Bioplasticele si Mediul

TENDINŢE ÎN OBŢINEREA MATERIALELOR PLASTICE

DIN SURSE REGENERABILE

TRENDS IN PLASTICS OBTAINING

FROM RENEWABLE RESOURCES

Abstract: Bioplastics, industry and agriculture are close conected. On a side renewable resources from agriculture are basic feedstock for bioplastics manufacturing. On the other side, products made from bioplastc materials have a large aplicability in agriculture and, as packaging, in food industrie. After the bioplastics fulfill their mean and become residues, the cicle is closed by using them as compost for fertiliser anda soil  improve in agriculture.

This interdependence lied, when about 50 million hectares in EU are not needed for food production, to new oportunities for agriculture.

Key words: bioplastics, implications, opportunities, industry, agriculture.

Generalitati 

      În ultima jumătate de secol produsele din materiale plastice sintetice au devenit componente ale vieţii zilnice care, pe lângă avantajele pe care le au, crează mari probleme în lumea intreagă, pe de o parte datorită impactului negativ pe care il au asupra mediului şi, pe de altă parte, datorită consumului ridicat de ţiţei, o resursă mereu deficitară şi scumpă, necesar producerii lor. Ponderea  deşeurilor din materiale plastice sintetice în volumul total al deşeurilor a crescut considerabil şi este în continuă creştere. Aceste produse au un timp necesar pentru degradare de cca. 20 de ani la paharele din plastic utilizate la maşinile automate pentru băuturi alimentare, de cca. 100 de ani pentru sticlele din PET şi de cca. 500 de ani pentru produsele realizate din spumă de plistiren (polistiren expandat). Deşi se urmăreşte reciclarea acestora, preţul ridicat al acestei reciclări şi piaţa limitată pentru produsele obţinute din reciclare fac ca cca. 75% dintre ambalajele din plastic să fie depozitate pe terenuri special amenajate sau, cum se întâmplă la noi, de cele mai multe ori haotic, pe terenurile agricole din jurul localităţilor.

Soluţia viabilă pentru rezolvarea acestei probleme de poluare a mediului, o constituie bioplasticele, care sunt materiale biodegradabile obţinute din materii prime regenerabile, de tipul polimerilor biodegradabili, provenite din resurse agricole.

Anual se produc, pe plan mondial, prin fotosinteză, 60 bilioane de tone de materiale organice care sunt apoi fie recoltate si procesate, pentru a fi utilizate în diverse domenii, fie se descompun prin degradare microbiană în elementele lor de bază: CO₂, H₂O şi biomasă în cadrul unui ciclu global fără a crea probleme de mediu şi fără a necesita costuri ridicate.

 

Bioplasticele au început să fie recunoscute ca o inventie pozitivă şi importantă a industriei chimice şi a maselor plastice, oferind numeroase şi variate oportunităţi. Noua categorie de bioplastice şi plastice biodegradabile prezintă un real interes pentru aproape toate sectoarele societăţii şi industriei.

Caracterizarea materialelor bioplastice

Bioplasticele nu formează o singură clasă de polimeri ci mai curând o familie de produse cu proprietăţi foarte apropiate. O definiţie general recunoscută a acestui concept nu există. Comisia Europeană a Bioplasticelor, ca şi alte asociaţii, definesc materialele bioplastice în două feluri diferite:

- materiale plastice care au la bază materiale regenerabile;

- polimeri biodegradabili care întrunesc criteriile ştiinţifice şi normele recunoscute pentru biodegrabilitate si compostabilitate a materialelor plastice şi produselor din plastic. În Europa aceste norme se găsesc in EN 13432.

În ambele clase, în producţia de polimeri este folosit un mare procentaj de resurse regenerabile. Produsele din prima grupă nu este necesar să aibă proprietăţi de biodegrabilitate sau compostabilitate; cele din a doua grupă nu este necesar să se bazeze pe materiale regenerabile, conform criteriilor standardului european EN 13432. Chiar şi un număr de polimeri petrochimici sunt certificaţi ca fiind biodegradabili şi compostabili. Ei extind aria de aplicaţii şi sunt adesea responsabili de crearea unor pre-cerinte pentru implementarea resurselor regenerabile in productia de materiale plastice.

