Экологические пластмассы

С тем, что запасы нефти на нашей планете рано или поздно иссякнут, согласны все: спор идёт лишь о том, как скоро это произойдёт. Но именно эта перспектива и побудила инженеров и конструкторов всего мира всерьёз взяться за разработку таких технических решений, которые позволили бы если и не совсем вытеснить ископаемые энергоносители, то уж, по крайней мере, сократить их потребление за счёт всё более широкого использования возобновляемых энергоресурсов. Однако нефть – это не только бензин, мазут и прочие виды топлива, это ещё и сырьё для химической индустрии, выпускающей поистине гигантский ассортимент продукции, в том числе и бытового назначения. На производство таких изделий, как пластиковая плёнка для теплиц или, скажем, пластмассовые бутылки и пакеты, расходуется изрядная доля невосполнимых запасов нефти. Мало того, поскольку эти изделия практически не поддаются биологическому разложению, они требуют дорогой и сложной утилизации, в противном случае они попросту засоряют окружающую среду на много столетий вперёд. Поэтому исключительно актуальной проблемой представляется разработка и совершенствование технологий производства биополимеров. Тем более что такое решение напрашивается как бы само собой: ведь именно такие процессы и происходят в живой природе, образуемые растениями целлюлоза и крахмал с химической точки зрения являются полимерами. Сегодня в мире уже производятся биопластмассы, практически ни в чём не уступающие обычным, однако широкого распространения – по крайней мере, в Германии, – они пока не получили.

На минувшей неделе 20 ведущих европейских фирм, специализирующихся на промышленном производстве и переработке биопластмасс, демонстрировали в Нюрнберге свои достижения. По мнению доктора Харальда Кеба (Harald Käb), управляющего делами берлинского объединения «Биологически разлагаемые материалы», внимание исследователей сосредоточено сегодня, прежде всего, на трёх группах веществ:

Кеб: Это материалы на базе крахмала, картофельного или кукурузного, как правило, подвергнутого ферментативной обработке. Нередко полученные таким способом материалы используются в смеси с представителями второй группы веществ – полиэфирами. Причём полиэфиры могут производиться как из нефти, так и из растительного сырья. Типичный пример – полимолочная кислота. Ну, а третья группа – это материалы на основе целлюлозы, добываемой из древесины.

Итак, некоторые из поддающихся биологическому разложению полимеров всё же производятся из нефти. Но в экологическом отношении они явно уступают пластмассам на базе растительного сырья – и не только потому, что расходуют невозобновляемые ресурсы, но и с точки зрения эмиссии парниковых газов. В процессе утилизации отслуживших своё изделий из полимеров в атмосферу так или иначе выбрасывается углекислый газ, но в случае растительного сырья речь идёт об углекислом газе, накопленном растениями за весьма краткий период их жизни, а в случае нефтепродуктов мы имеем дело в двуокисью углерода, которая находилась в связанном состоянии на протяжении миллионов лет. Стефано Факко (Stefano Facco), сотрудник итальянской компании «Novamont», одного из лидеров на европейском рынке, поясняет:

Факко: Мы используем здесь ежегодно возобновляемое сырьё, которое как бы само собой вырастает заново. Понятно, что с точки зрения восполнения ресурсов это оптимальное решение. Применение возобновляемого растительного сырья, как правило, предпочтительнее и с точки зрения экобаланса.

Как правило, но не всегда. Потому что понятие «экобаланс» учитывает не только характеристики сырья и факторы, связанные с его добычей, но и энергозатраты на производство конечной продукции, и транспортные аспекты, и экологические параметры утилизации. А потому Стефано Факко признаёт:

Факко: Использование возобновляемого растительного сырья не всегда даёт преимущества с точки зрения охраны окружающей среды. Ведь если, скажем, для упаковки такого же количества товара мне приходится использовать в пять раз больше биополимерной плёнки, чем обычной, то в смысле экобаланса я, естественно, проигрываю.

Впрочем, сегодня промышленность уже научилась производить биополимеры, вполне способные соперничать с пластмассами на основе нефтепродуктов. Так, биополимерные плёнки ни по прозрачности, ни по прочности на разрыв уже не уступают обычным. Более того, некоторые изделия из биоматериалов не только по экологичности, но и по эксплуатационным характеристикам превосходят традиционные. Например, один из лидеров на рынке автопокрышек – компания «GoodYear» – разработала технологию, позволяющую в состав резиновой смеси вводить в качестве наполнителя вместо привычной сажи наночастицы на основе кукурузного крахмала. Внедрение новой рецептуры позволило снизить массу покрышек и повысить их сцепление с мокрым дорожным покрытием, то есть сделать их более безопасными. Стефано Факко добавляет:

Факко: И окружающей среде это тоже пошло на пользу: новые покрышки имеют более низкий коэффициент сопротивления качению, а это означает, что расход горючего уменьшается, в атмосферу с выхлопными газами выбрасывается меньше вредных веществ, да и уровень шума снижается, а это ведь тоже экологический фактор. Конечно, такой биополимер обходится в производстве значительно дороже, соответственно выше и себестоимость готовых покрышек, но, в конечном счете, эта разница в цене покрывается за счёт экономии топлива. А экологический аспект – это, так сказать, уже чистая прибыль.

