titulnyPapier a kartón v roku 2013 podľa hmotnosti predstavovali 41percent obalového odpadu v EU-28 (okolo 32,2 milióna ton). Prítomnosť mikroplastov v recyklovaných papierových sekundárnych materiáloch a komposte sa stáva veľmi sledovaným problémom.


Je preto veľký záujem o mobilizáciu vzájomnej spolupráce medzi podnikateľskou sférou a výskumom v oblasti dizajnu kombinovaných obalov z papiera a bioplastu (biokompozitov), pri ich výrobe a recyklácii v strednej Európe.

* * * * *
INTERREG PROJEKT CE1237 „BIOCOMPACK-CE“
Rozvoj a posilnenie medzisektorových väzieb medzi aktívnymi účastníkmi inovácií v oblasti udržateľných biokompozitov pre obaly v systémoch cirkulárnej ekonomiky centrálnej Európy.
* * * * *

Projekt teda chce napomôcť k vytváraniu vzťahov medzi podnikateľskou sférou a výskumom, ktoré nie sú dostatočne vytvorené, často pre nedostatočnú informovanosť medzi producentmi papierových obalov o nových bioplastových materiáloch. Súvisí to aj s rôznymi pohľadmi na plasty a papier v existujúcich klastroch a rezortných organizáciách. Vyplýva to aj z nedostatku spoločnej inovačnej stratégie v čisto európskom a národnom právnom a ekonomickom kontexte, ale aj z nedostatku špecifických nástrojov na podporu SME podnikov v zavádzaní nových riešení pre obaly papier-plast, s cieľom zaviesť verifikované biodegradovateľné materiály do výroby papierových a kartónových obalov.

Aktivita Slovenského plastikárskeho klastra
Projekt predpokladá inovatívny prienikový medzisektorový prístup a zainteresovanosť klastrov, rezortných organizácií a partnerov v podnikaní, ktorí si všímajú regionálne ekonomické špecializácie a sú schopní urýchliť technologický transfer.
Aj z tohto dôvodu je Slovenský plastikársky klaster asociovaným partnerom v projekte. Koordinátorom projektu je National Institute of Chemistry v Ľubľane, pričom projekt združuje spolu 11 partnerov zo Slovinska (2), Chorvátska (2), Poľska (3), Maďarska (1), Talianska (2) a Slovensko je zastúpené Slovenskou technickou univerzitou v Bratislave.
V projekte bude vytvorené Nadnárodné centrum pre biokompozitné obaly (Transnational Biocomposite Packaging Centre) ako virtuálna RDI platforma, ktorá bude prepájať prierezové sektorové kapacity v oblasti papiera a bioplastov. Toto bude ďalej prepojené s regionálnymi inovačnými systémami a s Európskou podnikateľskou sieťou (European Enterprise Network), podporovanou integrovanou prierezovou obchodnou činnosťou poskytujúcou vybrané nástroje, testované na pilotných aktivitách, vrátane ich diseminácie medzi záujmovými skupinami. Táto stratégia pre Centrálnu Európu pre biokompozitné inovačné systémy v obaloch vytvorí rámec pre metodickú príručku: „Sustainable Paper-Plastic Design“ a kontrolné nástroje, ktoré pomôžu priemyselným organizáciám rýchlo verifikovať možnosti a vybrať vhodné postupy pre inovované výrobky.

Schéma priemyselného zhodnocovania domového odpadu
Schéma priemyselného zhodnocovania domového odpadu

 

Kompozitné materiály papier – bioplast
Pri kompozitných materiáloch papier (lepenka) – bioplast ide o kompozitné materiály s tradičnými benefitmi plastmi zušľachtených papierov, ktoré však neobsahujú konvenčné plasty.
Z charakteristík možno vyzdvihnúť, že tieto výrobky sú 100-percentne biodegradovateľné, neobsahujú PE a iné konvenčné plasty, sú štruktúrne pevné, zvárateľné teplom, odolné voči vode a sú dobre potlačiteľné. Okrem toho, že sú pevné a flexibilné, majú nízku hmotnosť. Dodávané môžu byť v rolkách a nachádzajú uplatnenie v mnohých aplikáciách ako obalové materiály, nádoby na potraviny, poháre, tácky atď. Ideálny spôsob ich likvidácie po použití je kompostovanie.
Keďže ide o inovácie v nahrádzaní konvenčných polymérov z fosílnych zdrojov bioplastmi z obnoviteľných zdrojov, je dobré hlbšie odôvodniť používanie bioplastov a ich výhody. Potreba nahradenia plastov na báze ropy bioplastmi je dôsledkom toho, že výroba konvenčných plastov spotrebuje o 65 percent viac energie ako výroba bioplastov, konvenčné plasty sú oveľa toxickejšie, pričom sa degradujú veľmi pomaly, výrazne znečisťujú životné prostredie a z hľadiska udržateľnosti sú, na rozdiel od bioplastov, nežiaduce.

