Biom!anyagok alkalmazása
Biom!anyagok Dr. Lehoczki László, a M!anyag és Gumi szerkeszt"je
1. A biom!anyagok jelent"sége A biom!anyag kifejezés azon anyagok teljes családját öleli fel, melyek bioalapúak, biodegradálhatóak, vagy mindkett". Közéjük tartoznak pl. az orvosi m!anyagok, a természetes polimerek (mint pl. a kollagének), az oxodegradálható- és a megújuló forrásból származó m!anyagok. Észak-Amerikában a kifejezést az utóbbira használják els"dlegesen, míg Európában inkább a komposztálható és biodegradálható anyagokra. Mindkét kontinensen kidolgozták a saját szabványrendszerüket és címkézési protokolljaikat, segítve ezzel a vev"ket, hogy tulajdonképpen milyen anyagokat is vásárolnak meg. A bioalapúnak akkor tekintünk egy biom!anyag terméket, ha jelent"s mennyiségben tartalmaz olyan szenet, ami megújuló alapanyagforrásból származik. Két f" el"nyük van a hagyományos m!anyagokkal összehasonlítva: egyrészt kímélik a fosszilis er"forrásokat, másrészt csökkentik az üvegházhatású gázok kibocsátását. A biodegradálhatóság azt jelenti, hogy a biom!anyag termékek adott körülmények között degradálódnak. Ez módot ad a termék életciklusának végén az újrahasznosításra. A holland UTRECHT UNIVERSITY piaci tanulmányában 2013-ra 2,3 millió tonnás piacot jósol a bioalapú m!anyagoknak, beleértve a megújuló forrásból származó hagyományos polimereket is. Ezeknek az anyagoknak a gyártására szolgáló technológia már több évtizede rendelkezésre áll, de kínálatuk korlátozott és viszonylag drágák. A növényi-alapú m!anyagok értékét adja, hogy alkalmazásukkal csökken a CO2 kibocsátás, megújuló alapanyagok, és fejlesztik a mez"gazdaságot. A termények és származékaik monomerekké dolgozhatók fel, cukrokká és olajokká, melyek átalakíthatók politejsavvá
1. ábra. Politejsavból (PLA) h!formázott tálca
2012. 49. évfolyam 3. szám
2. ábra. PHA-ból készült palántázó cserép
(PLA) (1. ábra), poli(hidroxi-alkanoát)-tá (PHA) (2. ábra) és hagyományos etilénné/propilénné (etanolon keresztül). Az iparág érdekes területe jelenleg az algák használata forrásanyagként, mivel gyorsan növekednek és rövid az életciklusuk. A biom!anyagok már fontos szerepet játszanak a csomagolásban, a mez"gazdaságban, a gasztronómiában, az elektronikában és az autógyártásban, hogy csak néhány területet említsünk. Régóta gyártanak bel"lük rövid életciklusú termékeket, mint pl. talajtakaró fóliákat, catering termékeket, csomagoló- és hulladéktároló zacskókat. Ahogy a technológiájuk fejl"dik, egyre nagyobb menynyiségben készülnek egyre tartósabb alkalmazások, többek között billenty!zet elemek, mobiltelefon házak vagy autóalkatrészek. A fenntarthatóság a terület egyik fontos kérdése, ahol a PROCTER AND GAMBLE vezet" szerepet tölt be. Vezérelvük szerint, a cél az, hogy 2020-ra a k"olaj-alapú anyagok 25%-át helyettesítsék fenntartható nyersanyagforrásból származó termékekkel és csomagolásokkal. A cég el"nyben részesíti a biom!anyagokat, mint pl. a cukornádból származó bio-polietilént, ami jól beilleszthet" a meglév" reciklálási folyamatokba. Ugyanakkor ez felárral jár, míg a vev"k azonos min"ség! csomagolásokat azonos áron szeretnének vásárolni. A biom!anyagok a m!anyagok evolúciójának hajtóer"i. Új utakat kínálnak az újrahasznosításra és a reciklá-
103
lásra, segítségükkel csökkenthet"k a környezetre mért káros hatások.
környezetben maradnak. Ezzel ellentétben, a biodegradáció végterméke a víz, a szén és a biomassza.
