Биоупаковка – альтернатива пластику

Одна из активно использующих полимерные материалы отраслей относится к сфере производства упаковки. Пластиковая упаковка активно применяется во всех сферах нашей жизни, в нее пакуются как бытовые, так и пищевые продукты. Именно поэтому огромная часть неразлагаемых отходов приходится на долю упаковочной индустрии. У рынка полимерной тары и упаковки есть перспективы развития, обусловленные как наращиванием объемов производства полимеров, так и улучшением качества продукции. Среднегодовые темпы роста внутреннего (в РФ) спроса на тароупаковочные материалы в перспективе до 2015 г. прогнозируются на уровне 4,5%. Бурное развитие рынка полимерных упаковок и тары, а также крупногабаритных изделий, элементов автомобилей и пр. ставит задачу поиска новых, высокопрочных материалов.

Особо быстрыми темпами растет рынок крупногабаритной пластмассовой тары (КПТ), вытесняющей традиционно используемые металлические емкости больших объемов (до 1000 л и выше). В настоящее время в мире ежегодный прирост производства КПТ составляет около 5 – 7% в таких крупных странах-производителях (США, Германия). Российский рынок крупногабаритной пластмассовой тары также непрерывно увеличивается, на 5 – 6% в год. В 2002 г. общий объем российского рынка КПТ составил 38,5 млн. Если стеклянная тара, как правило, находится в потребительском цикле, а бумажная подвергается разложению в естественных условиях, то упаковка из синтетических полимеров, составляющая 40% бытового мусора, практически вечна.

Перспективными разрушаемыми биопластиками являются полиэфиры алкановых кислот, так называемые полигидроксиалканоаты (ПГА) – термопластичные разрушаемые линейные полиэфиры микробиологического происхождения (англоязычная аббревиатура – PHA).

- По сравнению с полилактидами, ПГА имеют ряд весьма существенных преимуществ:

- ПГА в отличие от ПМК, получают методом прямой ферментации, их производство не требует серии технологических этапов (синтез мономеров, полимеризация, добавление пластификаторов и модифицирующих компонентов);

- сырьем для синтеза ПГА могут быть сахара, органические кислоты, спирты, смеси СО₂ и Н₂, продукты гидролиза растительного сырья, промышленные отходы производства сахара, пальмового масла, водородсодержащие продукты переработки бурых углей и гидролизного лигнина;

- ПГА – это семейство полимеров различной химической структуры, образованных мономерами с длиной С-цепи от С4 до С12 и выше, от высококристалличных термопластов до резиноподобных эластомеров;

- свойствами ПГА (кристалличность, механическая прочность, температурные характеристики, скорости биораспада) можно управлять, варьируя в процессе ферментации состав среды и задавая ту или иную химическую структуру;

- ПГА подвергаются переработке из различных фазовых состояний (порошки, растворы, гели, расплавы) общепринятыми методами;

- ПГА не гидролизуются в жидких средах, так как деградация ПГА является истинной биологической и происходит клеточным и гуморальным путями;

- скоростью деградации ПГА можно управлять.

Биотехнологический процесс получения полимеров этого класса заключается в культивировании штамма-продуцента в жидкой питательной среде при постоянной аэрации стерильным воздухом и перемешивании в специфическом режиме при избытке углеродного субстрата в среде и несбалансированном росте, когда процесс синтеза основных (азотсодержащих) клеточных макромолекул ограничен каким-либо компонентом субстрата.

В качестве продуцента используются штаммы бактерий различных таксономических групп, характеризующиеся способностью синтезировать полимеры различной химической структуры и позволяющие использовать разнообразные субстраты. Важным технологическим свойством данного продуцента является возможность замены ростового субстрата без существенной замены технологического процесса и оборудования. В качестве ростового субстрата могут использоваться: кристаллические сахара, гидролизаты растительных биомасс, органические кислоты, газовые смеси Н₂+СО₂+О₂ (источником водорода может быть электролиз воды, при этом одновременно процесс обеспечивается кислородом, а источником углерода служит углекислота биохимических производств. В России ведущим коллективом, разрабатывающим технологии синтеза ПГА на различных субстратах, является Институт биофизики СО РАН, в котором создано первое в РФ опытное производство этих полимеров, разработана и впервые в биотехнологической практике реализована технология синтеза ПГА на газе, получаемом из бурых углей КАТЭК, а также газификацией гидролизного лигнина.