* * * * *
Bioplasty znižujú uhlíkovú stopu finálneho výrobku.
* * * * *

Bioplasty riešia problémy odpadov, keďže sa môžu po použití kompostovať. Trvácne bioplasty z obnoviteľných surovín možno tiež recyklovať tak, ako konvenčné ekvivalenty. Biomasa ako surovina pri svojom raste absorbuje oxid uhličitý. Navyše, bioplasty pri výrobe spotrebúvajú menej energie, znižujú cenu výroby a znižujú aj uhlíkovú stopu finálneho výrobku. Z hľadiska inovácií treba zdôrazniť, že konzumenti sa stále viac zaujímajú o environmentálne prijateľné výrobky a hľadajú označenia, ktoré deklarujú ich kredit udržateľných výrobkov. Výrobky a obaly z bioplastov tento odkaz spotrebiteľom posielajú.

Predpokladá sa, že nové typy kompozitov papier – bioplast nájdu uplatnenie najmä v obaloch na potraviny. Je preto potrebné brať do úvahy niektoré špecifické vlastnosti, ktoré takéto aplikácie od kompozitných materiálov papier – bioplast vyžadujú. Okrem environmentálnej prijateľnosti, sú to bariérové vlastnosti pre plyny (CO, O), vodné pary, bariéra pre arómu, ich antimikrobiálna funkcia, ako aj mechanické, optické a termické vlastnosti.

ilustracny

Bariérové vlastnosti pre plyny a vlhkosť
Veľa potravín vyžaduje špecifické atmosférické podmienky, aby sa udržali čerstvé a uchovali si kvalitu počas skladovania. Preto sa stále viac potravín balí do ochrannej atmosféry so špecifickou zmesou plynov, aby sa dosiahla ich optimálna kvalita a bezpečnosť. Na zabezpečenie konštantného zloženia plynu v obale musí mať obalový materiál určité bariérové vlastnosti.
Vo väčšine aplikácií obalov zmes plynov obsahuje oxid uhličitý, kyslík a dusík, prípadne ich kombináciu. Je preto dôležité poznať bariérové vlastnosti a porovnať ich s konvenčnými polymérmi. Obyčajne sa porovnávajú bariérové vlastnosti bioplastov s LDPE a s niektorými konvenčnými plastmi. Keďže mnohé z materiálov založených na obnoviteľných zdrojoch sú hydrofilné, merania ich bariérových vlastností pre plyny závisia od podmienok vlhkosti (humidity). Priepustnosť plynov pre takéto materiály môže pri vyššej vlhkosti mnohonásobne vzrásť. To je však jav známy aj pre konvenčné polyméry. Priepustnosť plynov materiálov s vysokou bariérou pre plyny, ako je nylon a polyetylvinylalkohol, je rovnako ovplyvnená rastúcou vlhkosťou. Neočakáva sa, že bariérové vlastnosti pre plyny PLA a PHA by mali závisieť od vlhkosti.

Prestup vodných pár
Jedným z problémov výrobcov materiálov je prirodzene hydrofilné správanie mnohých bioplastov, pre ktoré sa v aplikáciách ako obaly pre potraviny, vyžaduje odolnosť voči vlhkosti. Ak porovnáme prestup vodných pár rôznych bioplastov a konvenčných plastov na báze ropy, je zrejmé, že je možné vyrobiť bioplasty s rýchlosťou prestupu vodných pár ako majú konvenčné plasty. Ak sa však vyžaduje vysoké nepriepustnosť vodných pár, je vhodných len málo bioplastov.
V súčasnosti sa vývoj materiálov z polymérov na báze obnoviteľných materiálov pre aplikácie bioplastov v potravinových obaloch sústreďuje práve na znižovanie rýchlosti prestupu vodných pár na úroveň používaných plastov.