2. Technológia és anyagok A biom!anyagok számos hagyományos m!anyag-feldolgozó technológiával feldolgozhatók. A gyártási paraméterek beállítása minden polimer esetén egyedi. Széleskör! funkcionalítást kínálnak az egyes alkalmazási típusokra optimalizálva. Ma már közismert, hogy a hagyományos m!anyagok nagyjából 85%-a technikailag helyettesíthet" bioalapú m!anyagokkal. Mint korábban említettük, a biom!anyag nem egyfajta polimer, hanem inkább egy anyagcsalád, ami nagymértékben variálható. Ennek a családnak három csoportját lehet megkülönböztetni, melyek mindegyike egyedi jellemz"kkel rendelkezik: –#Bioalapú vagy részben bioalapú, nem-biodegradálható polimerek, mint pl. a PE, PET, PVC és PP. –#Új polimerek, melyek bioalapúak és biodegradálhatóak, mint a PLA és a PHA. –#Új polimerek, melyek fosszilis forrásból származó anyagokból készültek és biodegradálhatók, mint a PBAT (poli(butilénadipát-ko-butilén-tereftalát), alifás/aromás poliészter) és a PBS (poli(butilén-szukcinát), alifás poliészter). A biobázisú alapanyagok biodegradálható vagy nembiodegradálható m!anyaggá is feldolgozhatók. A biodegradálhatóság közvetlenül kapcsolható a kémiai szerkezethez. A biobázisú vagy részben biobázisú, de nem biodegradálható polimerek tulajdonságai megegyeznek a hagyományos típusokéval. A biodegradálható polimerek ipari komposztálótelepeken komposztálhatók specifikus körülmények között (pl. szabályozott h"mérséklet, nedvesség, leveg"ztetés). Különbséget kell tenni a biodegradálható és az ún. „oxo-degradálható” vagy „oxo-biodegradálható” m!anyagok között (3. ábra). Az utóbbiak hagyományos m!anyagok speciális adalékolással, és nem felelnek meg igazából a „biom!anyag” kifejezésnek. Az oxo-termékek f"leg fragmentumok, kis méret! szemcsék, melyek a
3. A biom!anyagok piaca A globális biom!anyag gyártókapacitás 2010 és 2015 között több mint kétszeresére fog n"ni, míg 2010-ben 700 ezer tonna volt, addig 2015-re 1,7 millió tonnát várnak (4. ábra), 2011-ben pedig meghaladhatja az 1 millió tonnát a EUROPEAN BIOPLASTICS tanulmánya szerint. További kézzelfogható változás a gyártott mennyiség összetételében tapasztalható. 2010-ben nagyrészt biodegradálható anyagokat gyártottak (400 ezer tonna), míg a többi (300 ezer tonna) biobázisú hagyományos m!anyag. Ez az arány – az általános növekedés ellenére – az elkövetkez" években megfordul. 2015-re az utóbbiból 1 millió tonnát, míg az el"bbib"l 700 ezer tonnát fognak gyártani.
