Биоэкономика в тренде: как производители ищут новые сырьевые материалы на биологической основе
8164
Биоэкономика набирает обороты по всему миру: промышленность ищет новые сырьевые материалы на биологической основе. В каких же случаях целесообразно использовать возобновляемые источники? Мы выяснили, что такое биологическое сырье, из чего производят известную синюю сумку из IKEA, как компостируемый пластик позволяет восстановить урожайность в Китае, что такое упаковка из фруктозы и как биоэкономика снижает воздействие на окружающую среду.
Продукция ИКЕА из возобновляемого сырья
Слово Frakta в переводе означает «перевозка»; собственно говоря, именно для перевозки различных вещей и предназначена синяя сумка с таким названием, хорошо знакомая посетителям магазинов ИКЕА. Она прочная и вместительная, легко поддается чистке и находит широкое применение в домашнем хозяйстве.
Сырьем для производства таких универсальных сумок служит полимерный материал, получаемый из сырья на основе нефти (первичный полипропилен). Однако совсем скоро грядут серьезные изменения.
ИКЕА планирует к 2020 году перевести производство всей своей пластиковой продукции (сумки, детские игрушки, контейнеры для хранения вещей и др.) на возобновляемые источники сырья и/или переработанные материалы. Сделать это будет совсем не просто.
Для самых «чувствительных» областей применения (пищевая упаковка, игрушки для детей) действуют жесткие нормативные требования, исключающие возможность использования нынешних переработанных пластиков. Это означает, что нужно искать альтернативные решения.
«Мы пытаемся заменить пластмассы из углеводородов на аналоги, получаемые на основе возобновляемых ресурсов. Речь идет, например, о полилактиде, а также о различных комбинациях материалов из биосырья. В некоторых случаях в качестве первого шага возможен переход на смеси с "нефтяными" пластиками», - поясняет Пунит Трехан, руководитель группы по разработке инновационных материалов, ИКЕА.
По его словам, первоначальная цель состоит в том, чтобы довести долю продукции на основе биологического сырья до 40-60%.
«Био» вместо «петро»
ИКЕА не является единственной компанией, планирующей использовать пластики из биологического сырья.
Первый полностью синтетический пластик, получивший название «бакелит», был изобретен примерно 100 лет тому назад. Сейчас список производимых синтетических пластиков насчитывает уже тысячи наименований. Теперь ученые и производители активно осваивают новое направление.
К примеру, компания LEGO заявляет о намерении к 2030 году перейти на изготовление деталей своих конструкторов из пластиков альтернативного происхождения. На пути к этой цели компания в 2015 году объявила об инвестировании суммы, эквивалентной 135 млн евро, в строительство Центра экоэффективных материалов.
В 2009 году компания CocaCola приступила к внедрению новой технологии PlantBottleTM, а вскоре после этого лицензировала данную технологию для использования другими крупными компаниями, включая H.J. Heinz (изготовитель кетчупов) и Ford Motor Company.
Первоначально доля растительного сырья при изготовлении ПЭТ-бутылок составляла 30 процентов. Цель CocaCola – полностью перевести технологию PlantBottle на возобновляемые ресурсы.
Одно из возможных решений задачи по изготовлению пластиковых бутылок на основе только возобновляемых видов сырья предлагает компания Synvina. Это совместное предприятие, созданное недавно при участии концерна BASF и нидерландской компании Avantium, производит фурандикарбоновую кислоту (FDCA) из фруктозы. FDCA является исходным продуктом для синтеза полиэтиленфураноата (ПЭФ) – материала, пригодного для изготовления пищевой упаковки и бутылок для напитков.
Бутылки из ПЭФ обладают целым рядом уникальных характеристик. Во-первых, сырье для их производства является на 100% возобновляемым. Во-вторых, они, по сравнению с бутылками из ПЭТ, демонстрируют лучшие барьерные свойства по отношению к газам (диоксиду углерода, кислороду), что ведет к продлению срока годности напитков.
Если говорить об автомобилестроительной отрасли, то она в некоторой степени возвращается к своим истокам. В первой половине ХХ века конструкторы автомобилей экспериментировали с использованием материалов биологического происхождения.
Примером может служить одна из моделей Ford, датируемая 30-ми годами прошлого столетия; ее кузов был изготовлен из волокон конопли. Но после принятия в США в 1937 году «Закона о налоге на марихуану» компания Ford была вынуждена свернуть подобные разработки.
Сегодня мы наблюдаем возобновление интереса к идее уменьшения объемов выбросов углеродсодержащих соединений в атмосферу за счет снижения веса автомобилей. Это может быть достигнуто, в частности, благодаря использованию различных материалов природного (растительного) происхождения, включая сизаль, кенаф и лен.
Детали автомобилей все чаще изготавливают из пластиков, содержащих волокна природного происхождения – это дешевле по сравнению с угле- или стекловолокном.