Technológia výroby obalov
Technológia výroby obalov z obnoviteľných zdrojov alebo obalového materiálu vyžaduje znalosti o spracovaní a materiálových vlastnostiach polymérov. Ak vlastnosti prírodného polyméru nevyhovujú požiadavkám, alebo ak polymér nie je prirodzene termoplastický, musí sa určitým spôsobom modifikovať.
Pre veľmi špecifické požiadavky (veľmi nízka priepustnosť plynov alebo vysoká odolnosť voči vode) je málokedy pravdepodobné, že sám polymér, dokonca aj po modifikácii, bude spĺňať stanovené požiadavky. Preto je potrebné kombinovať materiály do kompozitov, laminovať ich alebo použiť technológie koextrúzie.

Vyfukované fólie
Vyfukované fólie biodegradovateľných polyesterov na báze ropy boli prvými výrobkami z kategórie biodegradovateľných materiálov. Úspešne sa uplatnili ako odpadové vrecká a v podobných aplikáciách. Z polymérov z obnoviteľných zdrojov boli prvé vyfukované výrobky založené na PLA. Tieto výrobky sa vyznačujú výbornou transparentnosťou s dobrými mechanickými vlastnosťami. Zvárateľnosť fólie závisí od stupňa kryštalinity a pri týchto materiáloch sa dosahuje aj dobrá potlačiteľnosť. Možnosti vyfukovania PHB/V materiálov sú časovo obmedzené pre ich pomalú kryštalizáciu a nízku pevnosť taveniny (rýchla degradácia). Pri mnohých obalových aplikáciách sa vyžaduje odolnosť proti prestupu vodných pár, ako aj proti prestupu plynov. Žiadny samotný polymér na báze obnoviteľných zdrojov nemôže spĺňať tieto požiadavky. V takýchto prípadoch sa využíva koextrúzia, ktorou sa získajú lamináty, ktoré tieto ciele spĺňajú.
Existujú komerčné materiály (Paragon) založené na termoplastickom škrobe, ktoré môžu byť vyfukované a koextrudované s polymérmi ako je PLA a PHB/V na materiály s bariérovou vrstvou, spĺňajúce podmienky kvalitného balenia napríklad syrov.
Dá sa očakávať, že papier zostane významným biodegradovateľným materiálom na báze obnoviteľných zdrojov. Papier a kartón majú vynikajúce mechanické vlastnosti, ale ich priepustnosť pre plyny je príliš vysoká pre väčšinu potravinárskych aplikácií. Hydrofilná povaha materiálov na báze papiera je problémom aj pri ich aplikácii ako obalov pre vlhké potraviny. Doteraz boli takéto materiály poťahované tenkými vrstvami syntetických plastov, ktoré zabezpečili materiálu požadované vlastnosti pre plyny a odolnosť voči vode. Alternatívou sú plasty z obnoviteľných zdrojov, ktoré možno použiť ako materiál na poťahovanie, dláždiac tak cestu k používaniu materiálov na 100 % z obnoviteľných zdrojov.
Papierové materiály potiahnuté PE sa dajú znovu rozvlákňovať a použiť na výrobu buničiny, pričom hydrofóbny PE je v procese výroby buničiny ľahko odstránený. To isté platí aj pre materiály potiahnuté bioplastmi, ktoré sú hydrofóbne a rovnako ich možno pri opätovnom spracovaní na buničinu odstrániť.

Odpadový plast a papier po recyklácii nachádzajú uplatnenie v stavebníctve
Odpadový plast a papier po recyklácii nachádzajú uplatnenie v stavebníctve

 

