Biom!anyagok. Biom!anyagok alkalmazása. Dr. Lehoczki László, a M!anyag és Gumi szerkeszt"je

Átírás

1 Biom!anyagok Dr. Lehoczki László, a M!anyag és Gumi szerkeszt"je 1. A biom!anyagok jelent"sége A biom!anyag kifejezés azon anyagok teljes családját öleli fel, melyek bioalapúak, biodegradálhatóak, vagy mindkett". Közéjük tartoznak pl. az orvosi m!anyagok, a természetes polimerek (mint pl. a kollagének), az oxodegradálható- és a megújuló forrásból származó m! - anyagok. Észak-Amerikában a kifejezést az utóbbira használják els"dlegesen, míg Európában inkább a komposztálható és biodegradálható anyagokra. Mindkét kontinensen kidolgozták a saját szabványrendszerüket és címkézési protokolljaikat, segítve ezzel a vev"ket, hogy tulajdonképpen milyen anyagokat is vásárolnak meg. A bioalapúnak akkor tekintünk egy biom!anyag terméket, ha jelent"s mennyiségben tartalmaz olyan szenet, ami megújuló alapanyagforrásból származik. Két f" el"- nyük van a hagyományos m!anyagokkal összehasonlítva: egyrészt kímélik a fosszilis er"forrásokat, másrészt csökkentik az üvegházhatású gázok kibocsátását. A biodegradálhatóság azt jelenti, hogy a biom!anyag termékek adott körülmények között degradálódnak. Ez módot ad a termék életciklusának végén az újrahasznosításra. A holland UTRECHT UNIVERSITY piaci tanulmányában 2013-ra 2,3 millió tonnás piacot jósol a bioalapú m! - anyagoknak, beleértve a megújuló forrásból származó hagyományos polimereket is. Ezeknek az anyagoknak a gyártására szolgáló technológia már több évtizede rendelkezésre áll, de kínálatuk korlátozott és viszonylag drágák. A növényi-alapú m!anyagok értékét adja, hogy alkalmazásukkal csökken a CO 2 kibocsátás, megújuló alapanyagok, és fejlesztik a mez"gazdaságot. A termények és származékaik monomerekké dolgozhatók fel, cukrokká és olajokká, melyek átalakíthatók politejsavvá 1. ábra. Politejsavból (PLA) h!formázott tálca 2. ábra. PHA-ból készült palántázó cserép (PLA) (1. ábra), poli(hidroxi-alkanoát)-tá (PHA) (2. áb - ra) és hagyományos etilénné/propilénné (etanolon keresztül). Az iparág érdekes területe jelenleg az algák használata forrásanyagként, mivel gyorsan növekednek és rövid az életciklusuk. A biom!anyagok már fontos szerepet játszanak a csomagolásban, a mez"gazdaságban, a gasztronómiában, az eleronikában és az autógyártásban, hogy csak néhány területet említsünk. Régóta gyártanak bel"lük rövid életciklusú termékeket, mint pl. talajtakaró fóliákat, catering termékeket, csomagoló- és hulladéároló zacskókat. Ahogy a technológiájuk fejl"dik, egyre nagyobb menynyiségben készülnek egyre tartósabb alkalmazások, többek között billenty!zet elemek, mobiltelefon házak vagy autóalkatrészek. A fenntarthatóság a terület egyik fontos kérdése, ahol a PROCTER AND GAMBLE vezet" szerepet tölt be. Vezérelvük szerint, a cél az, hogy 2020-ra a k"olaj-alapú anyagok 25%-át helyettesítsék fenntartható nyersanyagforrásból származó termékekkel és csomagolásokkal. A cég el"nyben részesíti a biom!anyagokat, mint pl. a cukornádból származó bio-polietilént, ami jól beilleszthet" a meglév" reciklálási folyamatokba. Ugyanakkor ez felárral jár, míg a vev"k azonos min"ség! csomagolásokat azonos áron szeretnének vásárolni. A biom!anyagok a m!anyagok evolúciójának hajtó - er"i. Új utakat kínálnak az újrahasznosításra és a reciklá- Biom!anyagok alkalmazása évfolyam 3. szám 103

