Jednog dana bismo mogli praviti automobile, vetrogeneratore i veštačke kukove od biljaka. Kuhinjske ploče i dušeke bismo mogli dobijati od kukuruznog skroba i sojinog ulja, dok bi se različiti lepkovi mogli proizvoditi od lignina, jedne od gradivnih materija drveta. Ovo možda zvuči kao neki naučno-fantastični roman, ali se zapravo radi o bliskoj budućnosti.

Naime, mnogi savremeni proizvodi su delimično ili u potpunosti izrađeni od polimernih materijala.

Polimerni materijali, ili u narodu poznatiji kao plastika, su ušli u masovnu proizvodnju sredinom 20. veka i danas se savremeno društvo ne može zamisliti bez njih, piše Klima101.

Oni su svuda oko nas – od boja na zidovima i nameštaju, pena u madracima, našim laptopovima i televizorima do ambalaže za vodu i hranu, lepkova za nameštaj i parket, vlakana u odeći i obući, zubnih proteza, sočiva i mnogih drugih predmeta koji se nalaze u opštoj upotrebi.

Zavisnost od fosilnih goriva

Danas se polimeri gotovo isključivo proizvode iz fosilnih resursa, čime predstavljaju dugoročnu i stalno rastuću opasnost po životnu sredinu.

Problemi nastaju već na naftnim bušotinama, gde konstantno dolazi do curenja prirodnog gasa (pretežno metana) u atmosferu. Velika količina gasa se otpusti i u toku transporta nafte do rafinerija. Zatim sledi dugotrajan hemijski proces pretvaranja nafte ili gasa u sirove plastične materijale. Ovaj proces je energetski veoma zahtevan.

Procenjeno je da će do 2050. godine proizvodnja polimernih materijala osloboditi u atmosferu 56 gigatona ugljen-dioksida (što je približno onoliko koliko čitav svet trenutno emituje za godinu dana). Na žalost, tu nije kraj problemima.

Većina polimernih materijala iz petrohemijskih izvora nije biorazgradiva i ne raspada se u prirodi. Studija iz 2017. godine je pokazala da je od 8,3 milijarde tona plastike proizvedene od 1950. godine 6,3 milijarde tona bačeno. Bez obzira da li je završila na deponiji ili u moru, ta plastika, zahvaljujući stabilnosti i trajnosti zbog koje je veoma cenjena, će se u prirodi zadržati veoma dugo.

Kako jednostavno, ali efikasno prevazići probleme?

Na prvi pogled najjednostavniji način za rešavanje ovog problema je zamena plastičnih materijala alternativnim, kao na primer plastične kese papirnim ili plastične flaše staklenim. Međutim, mnoge studije ukazale su na nedostatke ovakvog pristupa.

Naime, plastični proizvodi koji se danas koriste na tržištu omogućavaju značajne uštede energije i smanjenje emisije gasova sa efektom staklene bašte (faza proizvodnje i upotrebe je najvažnija za uštedu). Sa stanovišta ukupnog životnog ciklusa, plastika se može smatrati jednim od energetski najefikasnijih materijala. Zbog svega navedenog, bilo je potrebno razviti nove tipove plastičnih materijala koji se mogu proizvesti iz bioobnovljivih (održivih) izvora umesto iz nafte ili gasa.

Prvi koraci su već načinjeni. Novi tipovi bioplastike se koriste za izradu biorazgradivih kesa u supermarketima, kafići poslužuju kafu za poneti u čašama koje se mogu kompostirati, dok 3D štampači koriste poli(mlečnu kiselinu) za izradu 3D modela.

Ipak, u pogledu proizvodnih troškova, preradljivosti i upotrebnih svojstava, polimeri iz obnovljivih izvora ne mogu u potpunosti parirati konvencionalnoj plastici. Raspon njihovog uticaja na životnu sredinu (pozitivan i negativan) je mnogo veći nego kod konvencionalnih polimera (zbog izbora sirovina i mogućnosti reciklaže otpada). Iz tog razloga, u prethodnoj deceniji, pažnja akademske i industrijske zajednice usmerena je ka pronalaženju plastičnih materijala, koji se mogu dobiti iz bioobnovljivih izvora, a mogu efikasno zameniti konvencionalne plastične materijale.

Gde je tu Srbija?

Fond za nauku Republike Srbije finansira projekat koji se bavi razvojem održivih polimernih materijala. Grupa mladih istraživača sa Univerziteta u Kragujevcu i Univerziteta u Beogradu, pokušava da sintetiše nezasićene poliestarske smole, upotrebljavajući isključivo sirovine koje se mogu dobiti iz bioobnovljivih izvora.