Biodegradovateľné zmesi polymérov z obnoviteľných zdrojov
Nové biodegradovateľné materiály vyvíjané na STU a v PANARA, s. r. o., sú založené na obnoviteľných zdrojoch surovín. Základnými polymérmi sú kyselina polymliečna (PLA) a polyhydroxybutyrát (PHB). PLA sa syntetizuje polymerizáciou kyseliny mliečnej, alebo z dilaktidu. Polyhydroxybutyrát je bakteriálny polyester, ktorý sa vyrába biotechnologicky, keď vhodné baktérie spotrebovávajú ako zdroj živín cukry a syntetizujú z nich PHB, ktorý sa následne izoluje.
Nevýhodou oboch polymérov je ich krehkosť, teda nízka flexibilita, najmä tenkostenných výrobkov a zároveň, najmä v prípade PHB, veľmi vysoká citlivosť na termickú degradáciu počas spracovania.
Prekonanie týchto problémov spočíva v príprave zmesi týchto dvoch polymérov a niektorých aditív alebo modifikátorov, tiež pochádzajúcich z obnoviteľných zdrojov surovín, pričom zmiešaním dvoch krehkých polymérov vzniká zmes, ktorá je húževnatá. Okrem toho má táto zmes zvýšenú odolnosť voči degradácii počas spracovania.

Okrem uvedených polymérov možno do zmesi pridať aj škrob, spolu so zmäkčovadlom. Vznikne tak multikomponentná zmes na báze polymérov z obnoviteľných zdrojov, ktorá má širokú variabilitu spracovateľských a fyzikálno-mechanických vlastností v závislosti od zloženia a technológie prípravy.
Nakoľko ide o polyesterovú bázu, tieto materiály, pokiaľ sa nedostanú do biologicky aktívneho prostredia, sú dostatočne stabilné (odolné voči vonkajším vplyvom) a teda dlhodobo skladovateľné bez poklesu mechanických vlastností.
Na rozdiel od doteraz známych porovnateľných materiálov sa novinka zo Slovenska vyznačuje oveľa lepšími mechanickými vlastnosťami, najmä vysokou flexibilitou a húževnatosťou.
Tieto atribúty dávajú materiálu vysoký aplikačný potenciál najmä pre využitie v obalovej technike. Rôzne fólie, tégliky, ale aj fľaše a ich uzávery, odteraz môžu byť „zelené“. Perspektívne sa počíta aj s aplikáciou nového polyméru v niektorých vstrekovaných výrobkoch, dutých vyfukovaných výrobkoch a podobne.
Môže nový materiál konkurovať v oblasti obalovej techniky? Technológia na jeho výrobu a spracovanie, ako aj surovinová základňa už teraz umožňujú vyrobiť materiál za ceny, ktoré sa približujú cenám komoditných plastov vyrobených na báze ropy. Spoločnosť by tak získala reálnu náhradu tzv. ropných plastov, najmä v obalovej technike.

Udržateľný rozvoj a bioplasty
Všeobecne sa pre udržateľný rozvoj používa vizuálna pomôcka popisujúca potrebu spojenia medzi konkurenčnými potrebami ľudstva, so zaužívaným názvom „Cradle to Cradle Triangle“ alebo Vennov diagram. S využitím fraktálnej podstaty udržateľného rozvoja dostávame veľmi podobnú schému, ktorá vedie k dosiahnutiu udržateľných výsledkov pomocou dokonalejších špecifických usmernení odvodených z modelu (Obrázok).
Z každého z takto fraktálne definovaných deviatich princípov vyplývajú ciele určené požiadavkami, obmedzeniami a v kontexte s R&D. Tento model je možné aplikovať aj na definovanie udržateľných materiálov a teda aj na bioplasty.
Matricový fraktálny model udržateľného rozvoja pôvodne vytvoril William McDonough a Michael Braungart ho modifikoval, aby vyhovel prístupu s trojnásobným súčtom popisujúcim skutočne udržateľný vývoj krajiny. Vlastnosťami fraktálov a ich opisom sa zaoberá vedný odbor matematiky nazvaný fraktálna geometria, ktorá sa zaoberá nepravidelnosťou objektu. Fraktálny model vystihuje komplexnosť prírodných systémov, ktoré vykazujú črty usporiadanosti aj chaosu (chaotické systémy je často ťažké opísať alebo predpovedať, na rozdiel od usporiadaných systémov, ktoré je jednoduchšie popísať, vysvetliť a predpovedať, ale iba s tendenciou, že sú presné v malých časových a priestorových rozdieloch.

Fraktálny model pre udržateľný rozvoj
Fraktálny model pre udržateľný rozvoj

 

Takto definované princípy udržateľnosti aplikované na biodegradovateľné polyméry v komplexnosti poukazujú na význam týchto materiálov v oblasti ekonomiky, ekológie a sociálnej oblasti. Možno uviesť niekoľko príkladov pri popise jednotlivých princípov definovaných fraktálnym modelom udržateľnosti.