Bioplasticul nu este un produs omogen. Produsele din bioplastic sunt compuse din polimeri naturali şi aditivi, ca adaosuri de procesare, stabilizare, colorare etc. Fiecare polimer are proprietăţile sale specifice. Fiecare reţetă şi fiecare produs finalizat trece prin operaţii de optimizare cu privire la procesele si aplicatiile specifice – in aceeaşi manieră ca şi în cazul materialelor plastice conventionale. Dezvoltarea acestui domeniu este încă într-o faza incipientă şi din acest motiv nu este încă posibilă fabricarea pe termen lung a materialelor plastice 100 % din resurse regenerabile. Majoritatea companiilor desfăşoara propriile lor programe, prin care caută posibilităţi de a utiliza o proporţie cât mai mare de resurse regenerabile. Asociatia Internationala a Producatorilor de Materiele Plastice estimează că, în funcţie de media tuturor aplicaţiilor cu materiale plastice, pot fi folosite ca materii prime biodegradabile un procent de aproximativ 50 % (estimare bazată pe producţie, o estimare precisă a consumului nu există încă). Polimeri ca PLA sau PHA pot fi fabricaţi 100 % din resurse regenerabile. Coloranţii şi aditivii folosiţi în procesul de fabricaţie, pot fi fabricaţi de asemenea din resurse regenerabile. Aceasta înseamnă că, în cazul unor produse, se poate ajunge ca 100 % din materiile prime folosite să provină din resurse regenerabile.

Majoritatea bioplasticelor sunt biodegradabilie, deşi aceasta nu este o cerinta inerenta. Există de asemenea polimeri sintetici care sunt certificaţi ca fiind biodegradabili.  Biodegrabilitatea şi compostabilitatea sunt stans legate de reţeta utilizată precum şi de structura şi originea materiilor prime. Aceste proprietăţi fac distincţia faţă de materialele plastice conventionale care nu sunt nici biodegradabile nici compostabile (ex. polimeri ca PE, PP, PS, PET sau PVC). Toţi polimerii naturali pe bază de carbon ca amidonul, celuloza, lignina si aditivii au la bază materiale biodegradabile. În concluzie, biopolimerii pot fi prelucraţi utilizând procedee comune de prelucrare cu polimerii sintetici. De menţionat că bioplasticele care au la bază monomeri naturali, pot să îşi piardă din proprietăţi în urma transformărilor chimice si polimerizarii.

Se spune că materialele plastice se caracterizează prin enorma lor diversitate, care le asigură succesul în numeroase aplicaţii. Această afirmaţie începe să fie valabilă şi pentru bioplastice.

Dezvoltarea intensivă a noilor materiale plastice biodegradabile, cu proprietăţi mereu îmbunătăţite, a condus la apariţia pe piaţă a numeroase noi produse. Există la ora actuală cca. 30 de materiale biodegradabile care se găsesc deja pe piaţă sau sunt într-un stadiu avansat de implementare la scară industrială. Se pot distinge mai multe clase de materiale biodegradabile obţinute din resurse regenerabile, si anume:

a) Polimeri naturali nemodificaţi, din care fac parte:

- Materiale din amidon pur

Amidonul poate fi procesat termoplastic prin adăugarea unor anumitor cantităţi de apă şi plastifianţi. Se produc folii şi, în special, spume (materiale bioplastice poroase), care înlocuiesc polistirenul expandat.

- Poly (hidroxialcani) bacteriali

Sunt copoliesteri ai acidului hidroxibutiric cu acidul hidroxivaleric. Problema principală a poliesterilor bacteriali este nivelul ridicat al preţului. Se aplică la fabricarea foliilor, placarea hârtiei si injectarea în matriţă.