3. ábra. Oxo-degradálható borítékok
104
4. ábra. Biom"anyagok globális gyártókapacitása
A gyors b"vülés oka a biom!anyagok egyre növekv" alkalmazása. A csomagolásban, az autóiparban, a játékoknál, a sz"nyegeknél és az elektronikai alkatrészeknél a biom!anyagok iránti igény soha nem látott méreteket ölt. Jelent"s a növekedés a tartós biobázisú m!anyag csomagolásoknál, a nagy gyártók, mint pl. a DANONE és a COCA-COLA vásárolják ezeket a termékeket. A biom!anyagok egyik legnagyobb és legérdekesebb piaca Európa, amely vezet" szerepet játszik a kutatásban és a fejlesztésben is. A gyártóhelyek száma, ezzel ellentétben, Ázsiában és Dél-Amerikában n" a leghatározottabban. Az európai gyártókapacitások versenyképességét ezért a szerkezet és a szabályozás mechanizmusának javításával kell biztosítani. A biopolimerek gyártási kapacitását típus szerint és területi megoszlásban mutatja az 1. és 2. táblázat. A biom!anyagok piaca éves szinten nagyjából 20%kal n". A piaci fejl"désnek bels" és küls" hajtóer"i vannak (3. táblázat). A küls" tényez"k vonzó választássá teszik ezeket az anyagokat, ami a nagy vásárlói elfogadottságból, a klímaváltozással kapcsolatos intenzív publicitásból, a fosszilis anyagoktól való növekv" függ"ségb"l, és ezen anyagok drasztikus áremelkedéséb"l származik. 2012. 49. évfolyam 3. szám
1. táblázat. Az életciklus analízisek azt mutatják, hogy a bioBiopolimerek gyártási kapacitása típus szerint m!anyagok a CO2 kibocsátást 30–70%-kal is csökkenthetik a hagyományos m!anyagokhoz képest 2010 2015 Típus kt % kt % (anyagtól és alkalmazástól függ"en). Bio-PE 200,0 28 450,0 26 A FREEDONIA GROUP piackutató cég 2011 novBiodegradálható keményít" blendek 117,8 16 124,8 7 emberében szintén kiadott egy tanulmányt a bioPLA 112,5 15 216,0 13 m!anyagok piaci helyzetér"l, melyben megállapítPHA 88,1 12 147,1 9 ják, hogy a biodegradálható és a biobázisú m!Biodegradálható poliészterek 56,5 8 143,5 8 anyagok kereslete a világon megháromszorozódik, Bio-PET 50,0 7 290,0 17 és meghaladja majd az 1 millió tonnát. Ez számos Regenerált cellulóz 36,0 5 36,0 2 tényez" hatásának lesz köszönhet", mint pl. a váBio-PA 35,0 5 75,0 5 sárlók részér"l a környezetbarát anyagok használaCellulóz származékok 8,0 1 – – PLA blendek 8,0 1 35,0 2 tának, a biom!anyagok – hagyományosakhoz kéTartós keményít" blendek 5,1 1 – – pest – javított tulajdonságainak és annak, hogy beBio-PVC – – 120,0 7 vezetik a tömegm!anyagok gyártását bioalapú forBio-PP – – 30,0 2 rásokból. Ugyanakkor az árkérdés els"dleges megBio-PC – – 20,0 1 határozója lesz a piaci sikernek, várható, hogy a Egyéb 7,5 1 22,3 1 k"olajárak emelkedni fognak, így számos biom!Összesen 724,5 100 1709,7 100 anyag árban elérheti a hagyományos m!anyagok szintjét az évtized végére. A biodegradálható m!anyagok a világ biom!2. táblázat. anyag piacának 90%-át tették ki 2010-ben. Er"s Biopolimerek gyártási kapacitása régiók szerint, % növekedést jósolnak két vezet" biodegradálható Régió, t 2010 2015 polimercsaládnak, a keményít"-alapúaknak és a Európa 26,7 18,3 politejsavnak, melyek kereslete megkétszerez"dhet Ázsia 18,5 28,1 2015-re. Gyorsabb b"vülés