MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
DIPLOMOVÁ PRÁCE
BRNO 2014
MARKÉTA NOVOTNÁ
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav agrochemie, půdoznalství, mikrobiologie a výživy rostlin
Vliv vybraných faktorů na kolonizaci biologicky rozložitelných plastů mikroorganismy Diplomová práce
Vedoucí práce:
Vypracovala:
Ing. Jaroslav Záhora, CSc.
Markéta Novotná
Brno 2014
ZDE SE NACHÁZÍ ZADÁNÍ PRÁCE
Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem práci: „Vliv vybraných faktorů na kolonizaci biologicky rozložitelných plastů mikroorganismy“ vypracovala samostatně a veškeré použité prameny a informace uvádím v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s § 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědoma, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle § 60 odst. 1 autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše. V Brně dne: 23. 4. 2014
………………………………………. podpis
Poděkování Chtěla bych tímto poděkovat panu Ing. Jaroslavu Záhorovi, CSc. za odborné vedení, pomoc, trpělivost a cenné rady poskytnuté při zpracování mé bakalářské práce. Dále bych chtěla poděkovat panu Ing. Ivanu Tůmovi, Ph.D. a panu Bc. Ing. Lukáši Ploškovi za pomoc při praktickém experimentu. Taktéž děkuji panu Radoslavu Lánskému za umožnění provedení experimentu na kompostárně ve Slavkově u Brna.
Abstrakt Tato
diplomová
práce
se
zabývá
problematikou
rozložitelnosti
biologicky
degradabilních plastů. Zaměřuje se na intenzitu jejich degradace v podmínkách kompostování a také na vliv různých faktorů na samotné osídlení biologicky rozložitelných plastů mikroorganismy. V úvodu teoretické části práce jsou definovány základní pojmy, týkající se biologicky rozložitelných plastů. Je zde vymezen rozdíl mezi plasty, které jsou skutečně biologicky rozložitelné a které podléhají pouze částečné degradaci. Dále je zde popsán proces biodegradace polymerů a vymezen pojem biodegradabilita a kompostovatelnost polymerů. V závěru teoretické části následuje popis procesu kompostování, jsou zde vyjmenovány jeho fáze a faktory, které proces ovlivňují. Praktická
část
práce
je
věnována
prověření
rozložitelnosti
biologicky
degradabilních plastů v podmínkách kompostování v provozních i laboratorních podmínkách. Laboratorní pokus je doplněn o výzkum vlivu různých faktorů na proces biodegradace
a
na
intenzitu
osidlování
biologicky
rozložitelných
plastů
mikroorganismy. Klíčová slova Biologicky degradabilní plasty, biodegradace, kompostování, mikroorganismy Abstract This diploma thesis deals with the degradation of biologically degradable plastics. It focuses on the intensity of their degradation under the conditions of composting and on the influence of various factors on the colonization of biodegradable plastics by microorganisms. In the introduction of the theoretical part the key concepts of the field of biodegradable plastics are defined. The difference between plastics that are actually biodegradable and that are subject to only partial degradation is specified. Further the description of the process of biodegradation of polymers and the definition of biodegradability and compostability of polymer sis noted. At the end of theoretical part, the composting proces is described, with the enumeration of the phases and factors that influence the process.
The practical part is devoted to the examination of the degradation of biologically degradable plastics in composting conditions both under a laboratory and under operating conditions. Laboratory experiment is complemented by the study of the influence of various factors on the process of biodegradation and on the intensity of colonization of biodegradable plastics by microorganisms. Keywords Biodegradable plastics, biodegradation, composting, microorganisms
OBSAH 1
2
ÚVOD A CÍL PRÁCE
11
1.1
Úvod.............................................................................................................. 11
1.2
Cíl práce ........................................................................................................ 12
TEORETICKÁ ČÁST 2.1
13
Polymery ....................................................................................................... 13
2.1.1
Syntetické polymery .............................................................................. 13
2.2
Plasty............................................................................................................. 14
2.3
Plasty se zkrácenou životností........................................................................ 14
2.3.1
Degradace plastů se zkrácenou životností .............................................. 16
2.4
Bioplasty ....................................................................................................... 16
2.5
Biologicky degradabilní plasty (BDP) ............................................................ 17
2.6
BDP X nebiodegradovatelné syntetické polymery.......................................... 18
2.7
Proces biodegradace BDP .............................................................................. 19
2.8
Faktory ovlivňující proces biodegradace BDP v podmínkách kompostování .. 21
2.8.1
Rozdělení BDP ...................................................................................... 23
2.8.2
BDP vyráběné ze škrobu........................................................................ 23
2.8.3
BDP vyráběné z kyseliny polymléčné (PLA) ......................................... 24
2.8.4
BDP vyráběné z polyhydroxyalkanoátů (PHA) ...................................... 25
2.9
Biologické zpracování odpadů ....................................................................... 26
2.10 Kompostování ............................................................................................... 29 2.11 Pojem biodegradace ....................................................................................... 31 2.11.1
Pojem biodegradace polymerů ............................................................... 31
2.12 Pojem kompostovatelnost .............................................................................. 31 2.12.1
Pojem kompostovatelnost polymerů ...................................................... 33
2.13 Substráty vhodné pro kompostování .............................................................. 34 2.14 Rozložitelnost substrátů ................................................................................. 35 2.15 Konvenční plasty v kompostu ........................................................................ 36 2.16 Příprava materiálu pro kompostování ............................................................. 36 2.17 Fáze kompostování ........................................................................................ 37
2.17.1
Mezofilní fáze ....................................................................................... 37
2.17.2
Termofilní fáze ...................................................................................... 37
2.17.3
Ochlazující fáze (druhá mezofilní fáze) ................................................. 38
2.17.4
Fáze dozrávání ...................................................................................... 38
2.18 aktory ovlivňující průběh kompostování ........................................................ 38 2.18.1
Substráty ............................................................................................... 39
2.18.2
Environmentální faktory ........................................................................ 41
2.19 Podíl mikroorganismů na procesu kompostování ........................................... 43 2.19.1
Bakterie ................................................................................................. 43
2.19.2
Houby ................................................................................................... 44
2.20 Způsoby a techniky kompostování ................................................................. 44
3
2.20.1
Statické způsoby kompostování ............................................................. 45
2.20.2
Dynamické způsoby kompostování ........................................................ 47
PRAKTICKÁ ČÁST 3.1
49
Experiment v provozních podmínkách kompostárny ...................................... 49
3.1.1
Kompostárna Slavkov u Brna ................................................................ 49
3.1.2
Surovinová skladba zakládky................................................................. 49
3.1.3
Průběh kompostování ............................................................................ 50
3.2
Materiál a metodika ....................................................................................... 50
3.2.1
Příprava vzorků ..................................................................................... 55
3.2.2
Založení experimentu ............................................................................ 56
3.2.3
Vyzvednutí vzorků ................................................................................ 57
3.2.4
Stanovení hmotnostního úbytku ............................................................. 58
3.2.5
Pokračování experimentu ...................................................................... 59
3.3
Výsledky a diskuze ........................................................................................ 60
3.4
Experiment v laboratorních podmínkách ........................................................ 65
3.5
Materiál a metodika ....................................................................................... 65
3.5.1
Příprava vzorků ..................................................................................... 65
3.5.2
Příprava kompostu................................................................................. 66
3.5.3
Výpočet navážky glukózy ...................................................................... 67
3.5.4
Výpočet navážky peptonu a glukózy ...................................................... 67
3.5.5
Výpočet navážky dusičnanu amonného (NH4NO3) ................................ 68
3.5.6
Příprava roztoků .................................................................................... 68
3.5.7
Stanovení hmotnostního úbytku ............................................................. 69
3.5.8
Stanovení míry osídlení BDP mikroorganismy ...................................... 69
3.6
Výsledky a diskuze ........................................................................................ 70
3.6.1
Stanovení hmotnostního úbytku ............................................................. 70
3.6.2
Stanovení míry osídlení BDP mikroorganismy ...................................... 72
4
ZÁVĚR
76
5
LITERATURA
78
6
SEZNAM OBRÁZKŮ
84
7
SEZNAM TABULEK
86
8
OBRAZOVÉ PŘÍLOHY
87
1 1.1
ÚVOD A CÍL PRÁCE Úvod
Neustále diskutovaným tématem je v dnešní době problematika stále narůstajícího množství plastových výrobků a s ním spojené narůstající množství plastových odpadů. Jednou z nejvýznamnějších vlastností plastů je jejich perzistence v okolním prostředí. Jelikož plasty nepodléhají přirozenému rozkladu, odpady z nich se stále hromadí na skládkách. Jednou z možností jak tomuto předejít je recyklace plastů, ta však není ekonomicky výhodná pro všechny jejich druhy. Velmi často se z hlediska energetického, ekonomického i z hlediska ochrany životního prostředí více vyplatí vyrobit plasty nové. Dalším způsobem jak s plastovým odpadem naložit je jeho energetické využití ve spalovnách odpadů. Tato možnost je však také vhodná pouze pro některé druhy plastů, jelikož ne všechny plasty dosahují požadované výhřevnosti. Další možností, jak předcházet vzniku odpadů z plastů je výroba plastů, které jsou biologicky degradabilní (BDP). Jedná se o plasty vyráběné ze škrobu, kyseliny polymléčné a tzv. PHA plasty, které jsou mikrobiálního původu. Biologicky rozložitelné plasty se ve vhodných podmínkách působením mikroorganismů rozkládají na CO2, H2O a biomasu. Biologicky degradabilní plasty se nejlépe rozkládají při procesu kompostování, jelikož zde jsou zajištěny ideální podmínky pro rozvoj mikroorganismů. Mikroorganismy dokáží využít BDP jako zdroj uhlíku pro své metabolické děje, kompostovací proces jim zajistí vhodnou teplotu, vlhkost, přísun kyslíku i dostatek ostatních živin.
~ 11 ~
1.2
Cíl práce
Cílem této diplomové práce je popsat a vymezit základní pojmy v oblasti biologicky degradabilních plastů, biodegradace a kompostovatelnosti. Dále bude následovat popis procesu kompostování a faktory, které tento proces ovlivňují. Dalším cílem je provedení experimentu v terénu, kde bude zkoumána intenzita biodegradace 3 druhů biodegradabilních plastů. Na základě experimentu v terénu bude proveden experiment v laboratorních podmínkách, kde bude zkoumán hmotnostní úbytek biologicky rozložitelných plastů a vliv vybraných faktorů na míru jejich osídlení mikroorganismy. V závěru práce bude provedeno vyhodnocení získaných hodnot.
~ 12 ~
2
TEORETICKÁ ČÁST
2.1
Polymery
Polymery jsou chemické látky disponující širokou škálou vlastností. Jak je zřejmé z jejich názvu, vyrábějí se chemickými reakcemi – polymerací, polykondenzací a polyadicí. Jsou složeny z makromolekul, které obvykle obsahují atomy uhlíku (C), vodíku (H) a kyslíku (O), často dusíku (N), chloru (Cl) a jiných prvků. Výrobky z polymerů jsou prakticky v tuhém stavu, ale v určitém stádiu zpracování jsou ve stavu kapalném. Za zvýšeného tlaku a teploty můžeme polymerům v kapalném stavu udělit nejrůznější tvary pro budoucí výrobky. Tvar samozřejmě volíme dle předpokládaného účelu využití. Následující schéma (Obrázek 1: Dělení polymerů [1]) znázorňuje základní dělení polymerů. [1]
Obrázek 1: Dělení polymerů [1]
Základní dělení polymerů je na elastomery a plasty. Do elastomerů potom řadíme kaučuky a do plastů termoplasty a reaktoplasty. 2.1.1
Syntetické polymery
Syntetické polymery jsou makromolekulární sloučeniny. Jejich relativní molekulová hmotnost se pohybuje kolem desítek až stovek tisíc. Základní strukturní jednotkou polymerů je mer. Je charakteristické, že se v jejich makromolekulách pravidelně opakuje. Vhodnou úpravou syntetických polymerů můžeme získat plasty a to tak, že do nich přidáme vhodné příměsi. Jestliže do nich přidáme změkčovadla, dosáhneme větší vláčnosti, pokud přidáme stabilizátory, například antioxidanty, dosáhneme naopak vyšší
~ 13 ~
stálosti. Zabarvení polymerů dosáhneme pomocí pigmentů. Pomocí plniv můžeme zvětšit jejich objem a to bez ohrožení jejich kvality. [2]
2.2
Plasty
Plasty řadíme mezi polymery. Za běžných podmínek jsou většinou tvrdé, často i křehké. Při vyšších teplotách se stávají plastickými (odtud pramení jejich název) a tvarovatelnými. Plasty dělíme na termoplasty a reaktoplasty. U termoplastů je změna z plastického do tuhého stavu vratná (opakovatelná), naopak u reaktoplastů je tato změna nevratná, jelikož je výsledkem nevratné chemické reakce. [1] Světová produkce plastů je ročně kolem 230 *103 milionů kg. Jejich významná, ale z ekologického hlediska nejméně vítaná vlastnost je jejich persistence v prostředí. Tato vlastnost společně s jejich vysokou produkcí vytváří řadu problémů a znemožňuje i jejich využití v různých oblastech. Proto se řada vývojových pracovišť i výrobců plastů intenzivně zabývá problematikou přípravy biodegradabilních materiálů na bázi syntetických sloučenin i zcela přírodních materiálů. [3]
2.3
Plasty se zkrácenou životností
Dle definice expertní komise Dolního Saska Spolkové republiky Německo jsou plasty se zkrácenou životností definovány jako: Polymery syntetického nebo přírodního původu, jejichž organické součásti se rozkládají některým z níže uvedených procesů. Jedná se o proces chemodegradace, fotodegradace, termodegradace a biodegradace (Obrázek 2: Vlivy podílející se na degradaci plastů se zkrácenou životností [4]). 60 % veškerých organických součástí v těchto plastech se rozloží v průběhu šesti měsíců. Podmínky a rychlost rozkladu jsou měřeny na základě standardních testů. [4]
~ 14 ~
Obrázek 2: Vlivy podílející se na degradaci plastů se zkrácenou životností [4]
Plasty se zkrácenou životností mohou být vyráběny z obnovitelných, ale i z fosilních zdrojů. Pro některé aplikace je nutno plasty z přírodních materiálů (škrob, kyselina polymléčná, atd.) kombinovat s plasty vyráběnými z fosilních zdrojů. V následující tabulce (Tabulka 1: Příklady plastů se zkrácenou životností [4]) jsou uvedeny příklady plastů se zkrácenou životností a postupy jejich výroby. [4] Tabulka 1: Příklady plastů se zkrácenou životností [4]
Postup výroby/surovina
Příklady polymerů/plasty
chemická syntéza na bázi fosilních zdrojů
polyester, polyesteramid, polyvinylalkohol
přímá fermentační syntéza
kyselina polyhydroxymáselná (PHB), polyhydroxvalerová (PHV)
syntetická modifikace polymerů přírodního původu
deriváty škrobu a celulózy
směsné plasty na bázi obnovitelných a fosilních zdrojů
škrobové blendy
chemická syntéza biotechnologicky vyrobených surovin
polymléčná kyselina (PLA)
~ 15 ~
2.3.1
Degradace plastů se zkrácenou životností
Plasty se zkrácenou životností se rozkládají následujícím způsobem: 1.