2 lásra, segítségükkel csökkenthet"k a környezetre mért káros hatások. 2. Technológia és anyagok A biom!anyagok számos hagyományos m!anyag-feldolgozó technológiával feldolgozhatók. A gyártási paraméterek beállítása minden polimer esetén egyedi. Széleskör! funkcionalítást kínálnak az egyes alkalmazási típusokra optimalizálva. Ma már közismert, hogy a hagyományos m!anyagok nagyjából 85%-a technikailag helyettesíthet" bioalapú m!anyagokkal. Mint korábban említettük, a biom!anyag nem egyfajta polimer, hanem inkább egy anyagcsalád, ami nagymértékben variálható. Ennek a családnak három csoportját lehet megkülönböztetni, melyek mindegyike egyedi jellemz"kkel rendelkezik: #Bioalapú vagy részben bioalapú, nem-biodegradálható polimerek, mint pl. a PE, PET, PVC és PP. #Új polimerek, melyek bioalapúak és biodegradálhatóak, mint a PLA és a PHA. #Új polimerek, melyek fosszilis forrásból származó anyagokból készültek és biodegradálhatók, mint a PBAT (poli(butilénadipát-ko-butilén-tereftalát), alifás/aromás poliészter) és a PBS (poli(butilén-szukcinát), alifás poliészter). A biobázisú alapanyagok biodegradálható vagy nembiodegradálható m!anyaggá is feldolgozhatók. A biodegradálhatóság közvetlenül kapcsolható a kémiai szerkezethez. A biobázisú vagy részben biobázisú, de nem biodegradálható polimerek tulajdonságai megegyeznek a hagyományos típusokéval. A biodegradálható polimerek ipari komposztálótelepeken komposztálhatók specifikus körülmények között (pl. szabályozott h"mérséklet, nedvesség, leveg"ztetés). Különbséget kell tenni a biodegradálható és az ún. oxo-degradálható vagy oxo-biodegradálható m! - anyagok között (3. ábra). Az utóbbiak hagyományos m! - anyagok speciális adalékolással, és nem felelnek meg igazából a biom!anyag kifejezésnek. Az oxo-termékek f"leg fragmentumok, kis méret! szemcsék, melyek a 3. ábra. Oxo-degradálható borítékok környezetben maradnak. Ezzel ellentétben, a biodegradáció végterméke a víz, a szén és a biomassza. 3. A biom!anyagok piaca A globális biom!anyag gyártókapacitás 2010 és 2015 között több mint kétszeresére fog n"ni, míg 2010-ben 700 ezer tonna volt, addig 2015-re 1,7 millió tonnát várnak (4. ábra), 2011-ben pedig meghaladhatja az 1 millió tonnát a EUROPEAN BIOPLASTICS tanulmánya szerint. További kézzelfogható változás a gyártott mennyiség összetételében tapasztalható ben nagyrészt biodegradálható anyagokat gyártottak (400 ezer tonna), míg a többi (300 ezer tonna) biobázisú hagyományos m! - anyag. Ez az arány az általános növekedés ellenére az elkövetkez" években megfordul re az utóbbiból 1 millió tonnát, míg az el"bbib"l 700 ezer tonnát fognak gyártani. 4. ábra. Biom"anyagok globális gyártókapacitása A gyors b"vülés oka a biom!anyagok egyre növekv" alkalmazása. A csomagolásban, az autóiparban, a játékoknál, a sz"nyegeknél és az eleronikai alkatrészeknél a biom!anyagok iránti igény soha nem látott méreteket ölt. Jelent"s a növekedés a tartós biobázisú m!anyag csomagolásoknál, a nagy gyártók, mint pl. a DANONE és a COCA-COLA vásárolják ezeket a termékeket. A biom!anyagok egyik legnagyobb és legérdekesebb piaca Európa, amely vezet" szerepet játszik a kutatásban és a fejlesztésben is. A gyártóhelyek száma, ezzel ellentétben, Ázsiában és Dél-Amerikában n" a leghatározottabban. Az európai gyártókapacitások versenyképességét ezért a szerkezet és a szabályozás mechanizmusának javításával kell biztosítani. A biopolimerek gyártási kapacitását típus szerint és területi megoszlásban mutatja az 1. és 2. táblázat. A biom!anyagok piaca éves szinten nagyjából 20%- kal n". A piaci fejl"désnek bels" és küls" hajtóer"i vannak (3. táblázat). A küls" tényez"k vonzó választássá teszik ezeket az anyagokat, ami a nagy vásárlói elfogadottságból, a klímaváltozással kapcsolatos intenzív publicitásból, a fosszilis anyagoól való növekv" függ"ségb"l, és ezen anyagok drasztikus áremelkedéséb"l származik évfolyam 3. szám

