Технологии

Стратегия биопластиков

Движущие силы биопластиков
Спрос на биопластики определяется целым рядом социальных и экономических факторов.

Движущие силы рынка биопластиков

Рекордно высокие цены на нефть и природный газ, которые служат основной многих потребительских продуктов, вдохнули новую жизнь в инициативы по производству пластмасс из возобновляемых ресурсов. В прошлом главным препятствием для использования альтернативных пластиков была их высокая стоимость (и невысокая эффективность по свойствам) по сравнению с пластмассами, полученными на основе нефти. Но из-за взлета цен на нефть альтернативные пластики оказались сравнительно дешевле. Дороговизна нефти также стимулирует заинтересованность в новых исследованиях для совершенствования технологий таких альтернативных материалов.
Соевые бобы и зерно - две самых больших группы зерновых культур, служащих источником биомассы для пластиков, распространены по всему миру и выращиваются на всех континентах, кроме Антарктиды. Второе место в мире по производству зерна и четвертое – по производству сои занимает Китай. Использование биомассы в изготовлении пластмасс поддерживает экономику сельских общин. Соевые бобы и зерно – две важнейшие зерновые культуры в экономике США, которые являются основным источником дохода для сельскохозяйственных предприятий.
Выполнение обязательств Киотского протокола должно заострить внимание на сравнительной эффективности биополимеров и синтетических полимеров с точки зрения энергетических затрат и выбросов CO2. По условиям Киотского протокола Европейское Сообщество обязуется за период 2008-2012 г.г. снизить поступление парниковых газов в атмосферу по сравнению с уровнем 1990 г. на 8%, а Япония обязуется сократить такие выбросы на 6%. В разделе III «Закона о научных исследованиях и разработках биомассы» 2000 г. содержится указание на то, что превращение биомассы в промышленные продукты на биооснове может потенциально принести огромную пользу национальным интересам. Законом санкционируется финансирование и учреждается технический консультационный комитет/совет в целях осуществления координации деятельности, связанной с продуктами на биологической основе и биоэнергией.
В перспективе жизненного цикла биоразлагаемые полимеры обладают значительными возможностями для извлечения прибыли, отвлекая отходы с мусорных свалок, куда сегодня свозится около 80% пластиковых отходов, на производство полностью возобновляемых ресурсов в форме энергии или удобрений, которые в дальнейшем также могут быть переработаны в земле и промышленных установках, закрывая тем самым углеродный цикл. По данным европейский исследований, полимеры на основе крахмала обеспечивают экономию энергии и выбросов от 12 до 40 Дж на тонну пластика и 0,8-3,2 тонны выбросов CO2 на каждую тонну пластика в сравнении с одной тонной полиэтилена, полученного из органического топлива. В отношении альтернативных пластиков на основе масляных зерен, экономия выбросов парниковых газов в эквиваленте CO2 оценивается в размере 1,5 тонн на тонну полиола, изготовленного из рапсового масла. Национальный институт стандартов (NIST) недавно завершил работу по изучению материально-производственных запасов жизненного цикла двух новых соевых полиолов (одного из основных компонентов главной цепи полиуретановых полимеров). Полиолы на соевой основе проявили лишь четвертую часть экологического эффекта, который оказывают полиолы на основе нефти. Было зарегистрировано значительное снижение уровня глобального потепления, образования смога, экологической токсичности и сокращение органического топлива.
Многие корпорации пришли к выводу о том, что определение задач корпоративной экологической ответственности полностью соответствует интересам акционеров. Они включили в список своих корпоративных целей необходимость разрабатывать надежное и безопасное сырье и, таким образом, стали активными сторонниками инициативы применения биопродуктов.
Нормативные и законодательные акты представляют собой существенный побудительный мотив для внедрения биопластиков. В Европе и Японии принятое законодательство особым образом сказалось на автомобильном и упаковочном секторе. Примерами таких законодательных стимулов являются Директива 94/62/EC «Об упаковках и упаковочных отходах» и Директива 2000/53/EC «О транспортных средствах с выработанным ресурсом». Кроме того, Раздел 9002 «Закона об охране фермерских хозяйств и капиталовложениях в сельское хозяйство» (2002 г., США) предусматривает преимущество продуктов на биологической основе при государственной закупке.
В конечном итоге, в то время как цены на нефть, сокращающиеся нефтяные запасы, эффект биоразлагаемости/общего жизненного цикла возобновляемых ресурсов и применение законодательных актов являются основными движущими силами применения биополимеров, ключевыми факторами, определяющими фактическое применение биоразлагаемых полимеров и материалов, из которых они производятся, являются пригодность их материальных свойств для процессов преобразования, техническая осуществимость возможностей переработки, разнообразие применений и, наконец, рентабельность производства и переработки.