Снижение влияния на окружающую среду
Экономика, основанная на ископаемых ресурсах, все ближе подходит к своему пределу. Климатические изменения и связанная с ними необходимость в сокращении объемов выбросов «парниковых» газов подталкивают нас к переосмыслению ситуации.
«Единственной альтернативой сейчас являются продукты на биологической основе. Вполне вероятно, что поставленная странами "большой семерки" долгосрочная цель по уменьшению выбросов диоксида углерода окажется недостижимой без биоэкономики», – считает Вальдемар Кютт, возглавляющий подразделение продуктов и технологий на биологической основе при генеральном директорате Еврокомиссии по исследованиям и инновациям.
Причина состоит в том, что в процессе фотосинтеза растения поглощают диоксид углерода из атмосферы.
«Используя в производстве продукции углеродсодержащие соединения, извлеченные из растительной либо микробной биомассы, мы тем самым изымаем CO2 из окружающей среды – в полном соответствии с природным циклом. К использованию нефтяного сырья это неприменимо, поскольку нефть формировалась в недрах нашей планеты в течение миллионов лет, и здесь мы не получаем никаких преимуществ в плане удаления CO2», – поясняет Рамани Нарайан, профессор кафедры химической инженерии и материаловедения в университете штата Мичиган (США).
Полностью отказаться от нефтяного сырья не представляется возможным. Но даже его частичная замена является позитивным шагом, направленным на снижение нагрузки на окружающую среду.
«Если в общем объеме ПЭТ, используемого во всем мире на производство пластиковых бутылок (а это около 37,5 млн тонн), заменить хотя бы 20 процентов на продукт из биосырья, то результатом станет изъятие 17,2 млн тонн CO2 из окружающей среды. Это эквивалентно экономии примерно 40 млн баррелей нефти», – говорит Рамани Нарайан.
Рост производства продуктов из биосырья
Существуют два основных понятия, характеризующих биопластики в глазах потребителей. Это возможность использования биосырья в их производстве, а также способность готовой продукции к биологическому разложению.
Пластик, изготавливаемый из возобновляемых сырьевых материалов, не всегда обладает способностью к биоразложению; он может сохраняться в окружающей среде так же долго, как и обычные пластики.
С другой стороны, пластик, сырьем для производства которого является нефть или природный газ, может оказаться биоразлагаемым.
Приставка «био» применительно к пластикам может указывать на одно из двух – либо на то, что эти пластики были синтезированы из сырья биологического происхождения, либо на то, что они могут быть утилизированы посредством биоразложения.
Те пластики, сырьем для которых (полностью или частично) являются возобновляемые материалы, далеко не во всех случаях демонстрируют способность к биологическому разложению. Биоразлагаемость зависит в первую очередь от молекулярной структуры пластика, а не от использованных в процессе его производства сырьевых материалов.
К примеру, синтезированные из биосырья ПЭ (полиэтилен) и ПЭТ (полиэтилентерефталат) точно также не поддаются биологическому разложению, как и их аналоги, полученные из ископаемого сырья.
А вот пластики на основе полимолочной кислоты (продукт растительного происхождения) способны к биоразложению – точно так же, как и некоторые пластики, сырьём для производства которых служат углеводороды. По прошествии некоторого времени, в определенных условиях (температура, влажность, присутствие кислорода) под воздействием микроорганизмов (бактерий, грибков) эти полимерные продукты могут разлагаться на воду, диоксид углерода (CO2) и биомассу.
«Мы наблюдаем растущий спрос на продукты на биологической основе, в производстве которых мы используем передовые технологии и инновации. Одновременно мы расширяем портфель предложений по биоразлагаемым материалам», – говорит Карстен Зиден, руководитель исследовательского подразделения «белых» биотехнологий BASF.
На сегодняшний день доля биопластиков на рынке по-прежнему невелика – она составляет менее 1 процента от совокупного объема в 300 млн тонн пластиков, производимых ежегодно во всем мире.
Однако, по прогнозам Европейской ассоциации производителей биопластиков, в предстоящие годы этот показатель резко вырастет. По сравнению с 2015 годом (около 2 млн тонн) к 2019 году объем производства биопластиков увеличится практически вчетверо – до 7,8 млн тонн.
Основная их часть (около 80 процентов) – это пластики, изготавливаемые из биосырья, но не поддающиеся утилизации способами биоразложения. Биоразлагаемые пластики являются востребованными, в частности, изготовителями мешков для органических отходов и мульчирующих пленок сельскохозяйственного назначения.
Компостируемый пластик BASF ecovio
К примеру, компостируемый пластик BASF ecovio хорошо зарекомендовал себя в сельскохозяйственном секторе Китая. Широко распространенная в КНР практика использования не способного к биоразложению полиэтилена для изготовления мульчирующих пленок представляет экологическую проблему.
Сохраняя в почве тепло и влагу, такая пленка способствуют росту и развитию растений; но после уборки урожая она остается лежать на полях в виде тонких узких полосок. После запахивания в почву эти остатки препятствуют нормальному развитию корневой системы растений, что негативно сказывается на будущих урожаях.