Triáda profitu (ekonomický kapitál)
1. Tvorba hodnôt – Bioplasty slúžia ako model pre dosahovanie integrovaných ekonomických cieľov: elegantný, udržateľný a všeobsažný rast. Bioplasty sú dobrým a reálnym príkladom biozaloženej ekonomiky pre politikov a spoločnosť, ponúkajúc nové možnosti s inovatívnym a ekonomickým potenciálom.
2. Eliminácia odpadu – Odpoveďou sú biodegradovateľné plasty. Ak sa výrobok z biodegradovateľného plastu dostane do styku so zemou, mikroorganizmy ho degradujú ďalej až na oxid uhličitý (alebo metán – bez prístupu vzduchu), vodu a biomasu. Vrecká z biodegradovateľného plastu možno odhodiť spolu s iným biodegradovateľným odpadom, no existuje veľa ďalších využití týchto materiálov, vrátane vlákien, medicínskych pomôcok až po konštrukčné materiály.
3. Rešpektovanie vzájomnej závislosti – Medzi ideálmi „profitu“ a „planéty“ v trojuholníku nachádzame odkaz, že musíme rešpektovať, no v skutočnosti maximalizovať efektívnosť tohto vzájomného vzťahu. Rešpektovanie vzájomnej závislosti ako poznáme v priemysle medzi profesionálmi, sa týka aj spoločnosti ako celku – ako sa správa, čo spôsobuje a ako ovplyvňuje prírodný svet. Tento princíp prepojenosti, neoddeliteľnosti a spojenia je dôležitý pre sústavné pripomínanie tohto vzťahu a konanie v zmysle udržateľnosti.
Bioplasty sú príkladom zelenej (udržateľnej) chémie, ktorá sa chápe ako dizajn chemických produktov a procesov, ktoré znižujú, alebo eliminujú používanie a generovanie nebezpečných látok.

ilustracny2

Triáda planéty (environmentálny kapitál)
1. Modelovanie prírody – Najčistejšia a najhodnotnejšia forma environmentálneho konania je biomimetika – modelovanie prírodných systémov. Všetky udržateľné technológie a potrebné informácie je možné hľadať pomocou pochopenia prírodných biologických systémov. Štúdiom najdokonalejších prírodných systémov a potom imitáciou ich dizajnu a procesov, je možné riešiť aj problémy ľudstva. Navyše, ľudské bytie je založené na vrodenej evolúcii založenej na afinite k prírode. Prepojenie aktivít s prírodou je úmerné úspechom z aspektu udržateľnosti – v kontexte environmentálnom, sociálnom a ekonomickom. Pre udržateľnosť treba rešpektovať prírodný svet pre jeho silu. No fakt, že ho meníme a modifikujeme, pochopiac ako funguje, môže viesť ku konečným riešeniam potrebným pre udržateľný život. Nemožno urobiť chybu, zem sa zachráni.
Ohrozený je predovšetkým človek. Používanie ekologických štandardov pri posudzovaní inovácií pomáha určiť, ktoré riešenie je účinné tak, aby obstálo pri nebezpečí a pri konečnom teste v čase.
Z hľadiska biodegradovateľných materiálov z obnoviteľných zdrojov tu možno spomenúť kompostovanie ako prírodnú biodegradáciu, využitie génového inžinierstva na manipuláciu organizmov pre praktické veci a prípravu užitočných produktov, ako napríklad poskytuje tzv. biela biotechnológia (biotechnologická výroba bioplastov (PHA).
2. Energetické toky – Podstatou tohto princípu je využívanie a financovanie energetických prírodných systémov cez obnoviteľné energetické zdroje a biologické materiály. Minimalizovanie množstva neobnoviteľnej energie a polutantov z výroby, používania, údržby a opätovného využitia výrobku, je podstatou dosiahnutia osvedčenej praxe (best practices) v zmysle základného princípu energetických tokov. Ako príklad slúži porovnanie spotrebovanej celkovej energie pre PLA1(2001/2002 proces) v porovnaní s PLA B/WP (perspektívny proces z biomasy – kukuričná slama) pri výrobe granulátu PLA, kde sa v novom procese uplatňujú obnoviteľné zdroje energie.
3. Koexistencia človeka a prírody – Kvôli dosiahnutiu udržateľnej budúcnosti sa ľudstvo musí účinne integrovať s prírodou. Skôr ako by malo ľudstvo vládnuť nad prírodou, musí si uvedomiť že ľudia a príroda navzájom koexistujú. S týmto poznaním prichádza aj pochopenie, že z prírody môžeme mať osoh, ale aj príroda musí mať osoh z nás. Zelené materiály sú určené pre budúcnosť. Je tu obrovská možnosť pre vývoj nových bio-produktov, ale aj reálna výzva pre vývoj udržateľných bio-produktov.

