійкості і підвищення механічних властивостей, як правило, отримують сополімери Полілактид з полігліколід.


За даними дослідницької компанії Pira, в 2007 році частка полілактиду в загальному обсязі виробництва всіх біодеградірующіх пластиків склала 43%. Сфери застосування полілактиду вельми широкі. З Полілактид виробляють широкий асортимент: одноразовий посуд, обгортку для цукерок, плівкові матеріали, упаковку типу блистерной, продукцію зі спіненого матеріалу (табл. 5.1). Плівкові матеріали з біопластиком використовують для мульчування, так як вони тут же в грунті і перегниває.

Упаковка з полілактиду повністю руйнується за 45 днів в умовах промислового компостінга при дотриманні ряду вимог (температура не менше 60 ° С, певний рівень вологості, наявність бактерій та ін.). У природному середовищі процес деградації триватиме довше, причому упаковка може зруйнуватися в повному обсязі. Властивості ПЛ представлені в табл. 5.2.



Фірмою «Cargill» освоєно виробництво полілактиду ферментацією глюкози кукурудзи потужністю до 6 тис. Т на рік. У перспективі фірма планує розширити виробництво до 50-150 тис. Т і знизити вартість полілактиду з 250 до 2,2 дол. за кг. Варто відзначити, що з усіх представлених проектів, як вважають аналітики, найбільш успішним на даний час є проект, розроблений Cargill Dow, спільним підприємством, створеним двома компаніями: сільськогосподарської корпорацією Cargill Corporation і одним з лідерів у виробництві хімічних продуктів компанією Dow Chemical. Cargill Dow є провідним підприємством у виробництві полімолочной кислоти - полімеру, що виготовляється з поновлюваних сільськогосподарських ресурсів: зернових і цукрових буряків.

В його основі лежить рослинний цукор. Розроблений Cargill Dow полімер має гарну прозорістю, міцністю, вологостійкістю і так само, як і ПЕТ, не пропускає запахи. Можлива сфера застосування - це різні пакувальні плівки, жорсткі контейнери і навіть покриття. Фахівці компанії стверджують, що упаковка з ПЛ-полімеру здатна повністю розкладатися протягом сорока п`яти діб за умови створення відповідної структури компостування.

За твердженням представників Cargill Dow, розроблена ними технологія пропонує вдосконалений контроль структури полімерів. Перевага даної технології полягає в можливості використовувати в якості сировини найрізноманітніші сільськогосподарські сахаросодержащие культури, які ростуть в тих чи інших регіонах світу. В Європі можна використовувати пшеницю або буряк, в Америці - кукурудзу або боби. Завдяки цій технології використовуються практично будь-які сільськогосподарські культури, що містять натуральний цукор.

Незважаючи на всі перераховані достоїнства полілактиду, широке впровадження його як полімеру побутового та технічного призначення до останнього часу стримується низькою продуктивністю технологічних ліній і, як наслідок, високою вартістю продукції. Однак на відміну від багатьох своїх конкурентів, біополімери від компанії Cargill Dow сформували досить відчутний комерційний успіх. Ряд європейських і американських компаній вже оголосили про можливість використання нових полімерних матеріалів, в тому числі для виробництва різних видів упаковки.

Говорячи про біоупаковке, створюваної з біопластика, варто ще зазначити, що існують і розробляються ідеї виробництва не просто одноразової біоупаковкі, а харчової упаковки, що містить особливі, що вбивають патогени бактерії. Полілактид застосовують для виробництва як одноразового посуду, так і різноманітної упаковки, оскільки він не шкідливий для здоров`я людини. Такі процеси активно освоює велика японська корпорація Ajinomoto- молочну кислоту отримують зброджуванням сировини на основі пшениці, такий біопластик ідеально підходить для виготовлення гнучких пакувальних матеріалів. Експерти Biodegradable Plastics Society вважають, що цей біопластик отримає подальший розвиток на ринку полімерних матеріалів Азії.