vystavení povrchu polymeru světelnému záření, teplotě, chladu, chemickým sloučeninám nebo mikroorganismům;
2.
narušení povrchu polymeru a následná difúze prostředí dovnitř polymeru;
3.
reakce prostředí a polymeru;
4.
difúze reakčních produktů na povrch polymeru;
5.
uvolňování reakčních produktů z povrchu polymeru do prostředí;
6.
rozklad polymeru. [4]
Pouze některé z těchto plastů můžeme nazvat opravdu biologicky rozložitelnými. Jedná se o plasty, které jsou opravdu vyrobeny pouze z přírodních materiálů jako je například škrob, celulóza nebo kyselina polymléčná. Tyto se v přírodě totiž zcela rozloží a nepůsobí na ni negativními vlivy, zatímco plasty syntetické, či polysyntetické, u nichž dojde jen k částečnému rozkladu, mohou působit v přírodě vážné potíže. Vzhledem k jejich hydrofobitě a velké ploše povrchu mohou plastová rezidua (mikročástice) migrovat do vody a dalších částí ekosystémů. Tyto částice se postupně hromadí v oceánech. Mořští živočichové konzumují mikroskopické částice plastů, jak lze pozorovat v zažívacím traktu různonožců (obyvatelé přílivové zóny oceánů). Bylo zjištěno, že degradované plastické rezidua mohou přitahovat a držet hydrofobní elementy jako jsou polychlorované bifenyly (PCB) a dichlordifenyltrichlorethan (DDT). [4,33]
2.4
Bioplasty
V posledních desetiletích došlo k významnému rozvoji výzkumu a částečně i výroby bioplastů. Jedná se o plasty, které jako plnidlo obsahují biodegradovatelnou složku. Nejvíce se používají plnidla na bázi škrobu (kukuřičného nebo bramborového), ropných produktů či celulózy. Plnidla se vtlačují do plastů ve formě zrn. Dávkují se v takovém množství, které neovlivňuje pevnost a mechanickou odolnost plastu, tj. asi 10-15 % z celkové hmotnosti plastu. Bioplasty taktéž nejsou stoprocentně biodegradovatelné. [5]
~ 16 ~
2.5
Biologicky degradabilní plasty (BDP)
Jsou to polymerní materiály rozložitelné v běžných podmínkách prostředí (tj. v půdách, v přirozených i odpadních vodách, v kompostech) za aerobních i anaerobních podmínek bez specifického zásahu člověka, přičemž rozklad hlavního uhlíkatého řetězce je zabezpečován především působením mikroorganismů. Za BDP jsou však považovány i takové plasty, u nichž je depolymerace zapříčiněná nebiologickými vlivy, avšak produkty rozkladu jsou mineralizovány mikroorganismy. Tyto plasty podlehnou nejprve například fotodegradaci a následně jsou rozloženy mikroorganismy. [5] Za BDP nejsou považovány takové plasty, u kterých dochází jen k částečnému rozkladu, například desintegraci plastu fotodegradací nebo chemodegradací. Za BDP nejsou považovány ani ty plasty, u nichž jsou rozkládány pouze přídavné složky (plniva, změkčovadla, barviva). [5] Vývoj produktů z biodegradabilních plastů, které splňují požadované vlastnosti pro danou aplikaci a po použití jsou biologicky rozložitelné, je významný z hlediska Hodnocení životního cyklu výrobku (Life Cycle Assessment - LCA). Zde je řešena otázka surovin a energie. Pro jejich výrobu se využívá vyprodukovaná biomasa, zatímco pro výrobu konvenčních plastů se využívá neobnovitelný zdroj – ropa. U BDP odpadá i problém s jejich následnou likvidací po skončení jejich životnosti, jelikož se v prostředí zcela rozloží. U klasických plastů však musíme řešit jejich materiálové či energetické využití nebo odstranění. Z hlediska metody LCA se tedy BDP jeví jako více šetrné k životnímu prostředí. Nemusí však tomu tak být vždy. Někdy může být produkce BDP energeticky náročnější než životní cyklus konvenčních plastů, to se ovšem stává jen ve výjimečných případech. Následující schéma (Obrázek 3: Srovnání uhlíkového cyklu klasických plastů a BDP [9]) nám znázorňuje srovnání uhlíkového cyklu výroby a zneškodnění konvenčních plastů a biologicky degradovatelných plastů vyráběných z biomasy. [6]
~ 17 ~
Obrázek 3: Srovnání uhlíkového cyklu klasických plastů a BDP [9]
2.6
BDP X nebiodegradovatelné syntetické polymery
Při současné úrovni kultury prodeje si můžeme jen těžko představit návrat k monopolu obalů z papíru, celofánu a kartonu. Každodenní používání plastů se již stalo běžnou součástí našeho života. Vzhledem k jejich již zmiňované perzistenci v okolí by bylo velmi vhodné je postupně z trhu vytěsnit a nahradit biologicky rozložitelnými plasty. Ty však vzhledem k jejich vysoké ceně v nejbližší době můžou jen těžko konkurovat klasickým nebiodegradovatelným syntetickým polymerům. Avšak v současné situaci, kdy stále vzrůstá naléhavost ekologicky šetrného nakládání s obalovými odpady, se používání
biologicky rozložitelných polymerů zajisté stane
nezanedbatelným
příspěvkem k ochraně životního prostředí. Tomu nasvědčuje i skutečnost, že spotřeba BDP v posledních letech stoupá asi o 50 % ročně, jak znázorňuje následující tabulka (Tabulka 2: Světová produkce BDP [8]). [7]
~ 18 ~
Tabulka 2: Světová produkce BDP [8]
2.7
Rok
Světová produkce BDP (t)
1990 1995 2000 2005
450 13 200 26 000 550 000
Proces biodegradace BDP
Biodegradace BDP je proces, při kterém dochází k rozkladu polymerů pomocí mikroorganismů. Obecně jsou zde dva způsoby narušení biodegradabilních polymerů: narušení povrchu BDP a celkové vnitřní narušení BDP. [9] Při povrchové erozi BDP mikroorganismy začínají konzumovat polymer enzymaticky z povrchu směrem dovnitř, což způsobuje v počáteční fázi pomalou redukci molekulové hmotnosti pouze v důsledku enzymatické reakce. Při vnitřním narušení BDP se polymer začne rozkládat po celém jeho průřezu, jelikož voda může pronikat skrz polymer do amorfních oblastí a způsobovat hydrolytické reakce, které štěpí hlavní polymerní řetězce a tím se snižuje velikost molekuly polymeru, což způsobuje rychlý pokles molekulové hmotnosti v počáteční fázi. Oligomery o nízké molekulové hmotnosti můžou difundovat na povrch polymerů a následně jsou konzumovány mikroorganismy. [9] Vnitřní eroze se může vyskytovat pouze u polymerů s hydrolyzovatelnými funkčními skupinami v hlavním řetězci. Probíhá tedy například u rozkladu PLA (Polylaktid Acid – kyselina polymléčná). Následující schéma (Obrázek 4: Změny v molekulární hmotnosti u PHB a PLA v závislosti na způsobu rozkladu [9]) znázorňuje změny v molekulární hmotnosti u povrchové eroze vzorku PHB (Polyhydroxybutyrate, vystavenému účinku mikroorganismů ve vodném roztoku a vnitřní erozi vzorku PLA v podmínkách kompostování. [9]
~ 19 ~
PHB
PLA
Obrázek 4: Změny v molekulární hmotnosti u PHB a PLA v závislosti na způsobu rozkladu [9]
U povrchové eroze PHB je molekulová hmotnost stabilní v počáteční fázi, protože mikroorganismy začínají degradovat polymer z vnějšího povrchu směrem dovnitř a potom rapidně klesá, protože se mikroorganismy dostávají směrem k vnitřnímu jádru struktury. U vnitřní eroze PLA klesá molekulová hmotnost rapidně v počáteční fázi, jelikož hydrolytická reakce způsobuje štěpení hlavního řetězce a následně zpomaluje jako důsledek konzumování malých oligomerů mikroorganismy. [9] Mikroorganismy jsou schopny rozložit BDP až na oxid uhličitý (CO2), vodu (H2O) a biomasu (těla samotných mikroorganismů). Vzniklý CO2 je následně utilizován rostlinami pomocí fotosyntézy a z těchto rostlin se můžou vyrábět další BDP. Jedná se tedy o jakýsi koloběh, při němž přímo z BDP nevznikají žádné odpady. Právě tento nepopiratelný ekologický aspekt je považován za největší výhodu BDP. [8] Následující schéma (Obrázek 5: Znázornění průběhu degradace polymerů [10]) znázorňuje celý průběh biodegradace BDP.
~ 20 ~
Obrázek 5: Znázornění průběhu degradace polymerů [10]
Faktory ovlivňující proces biodegradace BDP v podmínkách kompostování
2.8
Biodegradabilita BDP v podmínkách kompostování je ovlivněna dvěma skupinami faktorů: 1.
vlastnosti polymerů,
2.
podmínky expozice. a.
Abiotické faktory
b.
Biotické faktory [9]
Abiotické faktory okolního prostředí, jako je teplota, pH a vlhkost kompostu, mohou ovlivnit míru biodegradace mikroorganismy a míru hydrolytických reakcí. Obě, hydrolytická reakce i mikrobiální aktivita rostou se stoupající vlhkostí a teplotou. Avšak když je teplota moc vysoká, mikrobiální aktivita klesá a může se dokonce zastavit. Biodegradace může být ovlivněna i ÚV zářením a to pozitivně i negativně. Ve struktuře polymeru může způsobit rozštěpení řetězce, jeho síťování, popřípadě obojí. [9] Mezi biotické faktory řadíme vlastnosti mikroorganismů, kteří se podílejí na biodegradaci polymerů. Je těžké stanovit, které mikroorganismy rozkládají lépe a které hůře. Každý mikroorganismus má svou typickou škálu enzymů a tyto enzymy zase štěpí pouze některé polymery. [9]
~ 21 ~
Z hlediska vlastností polymerů závisí míra biodegradace na dostupnosti polymerního řetězce pro vodu a mikroorganismy. Konformační flexibilita (kolik energie je potřeba k rotaci molekul kolem vazeb a jak je možné pohybovat s atomy blíže či dále od sebe) hraje významnou roli při biodegradaci polymerů. Čím více je polymer flexibilní, tím lepší má přístup k vodě a mikroorganismům. Všechny faktory, které ovlivňují průběh biodegradace BDP během procesu kompostování shrnuje následující schéma (Obrázek 6: Faktory ovlivňující biodegradaci BDP [9]). [9]
Obrázek 6: Faktory ovlivňující biodegradaci BDP [9]
~ 22 ~
2.8.1
Rozdělení BDP
Biologicky degradovatelné plasty můžeme rozdělit na BDP vyráběné z ropy a na BDP vyráběné z obnovitelných zdrojů. [11] BDP vyráběné z ropy
1.
poly-ε-kaprolakton - PCL,
polyvinylalkohol - PVA,
polyesteramidy - PEA,
polyoxyethylen - POE,
alifatické polyestery na bázi diolů a dikarboxylových kyselin,
aromaticko-alifatické kopolyestery. [11] BDP vyráběné z obnovitelných zdrojů
2.
kyselina polymléčná - PLA,
polyhydroxyalkanoáty - PHA (poly-β-hydroxybutyrát – PHB),
termoplastický škrob. [11]
2.8.2
BDP vyráběné ze škrobu
Škrob je makromolekulární látka, konkrétně polysacharid se vzorcem (C6H10O5)n. Je složen ze dvou různých polysacharidů: z amylózy a amylopektinu, tvořených několika tisíci až desetitisíci molekulami glukózy. Kromě glukózy obsahuje ještě malé množství lipidů, proteinů a asi 25-35 % vody. Je syntetizován rostlinami. Slouží pro ně jako zásobárna energie. V přírodě se škrob velmi rychle rozkládá, jelikož mikroorganismy dokáží štěpit jeho vazby velmi rychle. Škrob se v přírodě rozkládá až na oxid uhličitý (CO2) a vodu (H2O), nepředstavuje tedy pro životní prostředí žádnou zátěž. [8] Z celkové produkce BDP dosahují plasty odvozené od škrobu na trhu až 80% zastoupení. Pro použití škrobu k výrobě BDP se k němu přidávají speciální aditiva (platifikátory). Tím se získá tzv. „termoplastický škrob“, jehož vlastnosti se odvíjí od množství přidaných aditiv. [8] Škrob se také může mísit s degradovatelnými konvenčními polymery, například polyestery, což vede k vytvoření materiálu, který je z jedné strany tvořen hydrofilním škrobem a ze strany druhé hydrofobním polymerem. Tímto způsobem se vyrábí vodě ~ 23 ~
odolné biodegdradovatelné fólie. Ze škrobu se mohou vyrábět speciální plasty, které odpovídají požadavkům kladeným na určitý výrobek, což je umožněno právě díky možnosti regulace jeho vlastností. Dnes jsou výrobci schopni ze škrobu vyrábět různé balící fólie, pytle, tašky, kelímky a nádobí. [8] 2.8.3
BDP vyráběné z kyseliny polymléčné (PLA)
PLA je termoplastický alifatický polyester. Vyrábí se ze škrobu. Tedy vstupními surovinami pro výrobu PLA jsou rostliny produkující škrob, například kukuřice či cukrová třtina. Škrob se z rostlin vyextrahuje a následně je štěpen na své stavební jednotky – molekuly glukózy. Glukóza je pak fermentativně převedena na kyselinu mléčnou (C3H6O3). Poté se provádí chemická polymerace kyseliny mléčné a vzniká výsledný polymer – kyselina polymléčná (PLA). Její strukturní vzorec je (C3H4O2)n. [12] PLA je velmi zajímavým plastem především díky svým mechanickým vlastnostem. Velkou výhodou PLA je jeho průhlednost. Je možné, že klasické, těžko odbouratelné PET lahve, budou v budoucnu nahrazeny právě lahvemi z PLA. Ty se už nyní na trhu vyskytují. Právě plasty vyrobené z PLA mají podobné vlastnosti jako plasty vyrobené z polyethylentereftalátu (PET lahve). [12] Dnes se PLA uplatňuje především ve formě obalových materiálů pro potraviny, kelímků na pití či jogurty, průhledných obalových fólií nebo misek. Následující obrázek (Obrázek 7: Průběh rozkladu PLA lahve v kompostovacích podmínkách [13]) znázorňuje rozklad lahve vyrobeného z PLA po 30 dnech. [12]
~ 24 ~
Obrázek 7: Průběh rozkladu PLA lahve v kompostovacích podmínkách [13]
2.8.4
BDP vyráběné z polyhydroxyalkanoátů (PHA)
PHA jsou lineární polyestery 3-hydroxykyselin. Na rozdíl od škrobových plastů a PLA, které jsou rostlinnými polymery, jsou PHA polymery mikrobiálního původu. Jsou produkovány širokým spektrem bakterií ve formě nerozpustných inkluzí v cytoplasmě. Vznikají fermentací cukrů nebo lipidů. PHA jsou biologicky rozložitelnými plasty, které se svými vlastnostmi podobají nejvíce konvenčním plastům. Dle procesu výroby mohou být plasty vyrobené z PHA méně či více elastické. Jsou stabilní k UV záření. Vykazují malou prostupnost pro vodu. Na rozdíl od PLA vydrží teploty až do 180°C. [12] Záměrem výroby PHA bylo kompletní nahrazení konvenčních plastů, k tomu ale nikdy nedošlo. Od 70. let dvacátého století začala britská firma ICI produkovat tyto materiály pod obchodním názvem Biopol. Tyto PHA plasty však nemohly konkurovat konvenčním plastům vyráběným z ropy, jelikož jejich cena byla mnohem vyšší. Nyní se z PHA vyrábí zejména balící materiály. [12]
~ 25 ~
Níže uvedené schéma (Obrázek 8: Srovnání rychlosti mineralizace v procentech PLA, PET lahví a kukuřičného škrobu, měřeno dle standardů ASTM D5338 a ISO 14855 [13 ]) znázorňuje srovnání rychlosti mineralizace PET lahve, kukuřičného škrobu a PLA. Z daného vyplývá, že nejvíce se mineralizoval škrob, za 65 dnů byl zmineralizován až ze 75 %, PLA potom z 65 %, zatímco PET lahev zmineralizovala asi jen ze 2 %.