várható a PLA esetéÉszak-Amerika 26,7 32,9 Dél-Amerika 27,6 20,5 ben, mely hasznot húz a kompaundálásos polimeriAusztrália 0,5 0,2 zációs technológia fejl"déséb"l, valamint abból, Összesen ~725.000 ~1710.000 hogy más biom!anyagokhoz viszonyítva viszonylag alacsonyabb költségekkel gyártható. A leggyorsabb ütem! növekedést a poli(hidroxi-alkanoát) 3. táblázat. (PHA) esetében várható, amely éppen csak belépett Az iparág piaci hajtóer"i a piacra. Bels" hajtóer"k Küls" hajtóer"k A biodegradálható anyagok jelent"s fejl"déséFejlett m!szaki tulajdonságok és Nagy vásárlói elfogadottság (ökomarnek ellenére, a nem-biodegradálható biobázisú pofunkcionalitás keting) limerek lesznek a biom!anyagok keresletének elLehet"ség a költségcsökkentésre Klímaváltozás s"dleges meghatározói 2015-ig és azon túl is. Már Új, költséghatékony reciklálási mód Fosszilis anyagok árának emelkedése kereskedelmi mennyiséget (200 ezer t/év) gyárta– Fosszilis alapanyagoktól való függ"ség nak pl. biobázisú polietilénb"l Brazíliában, a BRASKEM üzemben (5. ábra). További két biobázisú polietilén gyárat – valamint biobázisú polipropilén kapacitást – terveznek megnyitni 2015 körül. A teljesen bioalapú PET ipari el"állítása is realitássá válhat az évtized végére. Ennek eredményeképpen, a nem-biodegradálható biom!anyagok iránti igény a 2010-es 30 ezer tonnáról 2020-ra 1,3 millió tonnára emelkedhet. A biom!anyagok legnagyobb felhasználója NyugatEurópa volt 2010-ben. Gyorsabb b"vülés várható 2015ig az Ázsia/Óceánia térségben, f"leg Japán és Kína er"teljes b"vülésének köszönhet"en. A kereslet a világ más részein hatalmas lépésekkel n"het a viszonylag alacsony 2010-es szintr"l. Kiemelkedik Közép- és Dél-Amerika, 5. ábra. Cukornád finomító (Braskem, Brazília)
2012. 49. évfolyam 3. szám
105
mint a biobázisú polietilén várható f" fogyasztója (4. táblázat).
4. táblázat. A biom!anyagok kereslete a világon 2005–2015 között, 1000 tonna Régió
4. Alkalmazási lehet"ségek Észak-Amerika A biom!anyag termékek mennyisége és Nyugat-Európa alkalmazási területei folyamatosan b"vülÁzsia/Óceánia nek. Legfontosabb piaci szegmensek a Egyéb területek csomagolás, az élelmiszeripar, a mez"gazÖsszesen daság, a kertm!velés, az elektronikai termékek, az autóipar, a fogyasztási cikkek és a háztartási gépek. Sok olyan terület van, ahol most kezd"dik a biom!anyagok felhasználása, ilyen – többek között – az épít"ipar, a sport és szabadid" termékek, valamint a szál alkalmazások (ruházat, bútorhuzatok). Igen nagymérték! a növekedés a zacskóknál, hordtáskáknál, catering termékeknél, talajtakaró fóliáknál, az élelmiszerek és italok csomagolásánál. Az europai szupermarket láncok – pl. a SAINSBURY’S az Egyesült Királyságban vagy az ALDI Németországban – voltak az els"k, akik felismerték a biom!anyag csomagolásban rejl" lehet"ségeket. A piaci bevezetések kezdetén még a biodegradálható polimerekb"l készült anyagokra és termékekre fókuszáltak. Ma már a biom!anyagokat egyre szélesebb körben használják élelmiszerek, hagyományos gyümölcsök és zöldségfélék, kenyér és péksütemények, italos palackok, higiéniai és kozmetikai termékek csomagolására (6–8. ábra).