Те сельхозпроизводители, которые используют биоразлагаемую мульчирующую пленку на основе ecovio, смогли восстановить прежнюю урожайность. Это было подтверждено в результате многочисленных длительных экспериментов, проводившихся BASF в партнерстве с местными организациями. Так, на опытном поле в провинции Гуандун увеличение урожаев картофеля составило 18%, при одновременном 11%-ном сокращении затрат на их уборку.
Устойчивое развитие
Тем не менее, прогресс в области биоэкономики остается предметом критических обсуждений. Идут дискуссии о сравнительной важности продовольствия и топлива, об использовании земельных участков и вложении средств, об условиях труда работников; все это занимает центральное место в дискуссиях, касающихся возобновляемых ресурсов.
Сейчас на первое место выходят разработки, связанные с биомассой «второго поколения» (то есть получаемой из непищевого сырья). Впрочем, из этого не следует, что канола (рапсовое масло), кукуруза и другие культуры «первого поколения» утрачивают свою значимость.
«Биоэкономика и промышленность на биологической основе обладают потенциалом для обеспечения человечества продовольствием, кормами, волокнами и другими востребованными материалами – при условии, что прогресс здесь пойдет в верном направлении», – говорит Джоанна Дюпон-Инглис, директор по промышленным биотехнологиям компании EuropaBio.
«Вместе с тем, тут не может быть единого универсального рецепта, поскольку биоэкономика демонстрирует большое разнообразие, и в различных регионах (в зависимости от целей) имеет смысл ориентироваться на различные виды сырья. Кроме того, мы уверены в появлении новых решений, направленных на минимизацию отходов и их рациональную переработку», - добавляет она.
Нейлон из древесины, автомобильные покрышки из одуванчиков, смазочные продукты из чертополоха – сырьем для биомассы «второго поколения» в основном служат несъедобные растения, а также органические отходы и остатки.
По данным ООН, ежегодно на полях остаются сельскохозяйственные отходы в общем количестве, достигающем 5 млрд тонн. Они непригодны для употребления в пищу, но могут быть использованы в качестве сырья.
Подход должен быть обоснованным
Если рассуждать теоретически, то биоэкономика обладает большим потенциалом, что обусловлено инновациями на основе передовых технологий, уменьшением объёмов выбросов диоксида углерода и созданием новых рабочих мест. Однако все эти возможности не следует переоценивать.
«Биоэкономика – это не "волшебный ключик", позволяющий справиться со всеми имеющимися проблемами, но она может помочь нам в решении целого ряда значимых вопросов социального и экологического характера», – отмечает Джоанна Дюпон-Инглис. – «Все 100 тысяч наименований ныне используемых химикатов в принципе можно получать из возобновляемых источников углеродсодержащих соединений, а не из ископаемого сырья. Но здесь в каждом конкретном случае нужно учитывать все три основополагающих компонента концепции устойчивого развития – экологические, социальные и экономические аспекты».
Карстен Зиден из BASF добавляет: «Один из доводов в пользу развития биоэкономики заключается в возможности получения достаточных объемов продуктов по конкурентоспособным ценам. Еще более важным моментом является перспектива для создания и внедрения инноваций. Мы хотим реализовать имеющийся здесь потенциал в нашей исследовательской работе».
Заказчики все активнее проявляют интерес к продукции на биологической основе. По мнению Зидена, тут есть большие возможности для расширения сырьевой базы, но этот процесс нельзя осуществить сразу.
Так, исследователям потребовалось несколько лет для решения задачи по коммерциализации технологии получения янтарной кислоты на биологической основе (как продукта жизнедеятельности бактерий Basfia succiniciproducens).
Янтарная кислота является важным промежуточным продуктом в цепочках синтеза биоразлагаемых пластмасс, покрытий и полиуретанов, востребованных производителями матрасов, напольных мастик и автомобильных сидений.
Учрежденное концерном BASF и нидерландской компанией Corbion совместное предприятие Succinity с 2014 года является оператором производства в городе Монтмело (Испания). Ежегодно этот завод поставляет на рынок 10 тысяч тонн янтарной кислоты биологического происхождения.
Вопрос достаточности объемов имеет ключевую значимость для Пунита Трехана из IKEA.
Он видит существенный прогресс в этой области: «Наш опыт показывает, что при грамотной партнерской организации цепочки создания стоимости показатели затрат оказываются вполне конкурентоспособными; самое главное – это чтобы ваши партнеры стремились к этой же самой цели».
В мире биоэкономики обычные подходы к ведению бизнеса срабатывают далеко не всегда.
Джоанна Дюпон-Инглис отмечает: «Уже начавшийся переход можно охарактеризовать словами "промышленная эволюция". Для разработки решений, связанных с использованием возобновляемых ресурсов биологического происхождения, нам потребуется выйти на более высокий уровень тесного взаимодействия, охватывающего многочисленные отрасли и сектора промышленности».
Статья основана на материале журнала BASF Creating Chemistry. Полная версия доступна на сайте.