Obrázek 8: Srovnání rychlosti mineralizace v procentech PLA, PET lahví a kukuřičného škrobu, měřeno dle standardů ASTM D5338 a ISO 14855 [13 ]
Biologické zpracování odpadů
2.9
Biologicky lze zhodnotit jak organické, tak anorganické odpady.
Biologicky využitelný anorganický odpad – pochází z různých průmyslových podniků, které zpracovávají suroviny a druhotné suroviny. Zejména z odpadních vod těchto podniků lze biologickou cestou (převážně činností mikroorganismů) získávat některé kovy a prakticky významné prvky. [14]
Biologicky rozložitelný odpad (BRO) -
je dle vyhlášky č. 383/2001 Sb.
definován jako: odpad rozložitelný za přístupu nebo nepřístupu vzduchu. Jedná se tedy o odpady, obsahující různé typy organických látek, které mohou ve svém ~ 26 ~
metabolismu využívat mikroorganismy, příp. někteří bezobratlí živočichové a tím je účinně přeměňovat (rozkládat, humifikovat, mineralizovat). Biologicky rozložitelné odpady tedy pochází ze zemědělství a lesnictví, zahradnictví, údržby krajiny, ale i z komunálního odpadu (biologicky rozložitelný komunální odpad – BRKO). Taktéž vznikají při čištění odpadních vod, při průmyslovém zpracování dřevní hmoty a v potravinářském průmyslu. [14] V podstatě tedy existují dvě možné cesty využití biologicky rozložitelných odpadů: Materiálové využití odpadů – dle zákona 185/2001 Sb. se jedná o: způsob využití
1.
odpadů zahrnující recyklaci a další způsoby využití odpadů jako materiálu k původnímu nebo jiným účelům, s výjimkou bezprostředního získání energie. [15] Energetické využití odpadů – současné platné právní předpisy neposkytují
2.
jednoznačnou definici energetického využití odpadů. Přesto však můžeme říci, že se jedná o použití odpadů hlavně způsobem obdobným jako paliva za účelem získání jejich energetického obsahu nebo jiným způsobem k výrobě energie. [15] Dle vyhlášky č. 341/2008 Sb. se zařízení k biologickému zpracování odpadů dělí dle používané technologie na:
kompostárny a další zařízení s aerobním procesem zpracování odpadů
bioplynové stanice a další zařízení s anaerobním procesem zpracování odpadů [16]
BRO jsou zhodnocovány především kompostováním, anaerobním zpracováním a spalováním. [14] Dále bude blíže popsána metoda kompostování, jelikož tato bude využita při praktickém experimentu. V následující tabulce (Tabulka 3: Biologicky zpracovatelné odpady dle katalogu odpadů [14]) je shrnut výčet BRO dle katalogu odpadů.
~ 27 ~
Tabulka 3: Biologicky zpracovatelné odpady dle katalogu odpadů [14]
Významnou kategorii biologicky zpracovatelných odpadů tvoří komunální odpad. V posledních letech v ČR ročně vzniká 3 – 3,5 * 109 kg komunálních odpadů a toto množství se neustále zvyšuje. Biologicky rozložitelné odpady tvoří v průměru 49% všech komunálních odpadů, jak vidíme v následující tabulce (Tabulka 4: Produkce komunálních odpadů v tunách v letech 2008 – 2012[17]) [17]
~ 28 ~
Tabulka 4: Produkce komunálních odpadů v tunách v letech 2008 – 2012[17]
Z prognóz vyplývá, že do r. 2020 se bude množství komunálního odpadu neustále zvyšovat a současně se bude zvyšovat i zastoupení biologicky rozložitelného odpadu. Kdyby bylo dosaženo zavedení lepšího vytřídění BRO z komunálního odpadu, rozhodně by nekončilo takové množství BRO na skládkách a tento odpad by mohl být využit mnohem efektivněji, ať už kompostováním, nebo energetickým zhodnocením v bioplynových stanicích. V tabulce č. 4 si také můžeme povšimnout vysokého podílu odpadních plastů v KO. Plastové opady způsobují stále větší environmentální problémy. Bylo by proto vhodné zvýšit zastoupení biologicky rozložitelných plastů na našem trhu. [14]
2.10 Kompostování Kompostování () je nejrozšířenějším způsobem zhodnocení biologicky rozložitelných odpadů. Kompostování můžeme definovat jako biologický proces, při kterém dochází k transformaci (rozkladu, mineralizaci, humifikaci) látek pomocí mikroorganismů a bezobratlých živočichů a výsledným produktem je kompost. Při kompostování tedy napodobujeme přirozené přeměny organických látek v přírodě, urychlujeme je a regulujeme tím, že vytváříme optimální podmínky pro činnost mikroorganismů a bezobratlých živočichů. [14] ~ 29 ~
Více specificky, podle etymologického významu slova „composting“ (z latinského kompositum, znamenajícího směs) představuje kompostování biodegradační proces směsi substrátů, vykonávaný mikrobiální komunitou, složenou z různých populací mikroorganismů, v aerobních podmínkách v pevném stavu. [18] Naproti tomu mikrobiální transformace čistých substrátů se nazývá fermentace nebo biooxidace, ale ne kompostování. [18] Kompostování provádíme za účelem zmenšení objemu a hmotnosti organických odpadů, snížení počtu patogenních mikroorganismů, parazitů, škůdců a semen plevelů a výroby kvalitního organického hnojiva, tj. kompostu. [14] Následující obrázek (Obrázek 9: Cyklus obnovitelných materiálů, procházejících procesem kompostování [9]) znázorňuje cyklus materiálů, které vstupují do procesu kompostování.
Obrázek 9: Cyklus obnovitelných materiálů, procházejících procesem kompostování [9]
~ 30 ~
2.11 Pojem biodegradace Podle Albertssona a Karlssona je biodegradace definována jako: proces, který je vykonáván prostřednictvím enzymů a/nebo chemický rozklad související s živými organismy (bakterie, plísně, atd.) a jejich sekrečními produkty (enzymy). [19] Nezbytné je také zvážit abiotické reakce jako je fotodegradace, oxidace a hydrolýza, které také můžou změnit daný materiál před, během nebo místo biodegradace s ohledem na environmentální faktory. Mezinárodní organizace, například Americká společnost pro testování a materiály (American Society for Testing and Materials - ASTM) ve spojení s Institutem pro výzkum standardů (ISR), Evropskou standardizační komisí (CEN), Mezinárodní standardizační organizací (ISO) a dalšími jsou stále aktivní v oblasti vývinu definicí a testování biorozložitelnosti v různých prostředích. [19] 2.11.1
Pojem biodegradace polymerů
Standardní celosvětová definice pro biodegradabilní polymery dosud nebyla stanovena. Ale všechny již existující definice mluví o rozložitelnosti materiálu v konkrétním prostředí (např. podmínky kompostování) a o specifické testovací metodě, která simuluje toto prostředí v určitém časovém období, za které má být materiál rozložen. [19]
2.12 Pojem kompostovatelnost Norma ČSN EN 14806 (Obaly - Předběžné hodnocení rozpadu obalových materiálů v modelových podmínkách kompostování v laboratorním měřítku) vyznačuje pojem kompostovatelnost jako: náchylnost materiálu podléhat biodegradaci v průběhu kompostování. [34] Jsou zde 2 hlavní faktory, které činí materiál kompostovatelný: samotný materiál a mikroorganismy v kompostu. Základní požadavky na materiál, aby mohl být prohlášen za kompostovatelný, jsou založeny na těchto faktorech: [19] 1.
kompletní biorozložitelnost materiálu, měřeno respirickými testy jako ASTM D5338-92, ISO/CD 14855 a odpovídající CEN návrh nebo modifikovaný Sturm test ASTM D5209, v časovém období několika měsíců při procesu kompostování; ~ 31 ~
2.
žádné nežádoucí účinky na kvalitu kompostu a zejména žádné toxické účinky kompostu a výluhů z kompostu na vodní a terestiální organismy;
3.
dezintegrace materiálu během fermentační fáze;
4.
kontrola/ověření výsledků získaných v laboratorním měřítku na kompostárně pilotních rozměrů. [19]
Na obrázku (Obrázek 10:Příklady označení kompostovatelných materiálů [13]) jsou znázorněna 3 vybraná loga, která označují certifikované kompostovatelné výrobky. Logo a) je logo americké společnosti BPI (Biodegradable products institute – Institut pro biodegradabilní produkty). Logo b) je logo německé společnosti DIN CERTCO, jedná se o tzv. „Seedling“ logo. Logo c) je logo belgické společnosti Vinçotte, tzv. OK Compost logo.
Obrázek 10:Příklady označení kompostovatelných materiálů [13]
~ 32 ~
2.12.1
Pojem kompostovatelnost polymerů
Kompostovatelné polymery jsou definovány skupinou národních, evropských i mezinárodních norem. V ČR je nyní platná norma ČSN EN 13432. Tato evropská norma stanovuje požadavky a postupy pro určení kompostovatelnosti a možnosti anaerobní úpravy obalů a obalových materiálů pomocí čtyř následujících charakteristik: 1.
biodegradabilita,
2.
rozpad v průběhu biologické úpravy,
3.
ovlivnění procesu biologické úpravy,
4.
účinnost na jakost výsledného kompostu. [20]
Podle normy ČSN EN 13432 musí kompostovatelný materiál splňovat následující požadavky: 1.
biodegradovatelnost: schopnost kompostovaného materiálu transformovat se na CO2 působením mikroorganismů. Tato vlastnost je měřená prostřednictvím normy EN 14046 (též publikovaná jako ISO 14855 – Biodegradovatelnost v řízených podmínkách kompostování). Ve snaze prokázat celkovou biodegradovatelnost musí být dosažena úroveň biodegradace minimálně 90% v čase kratším než 6 měsíců;
2.
dezintegrovatelnost: fyzický rozpad materiálu na části v konečném kompostu pouhým okem neviditelné - je měřena zkouškou dle normy EN 14045 - Hodnocení rozpadu obalových materiálů pomocí prakticky zaměřených zkoušek při definovaných podmínkách kompostování;
3.
absence negativních vlivů na proces kompostování;
4.
nízký obsah těžkých kovů a absence negativního vlivu finálního kompostu. [21]
Na rozdíl od standardů ASTM lze normu ČSN/EN 13432 aplikovat na jakýkoliv obal nebo součást obalu. Dalším rozdílem v těchto dvou normách je to, že norma ASTM D6400 využívá k hodnocení kompostovatelnosti materiálů 3 kritérií a to dezintegrace, biodegradace a bezpečnosti. [13,21]
~ 33 ~
Níže (Obrázek 11: Schéma posuzování kompostovatelnosti materiálu dle normy ASTM D6400 [13]) je uvedeno schéma posuzování kompostovatelnosti materiálu dle normy ASTM D6400.
Obrázek 11: Schéma posuzování kompostovatelnosti materiálu dle normy ASTM D6400 [13]
2.13 Substráty vhodné pro kompostování Během kompostování vyplývá rozklad materiálů z běžných biochemických cest rozkladných procesů. Substráty jsou obvykle biogenní, to znamená, že pochází z biologické aktivity. Tudíž všechny dostupné substráty jsou buď rostlinného, živočišného nebo mikrobiálního původu. Obecně platí, že nejvyšší zastoupení v kompostové zakládce tvoří rostlinné materiály, zatímco živočišné a mikrobiální ~ 34 ~
komponenty jsou pouze minoritní frakcí, ale obvykle jsou nejvíce bohaté na živiny (zejména dusík). 18] Substráty pro kompostování můžou být produkovány buď přírodními (chlévská mrva) nebo průmyslovými procesy (biodegradabilní plasty). Zde je seznam surovin, které se kompostují:
směsný komunální odpad,
zbytkový odpad,
zahradní odpad a další zelené odpady,
odpady ze zemědělské činnosti,
bioodpad,
čistírenské kaly,
papírové produkty,
tržní odpad,
výrobní zbytky,
lesní odpad. [22]
2.14 Rozložitelnost substrátů Z chemického hlediska se substráty skládají z organické a anorganické frakce. Organický frakce se skládá z několika méně či více biodegradabilních organických složek obsahujících: 1.
lignin, hemicelulózu a celulózu,
2.
sacharidy a škrob,
3.
tuky a vosky,
4.