2005 kt 34 60 33 3 130
2010 kt 80 125 83 12 300
2015 kt 242 347 320 116 1025
Éves növekedés Éves növekedés 2005/2010, % 2010/2015, % 18,7 24,8 15,8 22,7 20,3 31,0 32,0 57,4 18,2 27,9
7. ábra. Komposztálható mélyh"tött zacskó
6. ábra. Komposztálható cukorka csomagolás
A funkcionális tulajdonságok gyakran meghatározó szerepet játszanak a felhasználók döntéseiben. A környezetvédelmi vagy az esztétikai szempontok, a vásárlói elfogadottság szintén fontos az eladásban. A biom!anyagok mindegyike specifikus profillal rendelkezik, ami gyakran jelent"sen megkülönbözteti ezeket az anyagokat a hagyományos m!anyagoktól, ilyen tulajdonságok pl. a fényesség, a barrier hatás, az antisztatikus jellemz"k, a nyomtathatóság és a tapintás. Az egyik legfontosabb do106
8. ábra. Komposztálható háló gyümölcs csomagolására
log az, hogy használatukkal lehet"ség mutatkozik a friss termékek eltarthatóságának növelésére. Németországban a catering szektor évi 3,5 milliárd eurót tesz ki értékben. Az elmúlt tíz évben a piaci növekedés átlagosan 7%/év volt ezen a területen. Ezért itt a biom!anyagok el"tt is széles lehet"ségek kínálkoznak pl. a 2012. 49. évfolyam 3. szám
9. ábra. Keményít! alapú villák
poharak, bögrék, tálcák, tányérok és ev"eszközök gyártásában (9. ábra). A mez"gazdaságban és a kertm!velésben is ki lehet használni a biodegradálható polimerek kedvez" tulajdonságait. A talajtakaró fóliák – mint az egyik legfontosabb példa – gyors fejl"désen mentek át ebben a szektorban, a cél „tiszta” élelmiszerek termesztése minél kevesebb vegyszer használatával. Használat után a fóliák földbeszántása az összegy!jtés, a földt"l való megtisztítás és a reciklálás helyett praktikusabb és gazdaságosabb m!velet. A biodegradálható talajtakaró fóliák ma már nagyon jól adaptálhatók az adott helyhez és növényekhez (10. ábra).
val” együtt közvetlenül kiültethet" a földbe, a cserép gyorsan diszpergálódik és megkezd"dik a növény növekedése. Az elektronikában els" biom!anyag termékek közé sorolhatók a billenty!zet elemek, a mobiltelefon házak (11. ábra), a porszívók és a laptop egerek. Az autógyártásban biobázisú vagy részben biobázisú, tartós biom!anyagokat használnak m!szerfal alkatrészekhez, beltéri és küls" elemekhez. A szállításban nagyon fontos, hogy ezek az 11. ábra. Mobiltelefon ház biom"anyagból alkatrészek, mint pl. ülés és légzsák borítások, kormánykerekek, megfeleljenek a biztonsági el"írásoknak (12. ábra).
12. ábra. Autóülés 100% biom"anyagból 10. ábra. Talajtakaró fólia
További alkalmazási megoldások ezen a területen: portól és környezeti hatásoktól véd" fóliák banáncserjékhez, kötözések, cserepek palántázáshoz és termesztéshez, táprudak, feromon csapdák, melyeket nem kell eltávolítani a használat után. Jó példa a gyógynövények cserepes nevelése. A cserépbe ültetett növény igen kényelmesen használható hobbikertészek számára. Amikor a virág gyökeret ereszt, a biodegradálható „csomagolásá2012. 49. évfolyam 3. szám
Források
European Bioplastics Association, http://en.european-bioplastics.org/ Bioplastics – the North American agenga, AMI sajtóközlemény, www.amiplastics.com Bioplastics to pass the one million tonne mark in 2011, European Bioplastics sajtóközlemény, 2011. május World Bioplastics, Freedonia Group piaci tanulmány, 2011. november, www.freedoniagroup.com Worl demand for bioplastics to exceed 1 million tons in 2015, www.greenerpackage.com
107