- Materiale din colagen

Sunt materiale pe baza de proteină fabricate din colagen.

b) Polimeri naturali modificaţi, formaţi din acetaţi de celuloză şi amidon

Amidonul şi celuloza sunt modificate pentru a le îmbunătăţi proprietăţile de prelucrare şi de utilizare prin esterificarea grupelor hidroxil din rezidurile de zahăr. Creşterea gradului de esterificare îmbunătăţeşte proprietăţile polimerilor, dar reduce biodegradabilitatea acestora. Esterii polizaharidici, care se găsesc pe piaţă, trebuie să îmbine optim cele doua proprietăţi contrarii. Aceste materiale conţin adesea o cantitate destul de mare de plastifianţi.

c) Polimeri sintetici din monomeri naturali, reprezentaţi prin acidul polilactic

Sinteza chimică a polimerilor din monomeri obţinuţi din resurse regenerabile combină înaltul potenţial al chimiei polimerilor cu utilizarea resurselor naturale. Deorece au fost dezvoltate noi tehnici de polimerizare, acum poate fi produs acidul polilactic cu masă molară mare. În cazul fabricării foliilor şi a pieselor extrudate, flexibilitatea poate fi ajustată prin utilizarea diferiţilor stereoizomeri ai acidului lactic. O primă aplicare a acestor materiale a fost la paharele firmei Danone din Germania.

d) Polimeri din lanţul C-C, de tipul polivinilalcoolilor

Dintre polimerii din lanţul carbon a fost demonstrat că polivinilalcoolul este singurul care este direct atacat de sistemele enzimatice. La ora actuală polivinilalcoolul este solubil în apă şi este utilizat la fabricarea ambalajelor solubile in apă.

Stadiul actual in cercetarea si obtinerea materialelor bioplastice

Deşi cercetările în domeniul bioplasticelor au inceput cu cateva zeci de ani în urmă, produsele realizate din aceste materiale au apărut pe piaţă doar în ultima decadă.

Astfel, au fost şi sunt intreprinse în întreaga lume cercetări în vederea asimilării biopolimerilor începând cu anii ’80. Cele mai multe fonduri pentru astfel de cercetări au fost alocate în SUA şi Japonia. De asemenea, guvernul australian a început cercetările în acest domeniu acordând unei echipe de cercetători un milion de dolari pentru efectuarea de cercetări în domeniul dezvoltării materialelor plastice pe bază de amidon.

În Germania, se desfasoara proiecte de cercetare, în domeniul biopolimerilor din resurse regenerabile, în 25 de universităţi, în 21 de institute specializate din afara universitătilor şi în 16 intreprinderi. Principalele universităţi care lucreaza la astfel de proiecte sunt cele din Berlin, Braunschweig, Hanovra, Duisburg şi Göttingen. Se pune accentul atât pe sinteza unor noi materiale bioplastice cât şi pe identificarea posibilităţilor de utilizare a acestora.

Din baza de date a  revistei Chemical Abstract rezultă că în doar patru ani au fost inregistrate pe plan mondial 694 de brevete de invenţie, ceea ce este încă o dovadă a activităţii deosebite de cercetare desfăşurată în acest domeniu.

S-au facut de asemenea investiţii importante pentru asimilarea la scară industrială a bioplasticelor din materiale regenerabile. În Germania, cele mai importante sunt 10 milioane de EURO la Bioopol si 18 milioane EURO la Cellulosechemie Bomlitz ca firme producatoare de materie primă intermediară şi la Bayer AG ca firmă utilizatoare a acestei materii prime.

În anul 1998 se prognoza pentru anul 2000, in Europa, o producţie de cca. 10 000 tone în valoare de cca 38 000 EUR, cu o creştere de 15-30% pe an, urmând ca în anul 2004 această producţie să ajungă la 25 000 tone. Această prognoză a fost însă devansată, creşterea fiind mult mai mare, atingându-se deja la sfârşitul anului 2003 o producţie de 30 000 tone.

De altfel, la sfarşitul anului 2003, după intrarea în funcţiune a instalatiilor de la Cargill Dow (SUA) şi Rodenburg Biopolymers (Olanda),  producţia mondială de materiale bioplastice era de 250 000 tone iar azi este în jur de 300 000 tone.

Studiile efectuate în acest domeniu indică, ţinând seama si de extinderea Uniunii Europene, pentru anul 2010, depăşirea pragului de 3 milioane tone in Europa, urmând ca materialele bioplastice sa ajunga la cca. 10 % din producţia mondiala de materiale plastice.