proteiny. [22]
Obecně roste odolnost těchto organických složek vůči mikrobiálnímu rozkladu v následujícím pořadí: sacharidy, škrob, bílkoviny, tuky, hemicelulóza, celulóza, lignin a další vysokomolekulární fenolové složky. Vosky se rozkládají velmi obtížně. [22] Hlavními složkami lignocelulolytických odpadů (větve, pařezy) je celulóza (20-50 % sušiny), hemicelulóza (10-25 % sušiny) a lignin (15-30 % sušiny). Potraviny mohou obsahovat podstatně vyšší podíl sacharidů a škrobu (až do 84 % sušiny), bílkovin (až 81 % sušiny) a tuků (až 63 % sušiny). U čistírenských kalů bylo zjištěno toto složení: ~ 35 ~
37 % bílkovin, 4,7 % tuků, 2,6 % celulózy a 6,9 % ligninu. Zde by mělo být zdůrazněno, že ve složení stejných surovin jsou výrazné rozdíly. [22] Míra
rozkladu
biologicky
rozložitelných
organických
odpadů
je
měřítkem
stechiometrické spotřeby kyslíku a také klíčovým faktorem ovlivňujícím energetickou bilanci během kompostování. Při typickém kompostování potravinářské odpady dosahují více než 60% míry rozkladu organického materiálu, bioodpady okolo 50% rozkladu, lignocelulolytický rostlinný materiál okolo 35-45% rozkladu a čistírenský kal okolo 70-80% rozkladu. Odolnější substráty s nižší mírou rozkladu mohou být příčinou nedostatečného uvolňování tepelné energie během zimy. Aby bylo dosaženo uspokojivého sebezahřívacího procesu musí být do kompostové zakládky přidáno více biodegradabilních odpadů. [22]
2.15 Konvenční plasty v kompostu Syntetické plasty nebo jejich částice představují v kompostu značný kontaminační problém. Proto je separace konvenčních plastů velmi důležitým faktorem pro celý průběh procesu kompostování i pro kvalitu výsledného produktu – kompostu. Kompost, obsahující mikročástice plastů je aplikován na půdy a tím dochází ke zhoršení jejich vlastností. Řešením tohoto problému je tedy důsledná separace plastů z odpadů nebo postupné zavedení biologicky rozložitelných plastů do oběhu. [13]
2.16 Příprava materiálu pro kompostování Cílem přípravy je separace materiálů, které by mohly narušovat průběh biologických procesů během kompostování a kvalitu kompostu. Z materiálů pro kompostování se odstraňují především kovy, sklo a plasty. Toto se děje mechanickou separací nebo v případě kovů separací magnetickou. [14] Dalším krokem je dezintegrace materiálu drcením, řezáním a štěpkováním na velikost částic přibližně 15 - 25 mm. Dezintegrace materiálu na menší částice má za úkol zvýšit povrch substrátu pro následné osídlení mikroorganismy. Částice by neměly být menší, než bylo uvedeno, to by vedlo ke slehávání kompostované hmoty a vytváření anaerobních podmínek v kompostových zakládkách. Jako další krok je materiál homogenizován – promísen. [14]
~ 36 ~
2.17 Fáze kompostování Biologické a biochemické přeměny kompostovaného materiálu probíhají v několika na sebe navazujících fázích. Jedná se o: (1) fázi rozkladu lehce odbouratelných organických látek, (2) fázi strukturní přestavby hůře rozložitelných organických látek, (3) fázi syntézy humusových látek. [14] Další dělení fází kompostování je následující: 2.17.1
Mezofilní fáze
Tato fáze je také nazývána jako fáze startovací. V této fázi dochází k nárůstu teploty, jednoduše rozložitelné sloučeniny jako jsou cukry a bílkoviny jsou rozkládány houbami, aktinobakteriemi a bakteriemi, obecně nazývanými jako primární rozkladači. Za předpokladu, že mechanické vlivy jsou malé, také rozvoj červů, roztočů, stonožek a další mezofauny je nízký, tudíž většinou působí jako katalyzátor. Role těchto živočichů je většinou zanedbatelná, záleží to však na kompostovací metodě. Bylo zjištěno, že množství mezofilních organismů v substrátu je o tři řády vyšší než množství termofilních organismů, ale aktivita primárních rozkladačů indukuje zvýšení teploty. [14] 2.17.2
Termofilní fáze
Organismy, které se adaptují na vyšší teploty, mají konkurenční výhodu a pozvolna téměř zcela nahradí mezofilní flóru. Dříve se rozvíjející mezofilní organismy odumírají a jsou nakonec nahrazeny úspěšnějšími termofilními organismy, které také rozkládají lehce rozložitelné substráty. Rozklad rychle pokračuje a zrychluje až na teplotu kolem 62°C. Termofilní houby se nejvíce rozvíjejí v rozmezí teplot 35-55°C, vyšší teploty růst hub inhibují. Termotolerantní a termofilní bakterie a aktinobakterie zůstávají aktivní i ve vyšších teplotách. I přesto, že při dosažení teploty 65°C je zničena většina mikroorganismů, teplota může dále stoupat a dosáhnout až 80°C. Tato finální teplota pravděpodobně nesouvisí s mikrobiální aktivitou, ale spíše s efektem abiotických exotermických reakcí, ve kterých můžou být zapojeny enzymy aktinobakterií. [14]
~ 37 ~
2.17.3
Ochlazující fáze (druhá mezofilní fáze)
Když aktivita termofilních organismů začne ustávat kvůli vyčerpání substrátu, teplota začne klesat. Mezofilní organismy, které přežily nebo byly naočkovány externě, znovu osídlí substrát. Tato fáze je charakteristická nárůstem poštu mikroorganismů, které rozkládají škrob a celulosu. Jsou mezi nimi bakterie i houby. [14] 2.17.4
Fáze dozrávání
Během dozrávací fáze kvalita substrátu klesá a v několika sukcesivních krocích je skladba mikrobiální komunity zcela změněna. Většinou se zvýší počet hub, zatímco počet bakterií poklesne. Sloučeniny, které nejsou dále rozložitelné, jako ligninhumusové komplexy, jsou formovány a stávají se převažujícími. [14] Průběh těchto 4 fází vidíme na následujícím grafu (Obrázek 12: Teplotní charakteristika a výsledný produkt biochemických přeměn kompostovaného materiálu [14])
Obrázek 12: Teplotní charakteristika a výsledný produkt biochemických přeměn kompostovaného materiálu [14]
2.18 aktory ovlivňující průběh kompostování Obecně můžeme faktory, které ovlivňují průběh kompostování, rozdělit do dvou skupin:
Substráty (typy a zdroje živin, poměr C/N, velikost částic) ~ 38 ~
Environmentální faktory (teplota, pH, aerace, obsah vlhkosti) [18]
2.18.1
Substráty
Jako v jakémkoli jiném biologickém procesu, chemické a fyzikální charakteristiky substrátu jsou zásadní pro proveditelnost procesu. V podstatě, jde o dostupnost živin mikroorganismům a koncentraci a vyváženost živin, které určují proveditelnost kompostovacího procesu. Některé z nejdůležitějších fyzikálních charakteristik substrátu se týkají primárně velikosti částic a obsahu vlhkosti materiálu. Další ze souvisejících chemických vlastností jsou ty, spojené s velikostí, složitostí a povahou molekul. Složitost a povaha molekulární struktury substrátu jsou zvláště důležité, jelikož tyto charakteristiky určují vstřebatelnost živin mikroorganismy. Míra přizpůsobitelnosti mikroorganismů substrátu je funkcí schopnosti mikroorganismů syntetizovat enzymy zodpovědné za rozklad komplexních sloučenin. Komplexní sloučeniny jsou rozloženy na meziprodukty nebo nové buněčné materiály. V případě, že všechny mikroorganismy nemají potřebné enzymy, zůstává substrát v podstatě ve své původní podobě. [18]
Typy a zdroje živin
Hlavní makronutrienty pro mikroorganismy jsou uhlík (C), dusík (N), fosfor (P) a draslík (K). Mezi mikronutrienty řadíme kobalt (Co), mangan (Mn), hořčík (Mg), měď (Mu) a mnoho dalších. Vápník (Ca) spadá mezi mikro a makro-nutrienty. Jeho hlavní úlohou je vyrovnávání hladiny pH, slouží tedy jako pufrační činidlo. [18] I když jsou živiny v substrátu přítomny v dostatečném množství, jsou mikroorganismům nepřístupné, dokud nejsou ve formě, kterou můžou mikroorganismy asimilovat, čímž se jim stávají dostupnými. Je důležité si uvědomit, že dostupnost živin je funkcí enzymatické vybavenosti konkrétního mikroba. [18] Dalším důležitým aspektem dostupnosti živin při kompostování je, že některé organické molekuly jsou velmi rezistentní, tedy odolné vůči mikrobiálnímu rozkladu, a to i vůči mikroorganismům, které mají příslušný enzymatický komplex. Následkem toho jsou tyto materiály rozkládány pomaleji, i když jsou všechny environmentální podmínky udržovány na optimální úrovni. Takovým typem materiálu je například lignin (dřevo) a chitin (peří). [18]
Poměr C:N, N:P ~ 39 ~
Výchozí materiál pro kompostování by měl mít hodnotu C:N 35 – 40 : 1, jelikož v průběhu kompostování dochází ke ztrátám uhlíku ve formě CO2 a dusíku (NH3) mikrobiální respirací a amonifikací. Tyto ztráty dosahují asi 30 % z počátečního obsahu C a 20 % z počátečního obsahu N. Při vyšších hodnotách C:N je nutno obohatit kompostovaný materiál dusíkem. K tomu lze použít minerální dusíkatá hnojiva, kejdu či chlévskou mrvu. [18] V substrátech pro kompostování bývá zpravidla nízký obsah fosforu. Jeho množství je třeba doplnit na poměr N/P = 10/1, jež je optimální pro metabolismus mikroorganismů. Chybějící fosfor se většinou doplňuje superfosfáty. [18] Jak lze vidět v grafu (Obrázek 13:Vliv poměru C:N kompostovaného materiálu na teplotu kompostové zakládky [14]) s klesajícím poměrem C:N teplota roste.
Obrázek 13:Vliv poměru C:N kompostovaného materiálu na teplotu kompostové zakládky [14]
Velikost částic
Velikost částic substrátu může také ovlivnit průběh kompostování. Obecně platí, že čím menší jsou částice substrátu, tím rychleji je substrát rozkládán a tím je uvolňována vyšší teplota (Obrázek 14: Vliv velikosti částic kompostovaného materiálu na teplotu kompostové zakládky [14]) [14]
~ 40 ~
Obrázek 14: Vliv velikosti částic kompostovaného materiálu na teplotu kompostové zakládky [14]
2.18.2
Environmentální faktory
Jelikož kompostování je biologický proces, je zásadně ovlivněn množstvím environmentálních faktorů, které určují chod procesu v každém biologickém systému. Základními environmentálními faktory, ovlivňujícími kompostování jsou teplota, pH, aerace a vlhkost. Tyto faktory společně určují míru a rozsah rozkladu substrátu. Přestože používáme termín „společně“, proces je vždy určen faktorem, který je nejvzdálenější od jeho optimální hodnoty, tzv. limitujícím faktorem. [18]
Teplota
Kompostování je bio-oxidativní mikrobiální degradace mixu organických látek. Tento exotermický proces produkuje relativně velké množství energie. Pouze 40-50 % této energie může být využito mikroorganismy k syntéze ATP (adenosintrifosfát), zbývající energie je v systému uvolněna jako teplo. Toto velké množství tepla způsobuje zvýšení teploty v systému a může dosáhnout teploty až 70°C. Finstein nazval tento proces „mikrobiální sebevražda“. Ve skutečnosti, vysoká teplota inhibuje mikrobiální růst a zpomaluje biodegradaci organického materiálu. Pouze několik druhů termofilních bakterií vykazuje metabolickou aktivitu nad 70°C. Abychom dosáhli vysoké míry biodegradace a maximální mikrobiální diverzity, teplota musí dosahovat hodnot 30 až 45°C. [18] Termofilní fáze však nemůže být zcela eliminována, jelikož je nejdůležitější při redukci patogenů. Termofilní fáze je udržována na začátku procesu, jelikož dochází k rozkladu snadno rozložitelných molekul, což způsobuje zvýšení teploty až na 70°C. [18] ~ 41 ~
pH
Obecně může být organický materiál s širokou škálou pH (od 3 do 11) kompostován. Optimální hodnoty pH jsou ale mezi 5,5 a 8. Bakterie preferují spíše neutrální pH, houby však spíše kyselé prostředí. [18] V praxi se hladina pH v kompostovaném materiálu nemění jednoduše. Obecně začíná pH klesat ze začátku procesu, jako následek aktivity bakterií, které rozkládají uhlíkaté materiály na organické kyseliny, jako meziprodukty. Když tato acidifikační fáze skončí a meziprodukty jsou kompletně mineralizovány, pH se začne zvyšovat a ke konci procesu dosahuje hodnot 8 až 8,5. [18]
Aerace
Při kompostování je dodání kyslíku do kompostované hmoty jedním z hlavních faktorů, který může být ovlivněn technologií a kvůli kterému se designují systémy. Množství kyslíku, nutné pro zajištění mikrobiální činnosti, lze přibližně určit dle složení kompostovaného materiálu. Vychází se z toho, že na rozklad 1 g organických látek se spotřebují 2 g kyslíku. Musíme ovšem počítat i s tím, že spotřeba O2 závisí na obsahu vody a teplotě kompostu, jelikož se stoupající teplotou rozpustnost kyslíku ve vodě klesá. [18] Při obvyklém teplotním průběhu kompostování a optimální vlhkosti pak platí, že potřeba O2 pro mikrobiální činnost je zajištěna přívodem 4 – 7,2 litrů na 1 kg kompostovaných organických látek. [14]
Obsah vlhkosti
Po celou dobu kompostování by se měla vlhkost kompostovaného materiálu pohybovat v rozmezí 50-60 %. Jelikož se voda v průběhu kompostování odpařuje v důsledku biologicky podmíněného samozahřívání materiálu a provzdušňováním, většinou je třeba kompostovaný materiál dovlhčovat. Musíme však brát v úvahu, že menší množství vody se uvolňuje při mineralizaci organických látek. V průběhu kompostování by vlhkost neměla klesnout pod 40 %, jelikož nižší obsah vody začíná omezovat aktivitu mikroorganismů. Na druhé straně by však hodnoty vlhkosti neměly přesáhnout 65 až 70 %, aby v kompostovaném materiálu nedocházelo ke vzniku anaerobních zón. Na konci období zrání může vlhkost kompostu poklesnout na 45-50 %, což je vlhkost vhodná pro prosev výsledného produktu. [18]
~ 42 ~
Optimální vlhkost kompostovaného materiálu je možné udržovat zakrytím hromady speciálními geotextiliemi, které brání úniku vlhkosti, avšak neomezují výměnu plynů. Často se používá také skrápění materiálu vodou. [18,14]
2.19 Podíl mikroorganismů na procesu kompostování O počtech, biomase a druhovém složení mikrobiálních společenstev zajišťujících zrání kompostu existuje dosud málo informací. Dosavadní znalosti vycházejí z výsledků klasických metod kultivace mikroorganismů na různých živných půdách. Ojediněle jsou využívány metody založené na chemických či molekulárně-biologických analýzách. Počty mikroorganismů v kompostovaném materiálu se však nepochybně pohybují ve velmi širokém rozmezí (Tabulka 5: Počty mikroorganismů v kompostovaném materiálu [14]). [14] Tabulka 5: Počty mikroorganismů v kompostovaném materiálu [14]