Корпоративные биопластики: общие сведения
Большое количество компаний, особенно в Западной Европе, США, Японии и Китае, занимаются активным производством биоразлагаемых пластиков либо позиционируют себя как таковые. Многие из них производят не более 6000 тонн продукции в год и добиваются успеха за счет дифференциации продукции и маркетинговой стратегии. Из 80 организаций, производящих в различных странах биоразлагаемые пластики или их смеси, около 8% компаний занимаются производством пластиков на основе РНА в промышленном масштабе, и около 20% компаний, перечисленных в этом списке, производят пластмассовые материалы на основе PLA. Более 30% из них выпускают биоразлагаемые пластики на основе крахмала или смеси, где крахмал является значимой составляющей. В 2002 году во всем мире было зарегистрировано 47 производителей биопластичных смол, при этом производственные объемы только двух из них превышали 40000 тонн в год и шесть компаний преодолели рубеж в 10000 тонн в год. Один из заводов NatureWorks с производительностью 140000 тонн в год в 2002 г. составлял 40% мировых промышленных объемов.
Полимеры биопластиков производятся по одной из следующих технологий:
- Прямое производство микроорганизмами или генетически модифицированными зерновыми культурами, например, полиоксиалканаты.
- Мономеры на биооснове, получаемые в результате ферментации с последующей полимеризацией, например, полимолочная кислота.
- Природные полимеры, химически модифицированные, но сохранившие основу биомассы, например, целлюлозный полимер.
- Переработанное сырье, производящее биомассу, которая впоследствии полимеризуется нефтепродуктами, например, полиуретаны, ненасыщенные полиэфиры.

Основные игроки на рынке биопластиков
Самыми значимыми именами в категории высокотехнологических биоразлагаемых пластиков PHA/PHB являются Metabolix, Mitsubishi Inc, Kaneka и Biomer. Недавно Procter & Gamble и Kaneka объявили о заключении двухстороннего соглашения на проведение научных исследований и разработок в целях коммерциализации NODAX H, известного в химии как PHBH или поли-3-гидроксибутират-со-3-гидроксигексаноат.
На рынке пластиков на основе PLA лидирующую позицию занимает компания NatureWorks LLC с производственной мощностью 140000 тонн в год и планами дальнейшего значительного расширения. Компании Shimadzu Corp. (Япония), Mitsui Chemicals (Япония), P.T. Toyota Bio (Индонезия) также занимаются производством PLA (Toyota Eco Plastic), который используется в автомобильной промышленности.
Из производимых пластиков на основе крахмала на мировых рынках доминирует Mater-Bi (получаемый, в основном, из зерна или картофельного крахмала) производства итальянской компании Novamont, он же является лидером мировых продаж биопластиков. Mater-Bi пригоден для изготовления деталей литьем под давлением, пленок (для пакетов) и сыпучего упаковочного материала на основе крахмала. Компания Rodenburg Biopolymers (Нидерланды) производит 'Solanyl' (из картофельных очистков). Solanyl в основном используется в изготовлении тепличных горшочков для рассады 'Grow and Go' и других садоводческих примененях. Biotec (Германия) производит Bioplast, пригодный для литья под давлением, экструзии листовой пленки и пленки с раздувом. National Starch and Chemical Co. лицензирует/производит Ecofoam, а Avebe (Нидерланды), компания, производящая крахмал на основе картофеля, изготавливает Paragon.
На рынке новых биоразлагаемых полимеров можно отметить компанию Bioplastics Inc, производящую сополимерные смолы поликапролактон-крахмал для биоразлагаемых пакетов для покупок. Технология была разработана SINAS (Институт нестандартного применения кархмала) в Мичиганском государственном университете и получила семь патентных свидетельств.