Evoluţia capacităţilor de producţie a bioplasticelor este prezentată în fig. 2. Din diagramă se observă tendinţa de creştere accentuată a producţiei de bioplastice, concomitent cu scăderea, în structura lor, a ponderii componentelor sintetice.

Ca şi structură a producţiei, situaţia se prezintă astfel: 74,5 % bioplastice din amidon şi amestecuri de amidon; 13 % bioplastice produse prin fermentare; 12,5% bioplastice din materiale pertrochimice.

Principalii producători de bioplastice sunt:
·         pentru bioplastice pe bază de amidon utilizate la realizarea de produse prin extrudare, injectare şi suflare: Rodenburg Biopolymers (Olanda), Novamont SPA (Italia), Biotec GmbH (Germania);
·         pentru polyhydroxyalcani, utilizaţi la realizarea de produse prin extrudare: Kaneka (SUA);
·         pentru acizi polylactici (PLA) utilizaţi la realizarea de produse prin injectare şi suflare: Nature Works PLA (SUA)
·         pentru celuloză (acetat), utilizată la realizarea de produse prin suflare: Innovia Films (Anglia)

La ora actuală, cele mai semnificative arii de aplicare, în ordinea consumului, a bioplasticelor, sunt:

- saci biodegradabili pentru resturi menajere;

- folii pentru ambalarea produselor alimentare şi nealimentare;
- materiale de umplutură antişoc (loose fill);
- saci pentru produse alimentare;
- produse pentru catering: pahare, farfurii şi tacâmuri;
- filme de protecţie pentru agricultură;
- articole compostabile pentru horticultură.

  

Oportunităţi viitoare

Bioplasticele industria si agricultura sunt într-o relaţie foarte apropiată una faţă de cealaltă, având în vedere că:
·         resusele regenerabile provenite din agricultură joacă un rol important in fabricarea bioplasticelor (industrie);
·         produsele bioplastice se pot utiliza cu succes în diferite domenii ale industriei şi agriculturii;

·         compostabilitatea bioplasticelor şi utilizarea compostului în agricultură permite închiderea circuitului natural al sistemului.

Pentru agricultura Europeană, este foarte important astăzi să se dezvolte culturi şi să se implementeze alternative pentru valorificarea sectorului non-alimentar. Aproape  50 milioane de hectare de pe teritoriul Europei nu mai sunt necesare pentru producţia alimentară. Pe de altă parte, în Uniunea Europeană este dusă o politică de reducere a subvenţiilor pentru industria alimentară şi, în consecinţă, multe locuri de muncă din agricultură pot să dispară. Folosirea resurselor regenerabile obţinute din culturile non-alimentare oferă o cale de ieşire din această situaţie. Biomasa poate fi utilizată pe piaţa industrială şi energetică non-alimentară.

Agricultura oferă un potential enorm: un hectar de teren agricol poate produce două tone de bioplastice. Teoretic aceasta înseamnă că întreg necesarul de plastic al Europei se poate baza pe producţia de biomasă. Aceasta reprezintă o piaţa atractivă şi un potenţial pentru resursele agricole oferite de pantele producătoare de amidon (porumb, cartofi, grâu etc.) si zahăr (sfecla de zahăr) şi, de asemenea, de uleiurile vegetale (ulei de rapiţă, floarea soarelui, ricin) sau uleiurile din lemn (celuloza). Considerând în viitor o cotă de 10 % din piaţa de materiale plastice pentru bioplastice, această cotă se poate traduce într-un consum de aproximativ 10 milioane de tone de amidon sau zahăr, acest necesar reprezentand 10 % din suprafata agricolă cultivabilă cu produse non-alimentare. În felul acesta, bioplasticele pot contribui, alături de biocombustibil, la stabilizarea pieţei agricole, la salvarea locurilor de muncă din agricultură şi la liberalizare pieţei.