Browne (1993) byl první, kdo prokázal, že samozahřívání kompostu je důsledkem mikrobiální aktivity. V roce 1930, Waksman publikoval několik dokumentů o mikrobiologii kompostování a byl první, kdo publikoval studie o dynamice populace v kompostování. Nedávné výzkumy založené na DNA a RNA ukázaly, že v kompostu můžeme nalézt mnoho neznámých mikroorganismů. [18] 2.19.1
Bakterie
Význam bakterií během kompostování byl dlouho opomíjen, pravděpodobně proto, že houby a aktinomycety mají lepší viditelnost. V některých komponovacích procesech, například při kompostování čistírenského kalu, jsou bakterie ze začátku důležitější než houby. Když je teplota udržována pod 60 °C, více než 40 % substrátu je degradováno v prvních 7 dnech, téměř výlučně prostřednictvím bakteriální aktivity. Teplotní rozsah od 50 do 65°C je selektivní výhodou pro bakterie, především pro rod Bacillus. Když teplota překročí 65°C, často dominuje Bacillus stearothermophilus podobně jako ~ 43 ~
v čistých kulturách. S největší pravděpodobností jsou v běžném kompostu k nalezení i anaerobní bakterie. O jejich přítomnosti a metabolické aktivitě svědčí zejména uvolňování určitého množství metanu během kompostování. [18]
Aktinomycety
Aktinomycety preferují neutrální nebo lehce zásadité pH a jsou schopny rozkládat i poměrně komplexní sloučeniny. Některé jsou termotolerantní nebo dokonce termofilní s teplotním rozmezím od 50 do 60°C. Nejvíce se aktinomycetám daří, když je substrát vlhký a zásobování kyslíkem je též dostatečné. Tyto podmínky jsou obvykle splněny, když už jsou lehce rozložitelné substráty zkonzumovány bakteriemi a teplota stoupne nad 45°C. [18] 2.19.2
Houby
Během počáteční fáze houby společně s bakteriemi metabolizují snadno rozložitelné substráty. Jelikož maximální specifický růst bakterií je o jeden řád vyšší než u hub, houby jsou velmi brzy potlačeny. Také dobrá zásoba kyslíku je pro houby důležitější než pro bakterie (i v silně provzdušňovaných systémech se můžou vyskytovat dočasně anoxické podmínky). Z těchto důvodů, ale také kvůli nižší termotoleranci, hrají houby zanedbatelnou roli během termofilní fáze. Jednou výjimkou je kompostování substrátů, které jsou obzvláště bohaté na celulózu a lignin. V tomto případě houby zůstávají více důležité během celého procesu. V pozdějších fázích kompostování roste vodní potenciál, což je výhoda pro houby. [18]
2.20 Způsoby a techniky kompostování V současné době existuje a je využívána v praxi řada způsobů kompostování (Obrázek 15: Způsoby a techniky kompostování [14]). Způsob kompostování je dán typem substrátu, místem kompostování i složením organismů, které zabezpečují průběh kompostování. Způsoby kompostování se liší technikami, kterými jsou zajišťovány optimální podmínky pro činnost žádoucích mikroorganismů. V praxi jsou častěji využívány tzv. statické (příp. kvazidynamické) způsoby kompostování, než způsoby dynamické. [14]
~ 44 ~
Obrázek 15: Způsoby a techniky kompostování [14]
2.20.1
Statické způsoby kompostování
Statické způsoby kompostování se uplatňují v polních podmínkách. Kompost je většinou zakládán v blízkosti vzniku odpadu, zpravidla jsou kompostovány posklizňové zbytky různých plodin. Zakládka vyžaduje zpevněný a rovný povrch a má většinou formu mnohametrového pásu, který může být dle potřeby prodlužován. Profil zakládky může být trojúhelníkový nebo lichoběžníkový, jak vidíme na obrázcích níže (Obrázek 16: Trojúhelníkový typ zakládky [14], Obrázek 17: Lichoběžníkový typ zakládky [14]). [14]
~ 45 ~
Obrázek 16: Trojúhelníkový typ zakládky [14]
Obrázek 17: Lichoběžníkový typ zakládky [14]
Šířka pásu se pohybuje v rozpětí od 2 do 4 m, výška pak od 1 do 1,5 m. Oba typy zakládky, trojúhelníkový a lichoběžníkový mají své výhody i nevýhody. Výhodou trojúhelníkového profilu pásu je přirozené provětrávání zakládky, uplatňuje se zde tzv. komínový efekt, probíhá zde neustálá výměna vzduchu v kompostovaném materiálu, což stimuluje činnost mikroorganismů. Nevýhodou trojúhelníkových zakládek je však jejich narušování deštěm a větrnou erozí a zhoršené udržování vlhkosti. Naproti tomu lichoběžníkový profil pásu umožňuje snadné ovlhčování, lépe se v něm udržuje teplo a také je méně ohrožován větrem či deštěm. Jeho hlavní nevýhodou je ale zhoršené přirozené provětrávání, musí se tedy častěji překopávat, aby bylo zajištěno aerobní prostředí pro činnost mikroorganismů. Kompostování v polních podmínkách trvá několik měsíců. Právě tohoto kompostování bude využito při našem experimentu. [14] V následující tabulce (Tabulka 6: Statické způsoby kompostování [14]) jsou vyjmenovány statické způsoby kompostování. ~ 46 ~
Tabulka 6: Statické způsoby kompostování [14]
2.20.2
Dynamické způsoby kompostování
Dynamické způsoby kompostování se vyznačují kontinuálním nebo cyklickým pohybem kompostovaného materiálu za současného provzdušňování. Jelikož těchto způsobů nebylo využito při našem experimentu, shrneme si je pouze následující tabulkou (Tabulka 7: Dynamické způsoby kompostování [14]). [14]
~ 47 ~
Tabulka 7: Dynamické způsoby kompostování [14]
~ 48 ~
PRAKTICKÁ ČÁST
3
V rámci diplomové práce byl proveden experiment v terénu přímo v provozních podmínkách kompostárny a následně experiment v laboratorních podmínkách. Nejprve bude popsán experiment na kompostárně.
Experiment v provozních podmínkách kompostárny
3.1
Experiment byl proveden na kompostárně ve Slavkově u Brna. Do zakládky kompostu byly vloženy tři druhy sáčků vyrobených z biologicky rozložitelných plastů. Celkem bylo do kompostu vloženo 18 sáčků, tedy od každého druhu 6. Sáčky byly uloženy v obalech z nylonové síťoviny. Sáčky prošly procesem kompostování a po 45 a po 90 dnech byly z kompostu vyjmuty a byl zkoumán jejich hmotnostní úbytek. 3.1.1
Kompostárna Slavkov u Brna
Slavkov u Brna se nachází v okrese Vyškov, kraj Jihomoravský. Provoz kompostárny byl zahájen 24. 4. 2009. Kapacita kompostárny je 950 t/rok. Ročně se zde zpracuje asi 500 t hmoty. [23,32] 3.1.2
Surovinová skladba zakládky
V rámci zavedení provozu kompostárny byly občanům města Slavkov u Brna zdarma předány hnědé nádoby na bioodpad o kapacitě 240 l. Dále bylo ve městě rozmístěno 10 zelených kontejnerů o objemu 2,5 m3. Občané mohou do sběrných nádob a kontejnerů vhazovat pouze bioodpad. Vstupními surovinami tedy je: [23,24,31]
Odpad ze zahrad občanů města,
zelený odpad z údržby veřejných ploch,
posečená tráva, plevel,
větve, listí,
zvadlé květiny,
zemina z květináčů,
kůra ze stromů, ořez z keřů a stromů,
drny, spadané ovoce.
Surovinová skladba zakládky je dle katalogu odpadů následující: ~ 49 ~
Biologicky rozložitelný odpad - katalogové číslo v katalogu odpadů: 20 02 01;
Zemina a kameny - katalogové číslo v katalogu odpadů: 20 02 02;
Odpad z tržišť - katalogové číslo v katalogu odpadů: 20 03 02. [23,24,31]
3.1.3
Průběh kompostování
Plošný svoz bioodpadu zajišťuje traktor John Deere 6330 Premium spolu s míchacím vozem SEKO Samurai 5, který je znázorněn na obrázku v příloze č. 1. Vůz SEKO Samurai 5 má objem 5 m3 a je vybaven digitální vahou. Na kompostárnu je přivážen odpad, který je již kvalitně podrcen a promíchán. Po navezení je odpad vyložen vynášecím dopravníkem, který zachytí případný kovový odpad na asfaltovou plochu zabezpečenou proti úniku kapalné frakce. Poté jsou z něj utvořeny dlouhé kompostovací hromady trojúhelníkovitého typu vysoké asi 1,5 m. Hromady jsou pravidelně překopávány a zvlhčovány, z důvodu udržení požadované teploty. K překopávání slouží překopávač kompostu SANDBERGER ST-250, znázorněný na obrázku v příloze č. 2. Dle provozního řádu kompostárny je prvních 10 dnů teplota substrátu udržována nad 40 °C. Díky provzdušňování hromad je proces kompostování aerobní, nedochází tedy k tvorbě zápachu. Proces kompostování trvá 90 dnů. Poté se z odpadu stává stabilizovaný kompost. K prosévání hotového kompostu slouží bubnový prosévací třídič NOVERB BP s prosévacím výkonem 15 – 30 m3/hod, jež je vybaven vlastním pohonem nezávislým na traktoru. Je znázorněn na obrázku, který je uveden v příloze č. 3. Výstupem z kompostárny je rekultivační kompost nebo rekultivační substrát (rekultivační kompost promíchaný se zeminou). Slouží k údržbě veřejné zeleně, terénní úpravy, rekultivaci a občanům pro jejich potřeby. [32]
Materiál a metodika
3.2
V rámci experimentu byly zkoumány tři druhy biologicky degradabilních sáčků/tašek. Z komerčních důvodů zde nebudou uvedeny jejich obchodní značky.
Tašky č. 1 – tyto tašky jsou vyráběny v České republice. Jsou vhodné do koše na kuchyňský bioodpad, pro uchování potravin (pečiva, zeleniny), k nákupům, pro sběr směsného odpadu či jako běžné „igelitky“. Výrobce deklaruje, že tašky jsou 100% biologicky rozložitelné. Tašky jsou označeny logem OK Compost. Toto ~ 50 ~
logo jim bylo uděleno certifikačním orgánem Vinçotte. Vinçotte je certifikační orgán schválený Evropskou asociací pro biologicky odbouratelné plasty (European Bioplastics Association). Obaly nebo výrobky, které mají logo OK Compost jsou garantovány jako biologicky rozložitelné v průmyslovém kompostování. Celý certifikační program je harmonizován s normou ČSN EN 13432, která stanovuje požadavky na obaly využitelné ke kompostování a biodegradaci. Vinçotte věnuje neustálou pozornost činnosti Evropské komisi pro standardizaci (CEN – European committee for standardization). Všechny výrobky s logem OK Compost splňují požadavky EN 13432. Následující obrázek (Obrázek 18: Logo OK Compost [26]) znázorňuje logo OK Compost. [25,26]
Obrázek 18: Logo OK Compost [26]
Tašky jsou vyráběny v rozměrech 440 x 500 mm. Tloušťka tašek je 20 µm. Výrobce deklaruje, že materiál je 100% kompostovatelný do 90 dnů. Suroviny, z nichž
je
materiál
vyroben
jsou
ze
zemědělské
produkce
(škrob
a polykaprolakton). Následující obrázek (Obrázek 19: Taška č. 1 [25]) znázorňuje tašku č. 1. [25]
~ 51 ~
Obrázek 19: Taška č. 1 [25]
Tašky č. 2 – tyto tašky jsou vyráběny v Německu. Tašky jsou užívány při nákupech a jako pytle na bioodpad. Výrobek je certifikován dle normy ČSN EN 13432 a DIN V 54900 (německý standard pro kompostovatelné polymerní materiály). Výrobek je označen logem kompostovatelnosti tzv. „seedling“ německé společnosti DIN CERTCO. Logo je znázorněno na následujícím obrázku (Obrázek 20: "seedling" logo [27]).
~ 52 ~
Obrázek 20: "seedling" logo [27]
Tašky jsou vyrobeny z přírodního škrobu a rostlinných olejů. Škrob se vystavuje vysokým teplotám a pomocí izolace se z něj získává glukóza. Kvašením se z glukózy získává kyselina polymléčná – PLA. Z PLA se vyrábí biologicky rozložitelné tašky způsobem stejným, jako je tomu u konvenčních plastů vyráběných z ropy. Výrobky se rozkládají nejlépe za působení bakterií, vyšších teplot, velkého objemu vzduchu a zvýšené vlhkosti prostředí. Výrobce deklaruje jejich rozklad na kvalitní biomasu a humus do 8-12 týdnů při průmyslovém kompostování. Tašky jsou vyráběny v rozměrech 180 x 100 x 400 mm. Tašku č. 2 nám znázorňuje následující obrázek (Obrázek 21: Taška č. 2 [28]). [28,29]
~ 53 ~
Obrázek 21: Taška č. 2 [28]
Tašky č. 3 – tašky jsou vyráběny v České republice. Primárně jsou určeny k vložení do odpadkového koše na bioodpad, lze je ale využít i jako nákupní tašky či k uchování potravin. Výrobky splňují podmínky biodegradability dle normy ČSN EN 13432. Na základě splnění normy jsou využitelné ke kompostování. Tašky jsou vyrobeny z tzv. „bioplastu“. Suroviny pro výrobu bioplastu pocházejí z 99% z přírodních obnovitelných zdrojů ze zemědělské produkce. Hlavními složkami jsou bramborový škrob (60 %) a PLA (40 %). Materiál je 100% kompostovatelný do 90 dnů. Taška č. 3 je znázorněna na následujícím obrázku (Obrázek 22: Taškač. 3 [30]). [30]
~ 54 ~
Obrázek 22: Taškač. 3 [30]
3.2.1
Příprava vzorků
Z nylonové síťoviny byla vyrobena pouzdra, do nichž se následně ukládaly vzorky BDP. Do pouzder se vkládaly kvůli snadné manipulaci a nalezení v kompostovací hromadě. Všechny tři druhy biologicky rozložitelných sáčků byly nastříhány na obdélníky o velikosti 14 x 14 cm a sušeny při 105°C dokud nebylo dosaženo konstantní hmotnosti (stoprocentní sušiny). K sušení bylo využito horkovzdušného sterilizátoru značky STERICELL 111, který je znázorněn na obrázku v příloze č. 4. Ihned po vysušení byly sáčky naváženy na laboratorních vahách na 4 g. Vážení proběhlo ihned po sušení, při zdržení by vzorky mohly nabýt nežádoucí vlhkost ze vzduchu. Do každého pouzdra z nylonové síťoviny byly potom vloženy právě 4 g daného BDP společně s plastovým barevným rozlišením. Pro sáčky č. 1 byla použita barva červená, pro sáčky č. 2 barva žlutá a pro sáčky č. 3 barva modrá. K sáčkům byl navázán vlasec a na něj opět připevněno barevné rozlišení. Poté byla pouzdra zatavena
~ 55 ~
a připravena k odvozu na kompostárnu. Pouzder s BDP bylo celkem vyrobeno 18, tedy 6 vzorků každého druhu BDP. 3.2.2
Založení experimentu
Dne 13. 6. 2013 byly vzorky vloženy do kompostovací zakládky na kompostárně ve Slavkově u Brna. Tedy den 13. 6. 2013 byl dnem zahájení experimentu v provozních podmínkách kompostárny. Pouzdra s BDP byla rovnoměrně rozprostřena asi v polovině kompostovací zakládky, jak lze vidět níže (Obrázek 23: Vzorky na kompostárně).
Obrázek 23: Vzorky na kompostárně
Na následujícím obrázku (Obrázek 24: Kompostovací hromada) vidíme kompostovací hromadu, do které byly vzorky uloženy.
~ 56 ~
Obrázek 24: Kompostovací hromada
3.2.3
Vyzvednutí vzorků
Dne 28. 7. 2013 byla vyzvednuta první část vzorků, celkem 9 pouzder s BDP (3 vzorky každého druhu). Ostatní vzorky byly ponechány v kompostovací hromadě, aby mohly dále podléhat procesu kompostování. Následující obrázek (Obrázek 25: Vzorek BDP v kompostovací hromadě) znázorňuje jeden ze vzorků v kompostovací hromadě.
Obrázek 25: Vzorek BDP v kompostovací hromadě
~ 57 ~
3.2.4
Stanovení hmotnostního úbytku
Pouzdra z nylonové síťoviny byla opatrně rozpojena a z nich byly vyjmuty vzorky BDP. Ze vzorků byly odstraněny větší kusy cizí hmoty (listy, hlína).