Глобальные технологические решения (Северная Америка, Европа, Азия)
 

Биоразлагаемые бутылки для воды, формованные с раздувом
Компания Biota Brands of America, Inc. (США) осуществляет поставки родниковой воды высшего качества, разлитой в бутылки, которые первыми в мировой практике были отлиты из полимолочной кислоты (PLA) производства компании NatureWorks LLC (США). Эта уникальная поддающаяся биологическому распаду бутылка одобрена и сертифицирована как таковая для промышленного применения Институтом биоразлагаемых продуктов. Результаты испытаний показали, что бутылка для воды Biota полностью разлагается в течение 75-80 дней в условиях промышленного компостирования. Стандартные пластиковые бутылки не поддаются биологическому распаду. Запущенный в эксплуатацию в прошлом году новый завод безалкогольных напитков Biota получает преформы PLA, отлитые в Солт Лейк Сити компанией Planet Friendly Products, которая была основана как стратегический союз между Biota и литейной компанией.

Бутылка PLA, формованная с раздувом

Преформы производятся литьевым прессованием из смолы PLA на литьевом комплексе Husky HyPET 120 на 24 гнезда пресс-формы. В настоящее время производятся бутылки трех размеров: 12-oz Stubby, ½-L и 1-L. По сравнению с PET, температуры формования являются более низкими, при этом контейнеры или преформы PLA не требуют специальной обработки. Для формования бутылок применяется выдувная машина для литья под давлением/ориентированного формования с раздувом SIG BloMax Series III на 10 гнезд, имеющая возможность расширения на 12 гнезд. Выдувная машина эксплуатируется в комплексе с наполнителем. Не имея полной уверенности в том, что их машины справятся с PLA, компании Husky и SIG заранее решили, что это возможно без каких-либо модификаций.

Гофрированная упаковка, поддающаяся биохимическому распаду
Wave – это листовой пенопласт, изготовленный из биопластика Mater-Bi производства компании Novamont (Италия). Этот гофрированный пенопласт с закрытыми порами, обладающий прекрасной ударостойкостью, может защищать объекты любой формы и размера. Его свойства аналогичны свойствам традиционных упаковочных продуктов, а после использования он может утилизироваться путем компостирования вместе с пищевыми отходами или на водоочистных установках для осадков сточных вод. Wave Mater-Bi представляется собой инновационную фирменную технологию, позволяющую осуществлять промышленное производство пенопластов на основе крахмала, обладающих устойчивой, эластичной структурой с закрытыми порами. Пенопласт производится в листах и планках различных размеров плотностью от 30 до 400 кг/м³.

Лабораторные испытания, проведенные компанией Novamont показали, что листовой пенопласт Mater-Bi обладает свойствами поглощения механического удара/амортизации, сопоставимыми с аналогичными свойствами полиэтиленовых пенопластов, хорошей стойкостью к деформации, даже при высокой относительной влажности, и высокой производственной гибкостью, учитывая, что его можно конвертировать в готовую упаковку без применения стандартных для полиэтиленового пенопласта технологий. Wave Mater-Bi еще больше расширяет возможности применения упаковочных технологий компании Novamont, включающие рыхлые наполнители, термоформованные коробки, экструдированные сетки и ткани, прозрачные пленки для пищевых и непищевых продуктов.

Первый в мире биоразлагаемый компакт-диск
Компания Sanyo Mavic Media Co Ltd. (Япония), дочернее предприятие Sanyo Electric Co, Ltd, вывела на рынок первый в мире биоразлагаемый компакт-диск на основе полимолочной кислоты (PLA). Футляр и упаковка диска изготовлены из того же материала. Новые диски, совместно разработанные компаниями Mitsui Chemicals Inc. (Япония) и Sanyo Mavic Media, реализуемые под торговой маркой MildDisc, практически ничем не отличаются от традиционных дисков, сделанных их поликарбоната, и не уступают им по качеству звука или изображения.

По общей оценке, мировой спрос на диски с учетом объема производства и утилизации более 10 миллиардов дисков из традиционного поликарбоната значительно увеличивает нагрузку на глобальную окружающую среду. Помимо возможности биоразложения, MildDisc производится из возобновляемых ресурсов. Целевым сегментом Sanyo Electric являются крупные потребители, производящие диски с записями, такие как музыкальные CD, видео CD или программные CD-Rom. Хотя изначально компания специализировалась на записанных дисках, в настоящее время она рассматривает возможности производства компакт-дисков MildDisc для записи и перезаписи. Также в будущем планируется начать выпуск DVD по той же технологии.