Un rol important pentru agricultură îl joacă valoarea adăugată de realizarea de materiale bioplastice (astazi costul unei tone de bioplastic trece adesea de valoarea de 1200 euro/tona) în comparaţie cu utilizarea biomasei pentru producerea energiei.
De asemenea, bioplasticele se pot utiliza în agricultură pentru:
·         realizarea de staraturi de protectie biodegradabile care pot fi îngropate în pământ în urma operaţiei de arat, acest lucru conducând la reducerea costului lucrărilor; 
·         realizarea de articole compostabile pentru horticultură şi culturile de legume: există bioplastice care oferă aceste posibilităţi de ex. pentru: straturi de protectie pentru culturile de bananieri care trebuie protejate de praf şi alţi factori de poluare; articole pentru fixarea solului; conservarea culturilor până la înmugurire; ţepuse de fertilizare sau suporţi pentru feromoni. Toate acestea nu necesita adunarea lor dupa utilizare.

Concluzii

Fermierii şi industria prelucrătoare primară a produselor agricole din întreaga lume realizează oportunitatea apărută prin utilizarea biomasei şi a materiiilor prime biodegradabile la fabricarea bioplasticelor.

Bioplasticile si agricultura sunt într-o stransă legatură. Pe de o parte, resursele regenerabile din agricultură constituie materia primă de bază pentru fabricarea bioplasticelor. Pe de altă parte, articolele realizate din materiale bioplastice au, pe lânga alte utilizări, o larga aplicabilitate în agricultură şi, ca ambalaje, în industria alimentară. Ciclul se încheie prin utilizarea acestora, în final, dupa ce  şi-au îndeplinit funcţiunea pentru care au fost concepute şi devin reziduri, sub forma de compost ca fertilizatori şi  amelioratori ai solurilor din agricultură.

Integrarea Romaniei în Uniunea Europeană implică rezolvarea unor probleme legate de respectarea normelor de protecţie a mediului. Creşterea volumului deşeurilor nedegradabile, din plastic, cheltuielile mari necesare recuperării acestora şi limitarea terenurilor disponibile pentru depozitarea lor, conduc la necesitatea dezvoltării şi în ţara noastra a bioplasticelor. Dezvoltarea acestor materiale implică unirea eforturilor unor entitati de cercetare-dezvoltare din ţară în scopul realizării unor tehnologii adaptate cantităţii si calităţii materiilor prime autohtone pentru realizarea şi in acest domeniu a unor produse ecologice de calitate căutate pe piaţa internă şi externă.

Pe de altă parte, în cadrul negocierilor de aderare la UE,  Romania a solicitat pentru capitolul Agricultură la domeniul “produse care nu sunt destinate consumului uman” pentru sortimentul “amidon din cartofi”, (Reglementarile CE nr.1252/1999 si nr.1868/1994) alocarea unei cote anuale de amidon de cartofi de 4 000 de tone, justificand acest lucru şi mentionând că se aşteaptă ca, prin dezvoltarea şi modernizarea industriilor utilizatoare de amidon de cartofi, să existe o cerere mai ridicată pentru acest produs. Între aceste industrii utilizatoare va putea fi si cea de realizare a bioplasticelor.

În acelasi document se specifică faptul că, în România, există capacităţi de prelucrare de peste 20 000 tone/an amidon şi că “în prezent producţia de amidon se obţine din porumb, aceasta variind în ultimii doi ani intre 12 000 tone/an – 15 000 tone/an, beneficiind de o piaţă internă în creştere şi posibilităţi de export. În perioada 2004 – 2006, ca urmare a creşterii producţiei de cartofi, se creează condiţii pentru producerea amidonului din cartofi”. 

Bibliografie

1.         ***       Biodegradable Plastics – Development and Environmental Impacts, www.environment.gov.au

2.         ***       Bioplastics and Agriculture, www.european-bioplastics.org

3. Rosato, D.  Global Bioplastics Legislative Drivers Recap, www.omnexus.com

4.        ***        Biopolymers and Bioplastics, www.bioportal.gc.ca

5.        ***        Compostable, Biodegradable BioPlastics, www.worldcentric.org

6.       ***         Negocieri aderare. Capitolul 7 –Agricultura, B. Organizarea comună de piaţă 1. Culturi arabile (cereale, oleaginoase, culturi proteice), www.bursaagricola.ro

Scientific paper written by: Gabriel Fodorean