Приходится, впрочем, признать, что и большинство других биологически разлагаемых пластмасс обходятся гораздо дороже обычных. Цены на некоторые биополимеры в четыре раза превышают цены на аналогичные материалы, полученные традиционным путём. В значительной мере это связано с тем, что биополимеры выпускаются в очень малых количествах – в Европе их доля в общем объёме производства пластмасс не превышает одного процента. Однако Харальд Кеб считает, что эти материалы вполне заслуживают более широкого распространения, а массовое их производство автоматически привело бы и к снижению цен.

Кеб: Мне представляется реалистичной цель – в ближайшие 20 лет покрывать за счёт биополимеров до 10-ти процентов общей потребности в пластмассах. Это вполне трезвый прогноз – при условии, что на этом пути нас будут поджидать и удачи, а не одни только препятствия и преграды.

В Германии одно из таких препятствий – правила и инструкции, регулирующие сортировку и утилизацию мусора. Правда, биологически разлагаемые материалы разрешено утилизировать вместе с отходами растительного происхождения, тем более что существует стандартная методика испытания мусора на пригодность к компостированию. Однако единые правила маркировки отходов были введены совсем недавно, а говорить о каких-то контрактах с предприятиями-владельцами установок для компостирования пока и вовсе не приходится.

Впрочем, всё не так уж мрачно, некоторые основания для оптимизма у Харальда Кеба, конечно, есть. Вот уже почти два года в округе Хавельланд в Бранденбурге под патронажем Потсдамского университета функционирует экспериментальная установка, использующая растительное сырьё для получения продуктов, обычно производимых предприятиями нефтехимии. По словам одной из сотрудниц университета Биргит Камм (Birgit Kamm), целью проекта является создание технологии, которая позволила бы перерабатывать зелёную биомассу сразу во множество продуктов, производимых сегодня химической промышленностью, во-первых, порознь, а во-вторых, из нефти. Инициаторами проекта двигала всё та же идея об ограниченности ископаемых энергоресурсов:

Камм: Сегодня общеизвестно, что запасы нефти конечны. Когда месторождения начнут иссякать, на мировых рынках это вызовет самые серьёзные потрясения, а цены подскочат до заоблачных высот. Поэтому мы должны заранее позаботиться о создании технологий на базе возобновляемого сырья.

В Германии роль первопроходца в этой сфере взяла на себя федеральная земля Бранденбург. Учёные Потсдамского университета решили доказать на практике, что предприятия химической и фармакологической отраслей могут полностью обойтись без ископаемых ресурсов, используя в качестве сырья исключительно продукцию местного сельского хозяйства. Биргит Камм говорит:

Камм: Мы должны решительно отказаться от технологических линий и систем, рассчитанных на производство какого-то одного продукта, и вместо этого сделать ставку на комплексные, то есть многопродуктные системы. Причём сырьём для таких систем должны служить традиционные сельхозкультуры – злаки, люцерна и так далее, то есть возобновляемое зелёное сырьё.

Поставщиком такого сырья служит местная сушильная установка, рассчитанная на производство от 6-ти до 8-ми тысяч тонн зелёного корма для скота в год. Это некогда вполне традиционное предприятие сегодня постепенно превращается в некий многопрофильный агро-фарма-химический комбинат. Поставляемая сюда зелёная масса прессуется в брикеты, но лишь часть этой продукции идёт на корм скоту. Благодаря высокому содержанию растительных волокон такие брикеты используются как топливо, как тепло- и звукоизолирующие материалы или как исходное сырьё для различных химических процессов. Находит применение и сок, выделяющийся при прессовании биомассы: он подвергается дальнейшей переработке с целью получения из него целого ряда продуктов – таких как аминокислоты, витамины, красители и вкусовые добавки. Большинство этих метаморфоз осуществляется с помощью биотехнологий, то есть посредством ферментативного или микробиологического воздействия. По мнению Биргит Камм, даже некоторые из основных продуктов химической промышленности, производимых ею в массовом объёме, могут быть получены на базе биосырья:

Камм: Один из таких основных продуктов – молочная кислота. Она и сама по себе представляет интерес для сельского хозяйства – например, как средство дезинфекции или как реактив, влияющий на процесс силосования. Но, кроме того, химическая промышленность может получить из молочной кислоты и целый ряд поддающихся биологическому разложению субстанций, например, те же биополимеры. Согласно некоторым прогнозам, мировой объём производства таких материалов может достичь нескольких миллионов тонн в год. Конечно, эти показатели станут реальностью только после того, как в народных хозяйствах промышленно развитых стран начнётся реальный переход от ископаемых сырьевых ресурсов к возобновляемым.