Биоразлагаемые панели для сельскохозяйственных комбайнов
Компания John Deere Harvester Works (США) включила возобновляемые ресурсы в состав композитных материалов RIM и SMC, которые используются для декоративных панелей на всех уборочных комбайнах компании. Конструкционный пенопласт HarvestForm RIM (реактивное литье под давлением) и HarvestForm SMC (листовой формовочный материал) используются как альтернатива материалам RIM и SMC на основе нефтепродуктов. В составе материалов HarvestForm RIM часть полимеров на основе нефти заменяется полимерами на основе соевых бобов. Аналогичным образом, часть полимеров на основе нефти HarvestForm SMC заменяется полимерами на основе соевых бобов/зерна.

Предприятие Bayer MaterialScience LLC (США – Германия) производит поставки смеси из 80% полиола на основе нефти и 20% USSC (США) Solyol на основе соевых бобов. Такое соотношение полиолов на основе нефти и соевых бобов выбрано для того, чтобы постепенно корректировать физические свойства, увеличивая содержание соевых бобов по мере развития технологий. G.I.Plastek (США), компания, предоставляющая полный комплекс изготовления пластмассовых деталей и компонентов на заказ, в сотрудничестве с John Deere и Bayer Corporation осуществляет формование деталей из конструкционного пенопласта RIM для комбайнов John Deere Harvester Combine. Линия John Deere Harvester Works, реализуемая под торговой маркой HarvestForm, сочетает все качества новых декоративных панелей. Такие панели в любых комбинациях применяются на крыше кабины, задней стенке и задней дверце комбайнов STS. John Deere стала стимулом для других компаний для внедрения в производство композитных материалов, изготовленных из возобновляемых ресурсов. В настоящее время HarvestForm RIM также используется на оборудовании, производимом другими сельскохозяйственными предприятиями.

Новейшие биоразлагаемые медицинские импланты
Inion (Финляндия –США), быстроразвивающееся предприятие по разработке новых биоразлагаемых медицинских имплантатов, недавно получила разрешение FDA 510(k) на использование своей разработки Trinion Meniscus Screw при восстановлении функций коленного хряща. Винты Trinion применяются для фиксации продольных вертикальных повреждений мениска в местах разрыва коленного хряща. Данное разрешение позволяет осуществлять реализацию винтов Trinion на территории США в дополнение к уже предложенному биоразлагаемому винту Hexalon для лечения крестообразных связок. Inion занимает лидирующую позицию на рынке биоразлагаемых имплантатов благодаря фирменному семейству биоматериалов Optima, которые производятся путем смешивания жестких и эластичных полимерных компонентов для создания имплантатов оптимальной прочности, пластичности и разлагаемости в соответствии с особыми клиническими требованиями. Тщательно подобранная полимерная смесь полимеров обеспечивает разложение винта Trinion путем естественного метаболизма на углекислый газ и воду. В продукции Inion используется сочетание четырех полимеров – триметилен карбоната (ТМС), L-полимолочной кислоты (LPLA), D,L-полимолочной кислоты (DLPLA) и полигликольной кислоты (PGA). Научные сотрудники Inion смешивают эти известные биосовместимые полимеры для разработки и производства целого ассортимента продуктов различной прочности и степени разлагаемости, которые могут быть изготовлены по заказу для использования в различных хирургических операциях. Наибольшей жесткостью и прочностью из этих биоразлагаемых полимеров обладают гомополимеры высококристаллической LPLA и PGA.

LPLA представляет собой медленно разлагаемый гидрофобный полимер, для полного биологического разложение которого требуется 24 месяца, в то время как PGA обладает большей гидрофильностью и разлагается быстрее – в течение 6-12 месяцев. Путем совмещения (сополимеризации) мономеров LPLA и PGA в различных пропорциях Inion удалось расширить диапазон свойств полимера. Добваление DLPLA, которая полностью разлагается в течение 12-16 месяцев, также оказывает воздействие на биоразлагаемость. Свойства могут корректироваться также путем добавления TMC в главную цепь полимера. Наличие ТМС оказывает сильное воздействие на гибкость (эластичность) конечного продукта и облегчает его использование хирургами. Inion разработала и выпустила продукцию в четырех ключевых областях бизнеса (челюстно-лицевая хирургия, ортопедическая травматология, спортивная медицина и стоматологическая хирургия) в 35 странах по всему миру. Первая заявка на патент была подана в мае 2001 года. С тех пор Inion получила еще четыре патента. В настоящее время на рассмотрении находятся еще 34 заявки, из которых 16 являются приоритетными.

Дон Росато
http://www.omnexus.com