Projekat POLYGREEN je baziran na integraciji različitih pristupa, kompetencija i resursa nauke o materijalima, polimerne hemije, biohemije, hemijskog inženjerstva, nanotehnologije i inženjerstva zaštite životne sredine.

Nezasićene poliestarske smole spadaju u grupu inženjerskih polimera sa izuzetno širokom primenom i proizvodnjom, koja je u 2019. godini dostigla 8.000.000 tona. Upotrebljavaju se u transportnoj, građevinskoj, elektro idustriji, kao i u proizvodnji nameštaja i obuće. Poslednjih godina nalaze primenu i u visoko-tehnološkom sektoru, kao što je inženjerstvo tkiva, vojna industrija, robotika i optoelektronika. Široka primena je posledica odličnih karakteristika koje ove smole pružaju uz relativno nisku cenu. Međutim, komercijane smole se isključivo dobijaju iz fosilnih izvora.

Pored toga, još veći problem prilikom sinteze ovih materijala predstavlja upotreba stirena kao rastvarača. Stiren je veoma isparljiv organski molekul koji značajno zagađuje životnu sredinu i predstavlja veliki rizik za ljudsko zdravlje. Pored svih negativnih karakteristika, stiren je i dalje nezamenjiva komponenta nezasićenih poliestarskih smola, pošto im on daje izvrsne karakteristike, a izuzetno je jeftin.

Glavni cilj POLYGREEN je totalno izbacivanje stirena i njegova zamena bioobnovljivim alternativama. Istraživači će upotrebiti sirovine koje se dobijaju fermentacijom prostih šećera (itakonska i ćilibarna kiselina), pri proizvodnji biodizela i masnih kiselina (propilenglikol), kao i lignina, koji nastaje kao nusproizvod pri proizvodnji papira. Preciznom kombinacijom odgovarajućih sirovina i dizajnom novih procesa sinteze poliestara stvoriće se mogučnost da „zeleni“ poliestri po svojim karakteristikama pariraju konvencionalnim. Svestranost nove tehnologije mogla bi obezbediti značajan iskorak u ključnim primenama ovih materijala, kao i brojne benefite sa ekološkog, tehnološkog i ekonomskog stanovišta.

Koji su nedostaci i da li se mogu prevazići?

Generalno, glavni nedostaci polimernih materijala iz bioobnovljivih izvora su visoka cena i lošije mehaničke karakteristike u poređenju sa polimerima fosilnog porekla, a visoka cena je faktor koji već dugo koči razvoj ovih materijala.

Početkom 20. veka, američki pronalazači Henri Ford i Džordž Karver testirali su formulacije plastike dobijene iz prehrambenih proizvoda u svojim laboratorijama, ali su otkrili da je materijal previše skup za automobilsku industriju. Taj problem postoji i danas. Međutim, usled izuzetno lošeg imidža fosilne plastike i njenog nepovoljnog uticaja na životnu sredinu, sve se više novca ulaže u biorafinerije.

Biorafinerije su hemijska postrojenja koja razgrađuju i prerađuju biljne i životinjske sirovine u jednostavne hemijske molekule, koji se zatim mogu koristiti u proizvodnji bioplastike. Očekuje se da će se širom planete graditi veliki broj novih biorafinerija, što će značajno uticati na pad cene bioplastike i omogućiti širu primenu ovih materijala.

Trenutno, članovi tima POLYGREEN razvijaju nove materijale za visokotehnološke namene (kontrolisano otpuštanje lekova, dizajn tkiva, nosači katalizatora i specijalni premazi), gde cena nije glavni faktor. Nedostatke mehaničkih karakteristika otklanjaju pravljenjem kompozitnih materijala.

Kompoziti su materijali koji nastaju kombinacijom dva ili više materijala, gde se značajno ističu prednosti, a umanjuju mane pojedinačnih materijala. Istraživači će upotrebiti nanočestice prirodnog porekla (nanoceluloza, nanoglina, nanooksidi) kao ojačivače, čime će i kompoziti biti u potpunosti bioobnovljivi.

Pored direktnih mana bioplastika poseduje i jednu indirektnu. Naime, proizvodnja bioplastike doprinosi povećanju globalne prehrambene krize, jer se sve više zemljišta koristi za uzgoj sirovina za bioplastiku, koja su se ranije koristila za uzgoj useva za ljudsku upotrebu. Predviđa se da će industriji bioobnovljivih polimera trebati nekoliko miliona hektara poljoprivrednog zemljišta u roku od četiri godine.

Članovi tima POLYGREEN pokušavaju da zaobiđu ovaj problem tako što istraživanja baziraju na sirovinama koje nastaju kao nusproizvodi prehrambene i drvne industrije.