Пока же дело дальше экспериментальной установки в Бранденбурге не пошло – по крайней мере, в Германии. Больших успехов добились американцы. Правда, тамошние химики делают ставку на иное биосырьё – целлюлозу и лигнин. В качестве источников этого сырья служат отходы деревообрабатывающей промышленности и лесного хозяйства. Американские учёные не ставят перед собой цель реализовать на одном предприятии чуть ли не все химические процессы сразу, зато ведут весьма интенсивные и разносторонние исследования, в том числе и фундаментальные. Германия в этой сфере пока отстаёт, – сетует Биргит Камм:

Камм: У нас пока не произошло этого сдвига в общественном сознании, который уже стал реальностью в США. А чтобы это случилось, нам необходима такая же общенациональная научно-исследовательская программа, какая осуществляется в Америке.

Не исключено, что импульсом, способным вызвать к жизни такую программу, как раз и послужит опытная установка в Хавельланде – при условии, что она действительно начнёт тоннами перерабатывать зелёную массу в продукты, ранее получаемые из нефти. Пока же значительно больших успехов немецкие химики добились в разработке биосовместимых полимеров, применяемых в медицине. Так, недавно группа химиков Технического университета в Хемнице во главе с профессором Штефаном Штанге (Stefan Stange) предложила новую технологию нанесения тонких покрытий из поливиниламина. Дело в том, что этот полимер – в отличие от большинства других веществ того же класса – растворяется в воде. Правда, синтезировать поливиниламин довольно сложно – возможно, поэтому учёные долгое время не уделяли этому веществу должного внимания. Однако потом химики концерна «BASF» обнаружили, что уже незначительная добавка поливиниламина в целлюлозно-бумажную массу заметно повышает прочность на разрыв мокрого бумажного полотна. И вот теперь учёные из Хемница нашли этому полимеру новое применение. Сотрудница Технического университета Изабель Рот (Isabelle Roth) говорит:

Рот: Поливиниламин обладает высокой биосовместимостью, поэтому просто напрашивалась идея нанести его в виде тонкой плёнки на поверхность изделий, используемых в трансплантологии – например, протеза тазобедренного сустава, – и тем самым избежать многих неприятностей.

Дело в том, что такие протезы изготовляются из металлических сплавов, а потому воспринимаются организмом как чужеродные тела и вызывают иммунный ответ – воспаления и реакцию отторжения. Сделать поверхность протеза биосовместимой можно путём нанесения на неё специальных покрытий – например, из поливиниламина. Как показали опыты хемницских химиков, этот полимер соединяется с металлом столь прочно, что даже теряет способность растворяться в воде. При этом функцию «клея» выполняют содержащиеся в полимерных молекулах положительно заряженные аминовые группы, плотно притягивающиеся к отрицательно заряженным ионам на поверхности протеза. Изабель Рот поясняет:

Рот: Тут имеет место всего лишь адсорбция. Однако такое покрытие держится исключительно прочно и не отходит даже в водном растворе.

Сходные задачи – например, создание полимерных плёнок, не вызывающих свёртывание крови, – решают и учёные организованного менее года назад Научного центра биоматериалов в Дрездене. Будь то искусственные сердечные клапаны, протезы кровеносных сосудов, катетеры, контейнеры для хранения консервированной крови, шприцы или иглы – все эти изделия должны быть изготовлены из таких материалов, чтобы организм не реагировал на контакт с ними повышенной свёртываемостью крови. Для придания этим материалам – как правило, полимерам, – нужных свойств, обычно использовались молекулы антикоагулянтов, вырабатываемых в самом организме человека, прежде всего, гепарина. Недостаток гепарина – в его нестабильности. Теперь дрезденские учёные предложили технологию использования совсем других биомолекул. Карстен Вернер (Carsten Werner), сотрудник Института полимеров в Дрездене, поясняет:

Вернер: Природа располагает множеством очень эффективных антикоагулянтов. Например, кровососущие насекомые без таких субстанций просто не смогли бы выжить. И многие из этих веществ уже неплохо изучены. Как правило, речь тут идёт о простых и очень стабильных молекулах, которые легко синтезируются в лабораторных условиях и, будучи нанесены на полимерную плёнку, полностью сохраняют свою эффективность.

Вот и всё на сегодня. В студии был Владимир Фрадкин, на этом я прощаюсь с вами, до следующей встречи.