* * * * *
Udržateľnosť je cesta.
* * * * *

Triáda ľudí (spoločenský kapitál)
Akceptovanie zodpovednosti – Je našou etickou zodpovednosťou, aby sme zhodnotili vedenie projektov cez ich vízie a hodnoty. Súčasťou musí byť rozhodovací model, ktorý maximalizuje ekonomické výsledky, minimalizuje environmentálne vplyvy, obnovuje degradované ekosystémy a maximalizuje kvalitu života pre komunitu, čo umožňuje prinášať jedinečné a hodnotné riešenia pre budúcnosť našej civilizácie. Spoločnosť vyžaduje a lepšie profituje, ak má lepší prístup ku kvalitným potravinám, bývaniu, potrebnej zdravotnej starostlivosti, ale aj k práci, kreatívnym, rekreačným a vzdelávacím aktivitám; chráni svoje kultúrne a biologické dedičstvo; participuje na svojom riadení.
Príťažlivosť bioplastov vychádza z možnosti ich propagácie „udržateľnosti“ a „biodegradovateľnosti,“ dvoch politických cieľov, ktoré v poslednej dekáde vlády všade vo svete zakotvili do svojich programov. Keďže tieto ciele verejnej politiky sú na pohľad oveľa širšie, vlády obyčajne deklarujú špecifický záujem o bioplasty. Napríklad podporujú potrebu štandardizácie vlastností bioplastov. Tomu slúži certifikačný program pre audit produktov a prímesí pre verifikáciu, či podnik používa „zdravé“ materiály a eko-inteligentný dizajn.
Kvalita života – Jej budovanie vychádza z našej spoločenskej zodpovednosti a je výsledkom pochopenia, že hodnoty naša spoločnosť prijíma a v skutočnosti je jej napredovanie výsledkom pozitívneho vývoja krajiny, čo je významnejšie ako materiálne statky, ktoré môžeme vlastniť a využívať. Musíme si skutočné hodnoty ceniť a upriamiť sa na zmysel nášho života, na podstatu skutočného šťastia a kvality života. Medzi ideálnym „profitom“ a „ľuďmi“ je poznanie, že čím sa bližšie sa dostávame k udržateľnému rozvoju krajiny, musíme byť ochotní zdieľať vedomosti, ktoré získavame od iných zainteresovaných z celého sveta. Náš priemysel má veľa oblastí a špecializácií a aby sa efektívne rozvíjal v požadovanej holistickej perspektíve, musíme sa usilovať lepšie chápať a adresovať potreby všetkých, čo sa tohto procesu zúčastňujú.
Zelené materiály patria budúcnosti. Je tu obrovská možnosť vyvíjať nové výrobky na báze obnoviteľných zdrojov, ale skutočnou výzvou je vyvíjať udržateľné výrobky z obnoviteľných zdrojov.
● Nové environmentálne usmernenia a záujem spoločnosti spúšťajú hľadanie nových produktov a procesov, ktoré sú kompatibilné s prírodou.
● Hlavným obmedzením pre biodegradovateľné polyméry je v súčasnosti ich cena.
● Bioplasty založené na obnoviteľných zdrojoch sú v súčasnosti vo vývoji, no ďalší výskum by mal prekonať ich výrobné obmedzenia.

Udržateľnosť je cesta. Aj keď nie sme schopní deklarovať víťazstvo, biodegradovateľné plasty sú v oblasti obalových a iných materiálov dobrým štartom na ceste k udržateľnosti!

TEXT Dušan Bakoš, Fakulta chemickej a potravinárskej technológie STU v Bratislave, Ústav prírodných a syntetických polymérov FOTO archív redakcie