Stanovení hmotnosti v suchém stavu Při tomto stanovení bylo využito keramických kelímků. Kelímky byly vyžíhány
v muflové peci při 550 °C do konstantní hmotnosti, aby nečistoty v nich neskreslily výsledky měření. Hmotnost kelímků byla zaznamenána a kelímky byly řádně označeny. Následně byly do kelímků vloženy vzorky BDP. Kelímky s BDP se umístily do sušárny a byly sušeny při 105 °C do konstantní hmotnosti. Ihned po sušení byly vzorky BDP zváženy na laboratorních vahách. Výsledné hodnoty byly zaznamenány.
Stanovení obsahu spalitelných látek – stanovení ztráty žíháním Jelikož sáčky nebylo možno zcela zbavit nežádoucích nečistot, které na nich ulpěly
během kompostování, bylo nutno stanovit ještě ztrátu hmotnosti žíháním. Tato metoda slouží ke
stanovení
hmotnosti organických
složek
obsažených
ve
vzorku.
K objektivnímu vyhodnocení experimentu je nutno znát hmotnost složky anorganické, což stanovíme odečtem. K žíhání bylo využito muflové peci, která je znázorněna na obrázku v příloze č. 5. Pokusný materiál (BDP) byl vložen do keramických kelímků a poté exponován v peci. Kelímky byly vyžíhány do konstantní hmotnosti a následně zváženy a řádně popsány. Do kelímků byly vloženy vysušené vzorky BDP. Kelímky se vzorky byly vloženy do muflové pece a následně žíhány při teplotě 550 °C. Tato teplota byla konstantně udržována po celou dobu žíhání. Poté byly kelímky s popelem, který zbyl z BDP po žíhání, opět zváženy. Byl proveden odečet hmotnosti kelímků před (prázdné kelímky) a po žíhání (kelímky s obsahem). Výsledná hodnota udává hmotnost nespalitelných složek. Jedná se o složky anorganické. Tato hodnota byla odečtena od hmotnosti BDP po sušení a tím byla získána skutečna hmotnost BDP po 45 dnech kompostování. Dále byl vypočítán skutečný hmotnostní úbytek jednotlivých BDP po 45 dnech kompostování. Pro výpočet bylo využito následujícího vztahu.
(1)
~ 58 ~
Kde je: x – hmotnostní úbytek v g m1 – hmotnost vzorku BDP před kompostováním m2 – hmotnost vzorku BDP po sušení při 105 °C m3 – hmotnost keramického kelímku s obsahem m4 – hmotnost prázdného keramického kelímku Následně byl výpočtem stanoven procentický hmotnostní úbytek BDP po 45 dnech kompostování. Pro výpočet bylo využito následujícího vztahu.
(2) Kde je: y – hmotnostní úbytek v % m5 – hmotnost vzorku před zahájením procesu kompostování m1 – hmotnost vzorku po 45 dnech procesu kompostování
Následně byl pomocí aritmetického průměru dopočítán průměrný hmotnostní úbytek pro tři opakování. Bylo užito následujícího vzorce.
(3)
Kde je: p – průměrný hmotnostní úbytek pro tři opakování sáčků dané značky a1 – hmotnostní úbytek prvního ze tří vzorků dané značky a2 – hmotnostní úbytek druhého ze tří vzorků dané značky a3 – hmotnostní úbytek třetího ze tří vzorků dané značky 3.2.5
Pokračování experimentu
Zbytek vzorků byl vyzvednut dne 11. 9. 2013. Tyto vzorky tedy podléhaly procesu kompostování 90 dnů. U vzorků byl opět stanoven hmotnostní úbytek stejným způsobem jako u první série vzorků.
~ 59 ~
3.3
Výsledky a diskuze
Následující tabulka (Tabulka 8: Výsledky z měření a s výpočty úbytku hmotnosti vzorků po 45 dnech kompostování) shrnuje výsledky měření a výpočtů u první série vzorků BDP. V prvním sloupci se nachází označení BDP. M1, M2 a M3 je označení jednotlivých variant biologicky rozložitelných sáčků č. 1, analogicky jsou označeny jednotlivé varianty pro biologicky rozložitelné sáčky č. 2 (Č1, Č2 a Č3) a č. 3 (Ž1, Ž2 a Ž3). Ve druhém sloupci se nachází hmotnost BDP po vysušení (při 105°C), před zahájením kompostovacího procesu. Ve třetím sloupci je souhrn hmotností BDP, po tom co podstoupily 45 dnů procesu kompostování a byly vysušeny (při 105°C). Ve čtvrtém sloupci nalezneme naměřenou hmotnost prázdných keramických kelímků po vyžíhání do konstantní hmotnosti, v pátém sloupci potom hmotnost těchto kelímků s obsahem popelovin. Šestý sloupec udává odečet hodnot ze 4. a 5. sloupce, tedy hmotnost popelovin po vyžíhání organických látek. V sedmém sloupci se nachází výpočet celkového hmotnostního úbytku BDP po 45 dnech kompostovacího procesu. Ve sloupci osmém jsou hodnoty z předešlého sloupce převedeny na procenta. Hodnoty ve 2. – 7. sloupci jsou udány v gramech.
~ 60 ~
Tabulka 8: Výsledky z měření a s výpočty úbytku hmotnosti vzorků po 45 dnech kompostování
Hmotnost Hmotnost Hmotnost Zbytek po Celkový Počáteční Celkový Průměrný BDP po prázdných kelímků vyžíhaní hmotnostní hmotnost hmotnostní hmotnostní 45 dnech kelímků s vyžíhaným (popeloviny) úbytek BDP (g) úbytek (g) úbytek (g) (g) (g) obsahem (g) (g) (%)
M1 M2 M3 Č1 Č2 Č3 Ž1 Ž2
4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00
3,75 3,79 3,67 3,82 3,84 3,79 3,18 3,05
53,46 51,78 53,99 52,75 46,22 49,11 51,99 52,48
53,78 51,99 54,15 52,89 46,32 49,26 52,37 52,68
0,32 0,21 0,16 0,14 0,1 0,15 0,38 0,2
0,57 0,42 0,49 0,32 0,26 0,36 1,2 1,15
14,25 10,5 12,25 8 6,5 9 30 28,75
Ž3
4,00
3,09
47,86
48,2
0,34
1,25
31,25
~ 61 ~
0,49±0,061
0,31±0,050
1,2±0,050
Jak je zřejmé z tabulky, nejlépe se rozkládaly sáčky č. 3, jejichž hmotnostní úbytek tvořil v průměru 30 %. Za 45 dnů tedy byla rozložena a mineralizována organismy jejich třetina. Hmotnostní úbytek sáčků č. 2 činil v průměru 12,33 % a hmotnostní úbytek sáčků č. 1 činil v průměru 7,83 %. V tabulce níže (Tabulka 9: Tabulka s výsledky změření a s výpočty úbytku hmotnosti vzorků po 90 dnech kompostování) jsou shrnuty výsledky měření a výpočtů u druhé série vzorků BDP.
~ 62 ~
Tabulka 9: Tabulka s výsledky změření a s výpočty úbytku hmotnosti vzorků po 90 dnech kompostování
Hmotnost Hmotnost Hmotnost Zbytek po Celkový Počáteční Celkový Průměrný BDP po prázdných kelímků vyžíhaní hmotnostní hmotnost hmotnostní hmotnostní 45 dnech kelímků s vyžíhaným (popeloviny) úbytek BDP (g) úbytek (g) úbytek (g) (g) (g) obsahem (g) (g) (%)
4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00
3,1 2,98 2,85 3,12 3,18 3,22 1,95 2,12
53,46 51,78 53,99 52,75 46,22 49,11 51,99 52,48
53,69 51,93 54,12 52,94 46,37 49,26 52,41 52,68
0,23 0,15 0,13 0,19 0,15 0,15 0,42 0,2
1,13 1,17 1,28 1,07 0,97 0,93 2,47 2,08
28,25 29,25 32 26,75 24,25 23,25 61,75 52
4,00
2,03
47,86
48,21
0,35
2,32
58
~ 63 ~
1,19±0,078
0,99±0,072
2,29±0,197
Následující obrázek (Obrázek 26: Graf znázorňující úbytek hmotnosti BDP po 45 a 90 dnech) znázorňuje grafické vyjádření hmotnostního úbyteku všech tří druhů BDP za 90 dnů kompostovacího procesu. Znázornění úbytku hmotnosti BDP po 45 a 90 dnech 4 3,5 3 2,5
SÁČKY Č. 1
2
SÁČKY Č. 2
1,5
SÁČKY Č. 3
1 0,5 0 Hmotnost na začátku (g)
Hmotnost po 45 Hmotnost po 90 dnech (g) dnech (g)
Obrázek 26: Graf znázorňující úbytek hmotnosti BDP po 45 a 90 dnech
Z tabulky a grafu vyplývá, že nejlépe se rozkládaly sáčky č. 3. Jejich hmotnostní úbytek činil za 90 dnů kompostovacího procesu v průměru 57,25 %. Byly tedy rozloženy více než z poloviny. Hmotnostní úbytek sáčků č. 2 činil v průměru 29,83 %. Byla tedy rozložena jejich třetina. Hmotnostní úbytek sáčků č. 1 činil v průměru 24,75 %. Rozložily se tedy asi z jedné čtvrtiny. Žádné ze tří druhů BDP se za tři měsíce kompostovacího procesu zcela nerozložily, přestože byly dodrženy všechny podmínky procesu kompostování. Jak bylo vypozorováno, nejlépe byly rozloženy vnější vrstvy BDP a také okraje vzorků. Vzorky BDP byly uloženy v pouzdrech z nylonové síťoviny ve vrstvě tak, abychom dosáhli dostatečné hmotnosti experimentálního materiálu. Lze namítnout, že takto navrstvený BDP materiál se do kontaktu s vnitřním prostředím kompostu dostane ve skutečných podmínkách pouze výjimečně. Jistá interpretační omezení stran zhoršení výměny plynných a tekutých látek v navrstvených vzorcích BDP jsou vyváženy potřebným reprezentativním množstvím pokusného materiálu a zajištěním shodného metodického postupu pro všechny vzorky. Vzhledem k tomu, že vzorky BDP č. 3 se rozložily za 90 dnů asi o polovinu, lze předpokládat, že tyto jsou skutečně biologicky degradabilní v kompostovacím procesu. U vzorků BDP č. 2, které se rozložily asi o jednu třetinu ~ 64 ~
a u vzorků BDP č. 1, které se rozložily o jednu čtvrtinu je toto možné taktéž předpokládat, k jejich rozkladu je však zapotřebí delšího časového úseku. Tedy u všech vzorků lze diskutovat o deklarovaných termínech pro úplné rozložení.
Experiment v laboratorních podmínkách
3.4
Tento experiment byl proveden v laboratoři Mendelovy univerzity. Sáčky z BDP, které se při pokusu na kompostárně nejlépe rozložily, byly nadále zkoumány. Nejprve byly vloženy společně s kompostem do obalů s přídavkem živin a takto ponechány po dobu tří týdnů. Po té době byly vyjmuty s předpokladem, že by na nich již mohlo kolonizovat dostatečné množství mikroorganismů. Dále byly připraveny Petriho misky, do nichž byla nalita agarová živná půda obohacená o minerální hnojivo obsahující všechny potřebné biogenní prvky tak, aby přítomná mikroflóra nebyla limitována nedostatkem některého z klíčových prvků. Živná půda ale neobsahovala žádný zdroj uhlohydrátů tak, aby byla podpořena aktivita heterotrofní mikroflóry adaptované na rozklad nabídnutého materiálu z BDP. Po ztuhnutí živné půdy byly na její povrch pokládány nastříhané části biologicky rozložitelných plastů. Po dvou týdnech byla pozorována míra kolonizace BDP mikroorganismy.