Однак ПМК поступаються звичайним полімерних матеріалів по теплостійкості, тому упаковка з цього матеріалу не може бути заповнена вмістом з температурою 50 ° С і вище, так як вона починає деформуватися. Крім того, бар`єрні характеристики ПМК по відношенню до кисню гірше (нижче в 10 разів), ніж у поліетилентерефталату (ПЕТ), поліпропілену, полівінілхлориду (ПВХ). Тому тара з ПМК найчастіше використовується для упаковки сухих і деяких заморожених продуктів, а також рідин з невеликим терміном зберігання. Високий коефіцієнт дифузії СО2 не дозволяє застосовувати пляшки з ПМК для розливу газованих напоїв і обмежує області їх використання розливом молока, фруктових соків, води, рослинного масла.

Сьогодні ще рано говорити про масове споживання біоразлагающейся полімерів - поки вони використовуються обмежено, проте масштаби їх виробництва і способи поліпшення технологічних властивостей постійно удосконалюються. Так, нещодавно в Японії на основі ПЛ розробили біополімер, здатний витримувати нагрівання до 300 ° С і вище.

Описано пластики, отримані з відновлюваної сировини, для руйнування яких не потрібен промисловий компостінг - досить впливу води або сонячного світла. Канадська компанія Cascades створила нову полістирольну упаковку Bioxo на основі TDPA-добавок (Totally Degradable Plastic Additives). Цей пакувальний матеріал повністю руйнується протягом трьох років на звичайній звалищі - необхідно лише наявність кисню, ультрафіолетового випромінювання і випадкового механічного впливу.

Фірма NNZ виробляє пакувальну плівку для букетів, яку можна закопати в саду, і вона не тільки «самоусунутися», а й удобрить грунт. Літом 2007 р бразильська фірма Braskem оголосила про швидку комерціалізації технології виробництва поліетилену з етанолу на основі цукрового очерету. За словами представників фірми, інноваційний матеріал не просто схожий на традиційні синтетичні пластмаси - він ідентичний їм. До 2009 р Braskem планує побудувати завод з виробництва біополіетілена потужністю 200 тис. Т в рік.

Основним промисловим виробником Полілактид сьогодні є підприємство NatureWorks (їм володіє компанія Cagrill), що має завод біополімерів в штаті Небраска (США). Це виробництво експлуатується лише на 50% від заявленої річний потужності в 140 тис. Т (саме про такий показник йшлося на відкритті підприємства в 2003 р). Використовується тільки одна з двох виробничих ліній, а для запуску другої необхідні додаткові інвестиції. Їх забезпечить японська фірма Teijin, яка придбала у компанії Cagrill половину акцій NatureWorks.

Запуск другої лінії і перехід на повну потужність (можливо, навіть її перевищення) заплановані на кінець 2008 - початок 2009 р NatureWorks - далеко не єдиний гравець, який налаштований розширити присутність на ринку.
Компанія Cereplast, що спеціалізується на виробництві пластичних мас з рослинної сировини, оголосила, що в 2008 р в американському штаті Індіана запрацює її новий завод потужністю 225 тис. Т в рік.

Спочатку в обмежених обсягах, а на початок 2010 р підприємство вийде на повну потужність і, якщо все складеться за планом, стане найбільшим в світі по виробництву біопластмаси. Департамент біотехнологій японської корпорації Toyota розробив дослідний завод продуктивністю 1 тис. Т ПЛ на рік. Експерти компанії очікують, що до 2020 р виробництво біодеградірующіх пластиків перетвориться в глобальний бізнес вартістю 38 млрд дол., І вирішили своєчасно зайняти «місце під сонцем». Промислове підприємство Hucail в Нідерландах завершує роботу з будівництва заводу, де щорічно буде виготовлятися не менше 50 тис. Т полілактиду.

У США сільськогосподарський концерн ADM спільно з компанією Metabolix планує побудувати виробничий комплекс з виготовлення рослинного поліестеру PHA потужністю 50 тис. Т. Procter&Gamble Chemicals теж має намір запустити в Європі виробництво ферментативного PHA. У Китаї вже функціонує завод з виробництва ПЛ, ним керує компанія Tianan. Бельгійський концерн Solvay заявив про намір інвестувати у виробництво полівінілхлориду (ПВХ) з біоетанолу (відновлюваної сировини на основі цукрового очерету) з річною продуктивністю в 60 тис. Т. Згідно з проектом, будівництво виробничого комплексу має бути завершено до 2010 р

Н.А. Воїнів, Т.Г. Волова