Materiál a metodika
3.5
V rámci experimentu byl zkoumán jeden druh biologicky degradabilních sáčků. Zkoumán byl ten druh sáčků, který vykázal nejvyšší stupeň rozkladu při pokusu na kompostárně. Jedná se o sáčky č. 3, jejichž hmotnostní úbytek činil za 90 dnů kompostovacího procesu 57,25 %. 3.5.1
Příprava vzorků
Ze sáčků byly vystřiženy obdélníky o rozměrech 12 x 12 cm. Bylo použito kompostu, který byl odebrán z kompostárny ve Slavkově u Brna. Sáčky byly vkládány do tohoto kompostu, který byl v některých případech obohacen o živiny. Celkem bylo připraveno pět variant vzorků po třech opakování. Tři vzorky BDP byly vloženy do kompostu, který byl ovlhčen pouze destilovanou vodou, další trojice vzorků byla nastříhána na menší fragmenty a tyto byly vloženy také do kompostu ovlhčeného destilovanou vodou. Třetí trojice vzorku byla vložena do kompostu, který ~ 65 ~
byl předem ovlhčen roztokem glukózy a destilované vody. Čtvrtá trojice vzorků byla vložena do kompostu, který byl předem ovlhčen roztokem glukózy a peptonu s destilovanou vodou. Pátá trojice vzorků byla vložena do kompostu, který byl ovlhčen roztokem destilované vody a dusičnanu amonného. Každý BDP společně s kompostem byl vložen do folie a tam byl ponechán po dobu tří týdnů. Celkem bylo takto vytvořeno 15 vzorků. Za tuto dobu bylo předpokládáno dostatečné osídlení BDP mikroorganismy, což je potřebné pro další pokračování pokusu. Dále bude podrobněji popsána příprava jednotlivých vzorků. 3.5.2
Příprava kompostu
Kompost byl prosit přes síto a tím bylo dosaženo jeho vyšší homogenity. Dále byl rozprostřen a pravidelně promícháván, aby byl zbaven přebytečné vlhkosti. Až byl dostatečně prosušen, bylo přistoupeno ke zjištění jeho vlhkosti. Byly odebrány 3 vzorky a tyto byly zváženy. Následně byly vzorky kompostu vysušeny při 105 °C do konstantní hmotnosti a poté zváženy. Vlhkost kompostu byla stanovena dle následujícího vzorce č. 4. (4) Kde je: V – vlhkost vzorku mv – hmotnost čerstvého, tj. nevysušeného vzorku ms – hmotnost vysušeného vzorku
~ 66 ~
Dále byla stanovena průměrná vlhkost kompostu ze tří opakování. Využito bylo následujícího vzorce č. 5. (5) Kde je: Vp – průměrná vlhkost kompostu stanovena ze tří opakování V1 – vlhkost kompostu stanovena pro vzorek č. 1 V2 – vlhkost kompostu stanovena pro vzorek č. 2 V3 - vlhkost kompostu stanovena pro vzorek č. 3 Vlhkost kompostu byla stanovena na 14,3 %. 3.5.3
Výpočet navážky glukózy
Glukóza byla ke kompostu přidávána pro počáteční stimulaci mikroorganismů, jelikož je velmi bohatá na snadno dostupný uhlík, který mikroorganismy potřebují ke svému růstu a množení, po několika dnech je vyčerpán a přítomná mikroflóra je nucena využívat alternativní uhlíkaté substráty. Takový zdroj může být představován nabídnutým pokusným materiálem z BDP. Na 100g kompostu byly přidány 2 % glukózy, tedy 2 g glukózy. Z toho bylo nutno dopočítat přídavek uhlíku v glukóze. Z jednotlivého zastoupení prvků v molekule glukózy bylo výpočtem zjištěno, že 1g glukózy obsahuje 0,4 g uhlíku. S přídavkem 2 g glukózy je tedy přidáno 0,8 g uhlíku. 3.5.4
Výpočet navážky peptonu a glukózy
Ke kompostu byl přidáván roztok peptonu a glukózy. Pepton byl přidáván, jelikož obsahuje dusík, jež mikroorganismy taktéž využívají jako zdroj živin. Požadovaný poměr C:N obsažený v peptonu a glukóze je 25:1. Přídavek dusíku byl stanoven pomocí vzorce číslo 6. (6) Kde je: d – hmotnostní přídavek dusíku c – hmotnostní přídavek uhlíku Přídavek dusíku byl stanoven na 0,032 g. Jelikož 1 g peptonu obsahuje 10 % dusíku, byla tedy dávka peptonu stanovena na 0,32 g. Jelikož ale pepton obsahuje i uhlík, je ~ 67 ~
nutno ještě dopočítat množství uhlíku přidané v peptonu a toto množství odečíst od přídavku glukózy. Pro výpočet dodaného uhlíku v peptonu bylo použito vzorce č. 7. (7) Kde je: cp – množství uhlíku dodaného v peptonu p – přídavek peptonu Množství dodávaného peptonu bylo násobeno číslem 0,5, jelikož pepton obsahuje 50 % uhlíku. Množství uhlíku dodaného společně s peptonem bylo stanoveno na 0,16 g. Jelikož víme, že 2 g glukózy obsahují 0,8 g uhlíku, přímou úměrou byl dopočítán přídavek glukózy na 1,6 g. Toto množství obsahuje právě 0,64 g uhlíku (0,8 g - 0,16 g). 3.5.5
Výpočet navážky dusičnanu amonného (NH4NO3)
Dusičnan amonný byl ke vzorkům přidáván z důvodu prozkoumání přístupnosti minerálního dusíku pro mikroorganismy. Opět byla přidávána 2 % NH4NO3 na 100 g sušiny, tedy 2 g NH4NO3. Dle prvkového složení bylo zjištěno, že 1 g NH4NO3 obsahuje 0,35 g dusíku. Se 2 g NH4NO3 tedy přidáme 0,7 g dusíku. 3.5.6
Příprava roztoků
Na 100 g kompostu bylo vždy přidáváno 15 % vody (roztoku), tedy 15 ml. Jelikož byly pro každý případ tři opakování, celkem tedy 45 ml, pro jednoduchost jsme počítali s 50 ml. Bylo připraveno 15 sáčků s kompostem, které byly vždy prolity určitým roztokem. Do prvních třech byla přidána pouze destilovaná voda, do dalších třech potom roztok destilované vody a glukózy, do další třetice byl přidán roztok destilované vody, peptonu a glukózy a do poslední třetice byl přidán roztok destilované vody a dusičnanu amonného. Do takto připravených sáčků s kompostem byl vložen vždy jeden obdélník BDP a takto byly sáčky ponechány po dobu tří týdnů. Po třech týdnech byly z kompostu opatrně vypreparovány vzorky BDP a následně byly očištěny destilovanou vodou od zbytků ulpělého kompostu. Poté byly přesně v polovině rozděleny. Jedna polovina z nich byla použita na zjištění hmotnostního úbytku, druhá byla použita na zjišťování, do jaké míry byly BDP osídleny mikroorganismy a jak je tyto mikroorganismy mohou využívat pro svůj růst a rozvoj jako zdroj uhlíku. ~ 68 ~
3.5.7
Stanovení hmotnostního úbytku
Nejdříve byly vyžíhány prázdné porcelánové kelímky do konstantní hmotnosti. Tyto byly následně zváženy a jejich hmotnosti zaznamenány. Kelímky byly označeny a do nich vloženy vzorky BDP. Následně byly kelímky s obsahem BDP vysušeny při 105 °C a zváženy. Odečtem byla zjištěna hmotnost BDP po 21 dnech naložení v živných médiích. 3.5.8
Stanovení míry osídlení BDP mikroorganismy
Z každého kusu BDP byly vystřihnuty vždy 3 pásky o rozměrech asi 1*4 cm. Dále se připravil agar, do nějž bylo přidáno hnojivo s obsahem dusíku, fosforu a draslíku, avšak bez přídavku uhlíku, jelikož potřebujeme, aby mikroorganismy využívaly jako zdroj uhlíku právě BDP. Agar byl nalit do Petriho misek. Po ztuhnutí agaru byly do misek na agar položeny vždy do jedné misky tři pásky BDP. Vše probíhalo ve sterilním prostředí, aby se do misek nedostaly nežádoucí mikroorganismy z okolního prostředí. Takto byly Petriho misky ponechány po dobu 2 týdnů. Na následujícím obrázku (Obrázek 27: Petriho misky ihned po založení pokusu) se nachází fotografie Petriho misek ihned po založení pokusu.
Obrázek 27: Petriho misky ihned po založení pokusu
~ 69 ~
3.6 3.6.1
Výsledky a diskuze Stanovení hmotnostního úbytku
Ze tří opakování byla zjištěna průměrná hmotnost BDP o stejných rozměrech. Tato hmotnost činila 0,17 g. V následující tabulce (Tabulka 10: Hmotnostní úbytek BDP po 21 dnech naložení v živných médiích) je shrnutí hmotností BDP před a po třech týdnech naložení v živných médiích.
~ 70 ~
Tabulka 10: Hmotnostní úbytek BDP po 21 dnech naložení v živných médiích
Hmotnost Hmotnost Celkový Počáteční Celkový Průměrný Označení prázdných kelímků hmotnostní hmotnost hmotnostní hmotnostní vzorku kelímků s vysušeným úbytek BDP (g) úbytek (g) úbytek (g) obsahem (g) (%) H2O
0,17
17,62
17,48
0,03
17,65
H2O
0,17
15,7
15,59
0,06
35,29
H2O
0,17
17,77
17,63
0,03
17,65
F F F
0,17 0,17 0,17
17,24 15,36 16,34
17,11 15,24 16,19
0,04 0,05 0,02
23,53 29,41 11,76
NH4NO3
0,17
16,31
16,17
0,03
17,65
NH4NO3
0,17
16,91
16,8
0,06
35,29
NH4NO3
0,17
16,25
16,14
0,06
35,29
G G G G+P
0,17 0,17 0,17 0,17
17,56 17,8 15,54 16,55
17,43 17,65 15,41 16,41
0,04 0,02 0,04 0,03
23,53 11,76 23,53 17,65
G+P G+P
0,17 0,17
13 17,55
12,86 17,44
0,03 0,06
17,65 35,29
~ 71 ~
0,04±0,017
0,04±0,015
0,05±0,017
0,03±0,012
0,04±0,017
V prvním sloupci tabulky se nachází označení živného média, kterým byl rozklad BDP simulován. Řádky s označením H2O náleží plastům, které byly vloženy do vzorků kompostu, ovlhčeném pouze destilovanou vodou. Řádky s označením F náleží plastům, které byly také vloženy do kompostu, ovlhčeném destilovanou vodou, tyto plasty však byly nastříhány na menší fragmenty. Řádky s označením NH4NO3 náleží plastům vloženým do kompostu s přídavkem roztoku NH4NO3 a destilované vody. Řádky s označením G náleží plastům vloženým do kompostu s přídavkem roztoku glukózy a destilované vody a řádky s označením G+P náleží plastům vloženým do kompostu s přídavkem roztoku glukózy, peptonu a destilované vody. BDP, které byly vloženy do kompostu a destilované vody, se rozložily v průměru z 23,53 %, ty nafragmentované potom z 21,57 %. BDP naložené v kompostu s přídavkem roztoku NH4NO3 se rozložily v průměru o 29.41 %, BDP naložené v kompostu s přídavkem roztoku glukózy se rozložily o 19,60 % a BDP naložené v kompostu s přídavkem roztoku glukózy a peptonu se rozložily o 23,53 %. Z výsledků vyplývá, že nejvíce se rozložily BDP, které byly naloženy v kompostu s přídavkem roztoku NH4NO3 a destilované vody. Avšak z 5. sloupce tabulky č. 10, který znázorňuje hmotnostní úbytek BDP v gramech lze rozpoznat, že hmotnostní úbytek BDP je u všech opakování velmi podobný, tudíž nelze říct, že by přídavek některého z médií či fragmentace nějak výrazně odlišně podpořily rozklad BDP. 3.6.2
Stanovení míry osídlení BDP mikroorganismy
Po dvou týdnech bylo pozorováno, zda dokázaly mikroorganismy využít biologicky rozložitelné plasty jako zdroj uhlíku a kolonizovat jejich povrch. Na obrázku níže (Obrázek 28: Osídlení BDP mikroorganismy) je zachycena Petriho miska spolu s BDP, které byly dříve vloženy do kompostu provlhčeného pouze destilovanou vodou. BDP jsou kolonizovány vláknitými mikroorganismy.
~ 72 ~
Obrázek 28: Osídlení BDP mikroorganismy
Z obrázku je zřejmé, že mikroorganismy BDP dokázaly využít jako zdroj uhlíku a kolonizují jejich povrch. Na následujícím obrázku (Obrázek 29: Osídlení BDP vláknitými mikroorganismy) se nachází zvětšená fotografie zachycující okraj materiálu z BDP, který byl stimulován přídavkem roztoku NH4NO3.. Je zjevné, že se při rozkladu uplatňují vláknité mikroorganismy, které mají obecně výhodu v nehomogenních prostředích, kdy prostřednictvím vláken propojují prostředí s nestejnorodou nabídkou substrátů. Je tedy otázkou, zda je BDP vyroben pouze z jedné organické látky, či je použito směsi polymerů s odlišným stupněm biodegradability. Odpověď na tuto otázku přesahuje zadání DP a není možno na ni se stávajícím vybavením pracoviště odpovědět.
~ 73 ~
Obrázek 29: Osídlení BDP vláknitými mikroorganismy
Následující obrázek (Obrázek 30: Detailní zobrazení rozkladu BDP) znázorňuje detail fotografie BDP.
Obrázek 30: Detailní zobrazení rozkladu BDP
Na detailu fotografie BDP můžeme snadno pozorovat počátek rozkladu. Jsou zde vytvořená malá jádra, od kterých se šíří biodegradace plastu dál. Fotografická dokumentace ostatních misek s BDP se nachází v přílohách práce. Stejně tak jako v prvním případě byly i BDP, které byly naloženy v kompostu provlhčeném roztokem s přídavkem různých látek kolonizovány právě vláknitými mikroorganismy. Bylo zjištěno, že přídavek glukózy, glukózy s peptonem, dusičnanu amonného ani fragmentace nemají zásadní vliv na kolonizaci BDP mikroorganismy. Nebyl pozorován ~ 74 ~
ani pozitivní ani negativní účinek. Všechny BDP byly ale mikroorganismy osídleny, jsou tedy pro tyto vhodné jako zdroj uhlíku.
~ 75 ~
4
ZÁVĚR
Předložená diplomová práce byla zaměřena na ověření biodegradability vybraných biologicky rozložitelných plastů v podmínkách kompostování a dále na vliv různých faktorů na kolonizaci biologicky rozložitelných plastů mikroorganismy. Míra biodegradability v podmínkách kompostování byla prověřena v provozních podmínkách kompostárny ve Slavkově u Brna. Byly zkoumány 3 druhy biologicky rozložitelných plastů.
Míra biodegradability byla zjištěna pomocí stanovení
hmotnostního úbytku plastů po 45 a 90 dnech procesu kompostování. Hmotnostní úbytek nejlépe rozložených plastů činil téměř 60 %. Rozložily se tedy více než z poloviny. Ztráta hmotnosti u zbylých dvou druhů plastů potom činila 30 % a 25 %. U všech druhů plastů byla výrobcem garantována stoprocentní rozložitelnost za 90 dnů kompostování. Na základě výsledků získaných předloženou diplomovou prací nelze tento údaj potvrdit. U prvního typu plastů, který byl rozložen z 60 %, bylo dosaženo velmi dobrého výsledku. U zbylých dvou druhů plastů nedošlo ani k 40% rozkladu, což není považováno za dobrý výsledek. Test v laboratorních podmínkách byl proveden u biologicky rozložitelných plastů, které dosáhly nejvyššího stupně rozkladu. Tyto plasty byly exponovány v modelovém prostředí kompostu po stimulaci jednak organickými látkami glukózou, glukózou v kombinaci s peptonem a jednak pouze minerální látkou dusičnanem amonným pro odstranění limitace rozkladu dusíkem. Současně byla testována vyšší fragmentace modelového materiálu. Po třech týdnech byly vzorky BDP z kompostu vyjmuty. Jedna jejich polovina sloužila ke zkoumání hmotnostního úbytku plastů. Stanovený hmotnostní úbytek byl u všech vzorků stejný, činil v průměru asi 22 %. Z druhé poloviny plastů, u nichž bylo předpokládáno osídlení mikroorganismy, byly vystřiženy vždy z jednoho vzorku 3 proužky, tyto byly uloženy do Petriho misek na agar obohacený o hnojivo, bez přídavku uhlíku, jelikož cílem bylo, aby mikroorganismy využívaly jako zdroj uhlíku pro své metabolické děje právě vzorky BDP. Po třech týdnech kultivace v Petriho miskách bylo ve všech případech pozorováno značné osídlení BDP mikroorganismy. Na BDP byly pozorovány vláknité mikroorganismy. Jelikož byly všechny vzorky osídleny mikroorganismy ve stejné míře,
~ 76 ~
nebyl prokázán vliv fragmentace ani přídavku výše zmiňovaných látek na míru osídlení BDP. Problémem je zde fakt, že BDP jsou rozložitelné jen za určitých podmínek a to ne vždy za stejných. Některé se tedy můžou v procesu kompostování zcela rozložit, jiné však nikoliv. BDP jsou většinou rozložitelné jen za podmínek kompostování na velkých průmyslových kompostárnách, při domácím kompostování způsobují spíše potíže. Bylo by žádoucí standardizovat podmínky, za kterých dochází k úplnému rozkladu BDP ve výrobcem garantovaných lhůtách. Na základě výsledků diplomové práce nelze totiž ani v jednom případě potvrdit údaje deklarované výrobcem. Biologicky degradabilní plasty mají rozhodně své místo na trhu. Jejich využití v případě tašek a pytlů na bioodpad, se kterým společně končí v kompostu, jako velmi nadějné. Je ale možné důvodně předpokládat, že bude nutné upravit lhůty expedice konečného produktu, kompostu, tak, aby došlo k úplnému rozkladu biologicky rozložitelných plastů.
~ 77 ~
5
LITERATURA [1].
DUCHÁČEK, V. Polymery: výroba, vlastnosti, zpracování, použití. 2. vyd. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, 2006. 279 s. ISBN807080-617-6.
[2].
ZEHNÁLEK, JOSEF.Chemie, paliva, maziva. Druhé nezměněné vydání. Brno: MENDELOVA LESNICKÁ A ZEMĚDĚLSKÁ UNIVERZITA V BRNĚ, 2005. 179 s. ISBN 80-7157-900-9.
[3].
NEZVAL, JIŘÍ.Vývoj světové spotřeby PET materiálu. PETrecycling [online]. 2005
[cit.
2014-04-02].
Dostupné
z:
[4].
HONZÍK, ROMAN: Plasty se zkrácenou životností a způsoby jejich degradace. Biom.cz [online]. 2004-08-18 [cit. 2014-02-04]. Dostupné z WWW: . ISSN: 1801-2655.
[5].
RŮŽIČKA, JAN.,
A KOL.
Výrobní trendy směřující k ekologicky šetrnějším
polymerním materiálům.In Polymery a životní prostředí. Sborník semináře 051102. Chrudim: Vodní zdroje Ekomonitor spol. s r.o., 2005. s. 30-37 [6].
LEŠINSKÝ, DANIEL. Environmentálnedegradovateľné plasty. EnviWeb zpravodajství pro životní prostředí, příroda, ekologie, odborné akce [online]. 2004 [cit. 2012-04-01]. Dostupné z:
[7].
BUSINESS MEDIA CZ,
S.R.O.,
Jak využít plasty po skončení jejich
životnosti. Technický týdeník. 2010, č. 17. ISSN 0040-1064. [8].
OBRUČA,
STANISLAV.
I. Inovace.cz [online].
Bioplasty
2007
[cit.
-
materiál
2012-04-01].
budoucnosti Dostupné
z:
novinky/681-bioplasty-material-
budoucnosti-i> [9].
KALE, Gaurav, Thitisilp KIJCHAVENGKUL, Rafael AURAS, Maria RUBINO, Susan E. SELKE a Sher Paul SINGH. Compostability of ~ 78 ~
Bioplastic Packaging Materials: An Overview. Macromolecular Bioscience. 2007-03-08, vol. 7, issue 3, s. 255-277. DOI: 10.1002/mabi.200600168. Dostupné z: http://doi.wiley.com/10.1002/mabi.200600168 [10].
Ikada, Y. and Tsuji, H. (2000), Biodegradable polyesters for medical and ecological
applications.
Macromol.
Rapid
Commun.,
21: 117–132.
doi: 10.1002/(SICI)1521-3927(20000201)21:3<117::AIDMARC117>3.0.CO;2-X [11].
KOUTNÝ, MAREK. Biodegradabilní plasty: současnost a perspektivy. Vodní zdroje Ekomonitor spol. s. r. o. [online]. 2010 [cit. 2012-04-01]. Dostupné z:
[12].
OBRUČA,
STANISLAV.
II. Inovace.cz [online].
Bioplasty 2007
z:
[cit.
-
materiál
budoucnosti
2012-04-01].
Dostupné
novinky/680-bioplasty-
material-budoucnosti-ii> [13].
KALE, Gaurav, Thitisilp KIJCHAVENGKUL, Rafael AURAS, Maria RUBINO, Susan E. SELKE a Sher Paul SINGH. Compostability of Bioplastic Packaging Materials. Macromolecular Bioscience. 2007-03-08, vol. 7, issue 3, s. 255-277. DOI: 10.1002/mabi.200600168. Dostupné z:
[14].
TESAŘOVÁ, MARTA, ZDENĚK FILIP, MONIKA SZOSTKOVÁ
A
GERT
MORSCHECK. Biologické zpracování odpadů. První vydání. Brno: Mendelova univerzita v Brně, 2010. 129 s. ISBN 978-80-7375-420-4 [15].
ZÁKON
Č.
185/2001 SB.,Zákon o odpadech a o změně některých dalších
zákonů. In: Sbírka zákonů. 2001, 71, s. 4074-4113. ISSN 1211-1244. [16].
Česká republika. VYHLÁŠKA 341/2008 Sb. ze dne 26. srpna 2008 o podrobnostech nakládání s biologicky rozložitelnými odpady a o změně vyhlášky č. 294/2005 Sb., o podmínkách ukládání odpadů na skládky a jejich využívání na povrchu terénu a změně vyhlášky č. 383/2001 Sb., o podrobnostech nakládání s odpady (vyhláška o podrobnostech nakládání s biologicky rozložitelnými odpady). In: Sbírka zákonů. Praha: Tiskárna ~ 79 ~
Ministerstva vnitra, p. o., 26. 8. 2008, roč. 2008, 110, s. 5250-5296. ISSN 1211-1244. [17].
DOHNAL. w20011306.pdf [online].[cit. 2014-03-03]. Dostupný z WWW:
[18].
DIAZ, L F. -- DE BERTOLDI, M. Compost science and technology. Boston, MA: Elsevier, 2007. 364 s. ISBN 978-0-08-043960-0
[19].
Mohanty, A. K., Misra, M. and Hinrichsen, G. (2000), Biofibres, biodegradable polymers and biocomposites: An overview. Macromol. Mater. Eng.,
276-277: 1–24.
doi: 10.1002/(SICI)1439-
2054(20000301)276:1<1::AID-MAME1>3.0.CO; 2W. [20].
ČSN EN 13431. Obaly - Požadavky na obaly využitelné jako zdroj energie, včetně specifikace nejnižší výhřevnosti. Praha: © Český normalizační institut, 2001.
[21].
PLASTiCE GLOSSARY OF TERMS. Plastice [online]. [cit. 2014-04-14]. Dostupné
z:
glossary-of-terms/> [22].
KROGMANN, Uta a Ina KRNER. Technology and Strategies of Composting. Biotechnology. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2000-04-25. DOI: 10.1002/9783527620968.ch4. Dostupné z:
[23].
Moravská Nová Ves | ZERA - Databáze kompostáren. TAJFUN DIGITAL, s.r.o. ZERA - Databáze kompostáren - Kompostárny v ČR [online]. 20072014 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z:
[24].
EnviWeb. RNDR. MIROSLAV KUBÁSEK, Ph.D. EnviWeb - zpravodajství pro životní prostředí, příroda, ekologie, odborné akce [online]. 2003-2012 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z:
[25].
Kompostovací tašky KOMPOSTUJ.CZ (25 ks) : Ekonakup.cz, Ekodomov. EKODOMOV, Ekonákup. Ekonákup.cz pro zdravou zahradu, domácnost, ~ 80 ~
školy, obce a firmy [online]. 2005-2014 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: [26].
© VINÇOTTE. Home - VINÇOTTE - OK compost - Global Solutions Provider [online].
2014
[cit.
Dostupné
2014-04-14].
z:
[27].
Industrial Compostable Products | dc | TÜV Rheinland. ©2014 TÜV RHEINLAND. DIN CERTCO | dc | TÜV Rheinland [online]. 2014 [cit. 2014Dostupné
04-14].
z:
de/en/dincertco/produkte_leistungen/zertifizierung_p rodukte/umwelt_1/industriell_kompostierbare_produkte /industriell_kompostierbare_produkte.html> [28].
Nákupní taška s uchy BIO, střední - rozložitelná | EKO-plasty.cz, bioplasty, jednorázové
a
nádobí
do
RICHTER. EKO-plasty.cz,
kuchyně. bioplasty,
DOLEŽAL, jednorázové
Pavel a
a
Michal
nádobí
do
kuchyně [online]. [cit. 2014-04-14]. Dostupné z: [29].
Informace o bioplastu PLA | EKO-plasty.cz, bioplasty, jednorázové a nádobí do kuchyně. DOLEŽAL, Pavel a Michal RICHTER. EKO-plasty.cz, bioplasty, jednorázové a nádobí do kuchyně [online]. [cit. 2014-04-14]. Dostupné z:
[30].
Biokvalita.cz
-
BIOLOGICKY
ROZLOŽITELNÉ
(kompostovatelné)
plastové tašky, 5ks - Biologicky rozložitelný plast - Biologicky rozložitelný plast,
Ekologická
drogerie
Biokvalita.cz [online].
česká. [cit.
z:
SIMPLIA
S.R.O. Biokvalita.cz
2014-04-14].
Dostupné
Ekologicka-drogerie-
ceska/Biologicky-rozlozitelny-plast/BIOLOGICKYROZLOZITELNE-kompostovatelne-plastove-tasky-5ks>
~ 81 ~
-
[31].
MALEČEK, Bedřich. Jak na bioodpad aneb Co jsme si od přírody vzali, vracíme v možné míře zpět. 2012. vyd. Dostupné z:
[32].
Technické služby města Slavkova u Brna - Provoz kompostárny. HLOUŽEK, Ondřej. Technické služby města Slavkova u Brna - Úvodní strana [online]. 2010 [cit. 2014-04-14]. Dostupné z:
[33].
NARAYAN, R. -- MURPHY, R. -- SONG, J. Biodegradable and compostable alternatives to conventional plastics. [online]. 2009. Dostupné z:
[34].
ČSN EN 14806. Obaly - Předběžné hodnocení rozpadu obalových materiálů v modelových podmínkách kompostování v laboratorním měřítku. Praha: © Český normalizační institut, 2006.
~ 82 ~
Přílohy
~ 83 ~
6
SEZNAM OBRÁZKŮ
Obrázek 1: Dělení polymerů [1] .................................................................................. 13 Obrázek 2: Vlivy podílející se na degradaci plastů se zkrácenou životností [4] ............ 15 Obrázek 3: Srovnání uhlíkového cyklu klasických plastů a BDP [9] ............................ 18 Obrázek 4: Změny v molekulární hmotnosti u PHB a PLA v závislosti na způsobu rozkladu [9] ................................................................................................................. 20 Obrázek 5: Znázornění průběhu degradace polymerů [10] ........................................... 21 Obrázek 6: Faktory ovlivňující biodegradaci BDP [9] ................................................. 22 Obrázek 7: Průběh rozkladu PLA lahve v kompostovacích podmínkách [13]............... 25 Obrázek 8: Srovnání rychlosti mineralizace v procentech PLA, PET lahví a kukuřičného škrobu, měřeno dle standardů ASTM D5338 a ISO 14855 [13 ] ..................................26 Obrázek 9: Cyklus obnovitelných materiálů, procházejících procesem kompostování [9] .................................................................................................................................... 30 Obrázek 10:Příklady označení kompostovatelných materiálů [13] ............................... 32 Obrázek 11: Schéma posuzování kompostovatelnosti materiálu dle normy ASTM D6400 [13] .................................................................................................................. 34 Obrázek 12: Teplotní charakteristika a výsledný produkt biochemických přeměn kompostovaného materiálu [14]................................................................................... 38 Obrázek 13:Vliv poměru C:N kompostovaného materiálu na teplotu kompostové zakládky [14] .............................................................................................................. 40 Obrázek 14: Vliv velikosti částic kompostovaného materiálu na teplotu kompostové zakládky [14] .............................................................................................................. 41 Obrázek 15: Způsoby a techniky kompostování [14] ................................................... 45 Obrázek 16: Trojúhelníkový typ zakládky [14] ............................................................ 46 Obrázek 17: Lichoběžníkový typ zakládky [14] ........................................................... 46 Obrázek 18: Logo OK Compost [26] ........................................................................... 51 Obrázek 19: Taška č. 1 [25] ......................................................................................... 52 Obrázek 20: "seedling" logo [27] ................................................................................. 53 Obrázek 21: Taška č. 2 [28] ......................................................................................... 54 Obrázek 22: Taškač. 3 [30] .......................................................................................... 55 Obrázek 23: Vzorky na kompostárně ........................................................................... 56 Obrázek 24: Kompostovací hromada ........................................................................... 57 Obrázek 25: Vzorek BDP v kompostovací hromadě .................................................... 57 Obrázek 26: Graf znázorňující úbytek hmotnosti BDP po 45 a 90 dnech ..................... 64 Obrázek 27: Petriho misky ihned po založení pokusu .................................................. 69 Obrázek 28: Osídlení BDP mikroorganismy ................................................................ 73 Obrázek 29: Osídlení BDP vláknitými mikroorganismy .............................................. 74 Obrázek 30: Detailní zobrazení rozkladu BDP ............................................................. 74 Obrázek 31: traktor John Deere 6330 Premium s míchacím vozem SEKO Samurai 5 [32] ............................................................................................................................. 87 Obrázek 32: překopávač kompostu SANDBERGER ST-250 [32] ............................... 87 Obrázek 33: Bubnový prosévací třídič NOVERB BP [32] ........................................... 88 Obrázek 34: Horkovzdušný sterilizátor značky STERICELL 111 ................................ 88 Obrázek 35: Muflová pec ............................................................................................ 89 Obrázek 36: Kultivace mikroorganismů na BDP dříve nafragmentovaných na menší části a naložených v kompostu s přídavkem destilované vody .....................................89 ~ 84 ~
Obrázek 37: Kultivace mikroorganismů na BDP dříve naložených v kompostu s přídavkem roztoku destilované vody, glukózy a peptonu ........................................... 90 Obrázek 38: Kultivace mikroorganismů na BDP dříve naložených v kompostu s přídavkem roztoku destilované vody a glukózy ........................................................... 90
~ 85 ~
7
SEZNAM TABULEK
Tabulka 1: Příklady plastů se zkrácenou životností [4]................................................. 15 Tabulka 2: Světová produkce BDP [8]......................................................................... 19 Tabulka 3: Biologicky zpracovatelné odpady dle katalogu odpadů [14] ....................... 28 Tabulka 4: Produkce komunálních odpadů v tunách v letech 2008 – 2012[17]............. 29 Tabulka 5: Počty mikroorganismů v kompostovaném materiálu [14] ........................... 43 Tabulka 6: Statické způsoby kompostování [14] .......................................................... 47 Tabulka 7: Dynamické způsoby kompostování [14]..................................................... 48 Tabulka 8: Výsledky z měření a s výpočty úbytku hmotnosti vzorků po 45 dnech kompostování ........................................................... Chyba! Záložka není definována. Tabulka 9: Tabulka s výsledky změření a s výpočty úbytku hmotnosti vzorků po 90 dnech kompostování .................................................................................................... 63 Tabulka 10: Hmotnostní úbytek BDP po 21 dnech naložení v živných médiích ........... 71
~ 86 ~
8
OBRAZOVÉ PŘÍLOHY
Příloha č. 1:
Obrázek 31: traktor John Deere 6330 Premium s míchacím vozem SEKO Samurai 5 [32]
Příloha č. 2:
Obrázek 32: překopávač kompostu SANDBERGER ST-250 [32]
~ 87 ~
Příloha č. 3:
Obrázek 33: Bubnový prosévací třídič NOVERB BP [32]
Příloha č. 4:
Obrázek 34: Horkovzdušný sterilizátor značky STERICELL 111
~ 88 ~
Příloha č. 5:
Obrázek 35: Muflová pec
Příloha č. 6:
Obrázek 36: Kultivace mikroorganismů na BDP dříve nafragmentovaných na menší části a naložených v kompostu s přídavkem destilované vody
~ 89 ~
Příloha č. 7:
Obrázek 37: Kultivace mikroorganismů na BDP dříve naložených v kompostu s přídavkem roztoku destilované vody, glukózy a peptonu
Příloha č. 8:
Obrázek 38: Kultivace mikroorganismů na BDP dříve naložených v kompostu s přídavkem roztoku destilované vody a glukózy
~ 90 ~