3 Az életciklus analízisek azt mutatják, hogy a biom!anyagok a CO 2 kibocsátást 30 70%-kal is csökkenthetik a hagyományos m!anyagokhoz képest (anyagtól és alkalmazástól függ"en). A FREEDONIA GROUP piackutató cég 2011 novemberében szintén kiadott egy tanulmányt a biom!anyagok piaci helyzetér"l, melyben megállapítják, hogy a biodegradálható és a biobázisú m! - anyagok kereslete a világon megháromszorozódik, és meghaladja majd az 1 millió tonnát. Ez számos tényez" hatásának lesz köszönhet", mint pl. a vásárlók részér"l a környezetbarát anyagok használatának, a biom!anyagok hagyományosakhoz képest javított tulajdonságainak és annak, hogy bevezetik a tömegm!anyagok gyártását bioalapú forrásokból. Ugyanakkor az árkérdés els"dleges meghatározója lesz a piaci sikernek, várható, hogy a k"olajárak emelkedni fognak, így számos biom! - anyag árban elérheti a hagyományos m!anyagok szintjét az évtized végére. A biodegradálható m!anyagok a világ biom! - anyag piacának 90%-át tették ki 2010-ben. Er"s növekedést jósolnak két vezet" biodegradálható polimercsaládnak, a keményít"-alapúaknak és a politejsavnak, melyek kereslete megkétszerez"dhet 2015-re. Gyorsabb b"vülés várható a PLA esetében, mely hasznot húz a kompaundálásos polimerizációs technológia fejl"déséb"l, valamint abból, hogy más biom!anyagokhoz viszonyítva viszonylag alacsonyabb költségekkel gyártható. A leggyorsabb ütem! növekedést a poli(hidroxi-alkanoát) (PHA) esetében várható, amely éppen csak belépett a piacra. A biodegradálható anyagok jelent"s fejl"désének ellenére, a nem-biodegradálható biobázisú polimerek lesznek a biom!anyagok keresletének els"dleges meghatározói 2015-ig és azon túl is. Már kereskedelmi mennyiséget (200 ezer t/év) gyártanak pl. biobázisú polietilénb"l Brazíliában, a BRAS- KEM üzemben (5. ábra). További két biobázisú polietilén gyárat valamint biobázisú polipropilén kapacitást terveznek megnyitni 2015 körül. A teljesen bioalapú PET ipari el"állítása is realitássá válhat az évtized végére. Ennek eredményeképpen, a nem-biodegradálható biom!anyagok iránti igény a 2010-es 30 ezer tonnáról 2020-ra 1,3 millió tonnára emelkedhet. A biom!anyagok legnagyobb felhasználója Nyugat- Európa volt 2010-ben. Gyorsabb b"vülés várható ig az Ázsia/Óceánia térségben, f"leg Japán és Kína er"- teljes b"vülésének köszönhet"en. A kereslet a világ más részein hatalmas lépésekkel n"het a viszonylag alacsony 2010-es szintr"l. Kiemelkedik Közép- és Dél-Amerika, 1. táblázat. Biopolimerek gyártási kapacitása típus szerint Típus % % Bio-PE 200, ,0 26 Biodegradálható keményít" blendek 117, ,8 7 PLA 112, ,0 13 PHA 88, ,1 9 Biodegradálható poliészterek 56, ,5 8 Bio-PET 50, ,0 17 Regenerált cellulóz 36,0 5 36,0 2 Bio-PA 35,0 5 75,0 5 Cellulóz származékok 8,0 1 PLA blendek 8,0 1 35,0 2 Tartós keményít" blendek 5,1 1 Bio-PVC 120,0 7 Bio-PP 30,0 2 Bio-PC 20,0 1 Egyéb 7,5 1 22,3 1 Összesen 724, , táblázat. Biopolimerek gyártási kapacitása régiók szerint, % Régió, t Európa 26,7 18,3 Ázsia 18,5 28,1 Észak-Amerika 26,7 32,9 Dél-Amerika 27,6 20,5 Ausztrália 0,5 0,2 Összesen ~ ~ Bels" hajtóer"k Fejlett m!szaki tulajdonságok és funkcionalitás Lehet"ség a költségcsökkentésre Új, költséghatékony reciklálási mód 3. táblázat. Az iparág piaci hajtóer"i Küls" hajtóer"k Nagy vásárlói elfogadottság (ökomarketing) Klímaváltozás Fosszilis anyagok árának emelkedése Fosszilis alapanyagoól való függ"ség 5. ábra. Cukornád finomító (Braskem, Brazília) évfolyam 3. szám 105

4 mint a biobázisú polietilén várható f" fogyasztója (4. táblázat). Régió 4. Alkalmazási lehet"ségek A biom!anyag termékek mennyisége és alkalmazási területei folyamatosan b"vülnek. Legfontosabb piaci szegmensek a csomagolás, az élelmiszeripar, a mez"gazdaság, a kertm!velés, az eleronikai termékek, az autóipar, a fogyasztási cikkek és a háztartási gépek. Sok olyan terület van, ahol most kezd"dik a biom!anyagok felhasználása, ilyen többek között az épít"ipar, a sport és szabadid" termékek, valamint a szál alkalmazások (ruházat, bútorhuzatok). Igen nagymérték! a növekedés a zacskóknál, hordtáskáknál, catering termékeknél, talajtakaró fóliáknál, az élelmiszerek és italok csomagolásánál. Az europai szupermarket láncok pl. a SAINSBURY S az Egyesült Királyságban vagy az ALDI Németországban voltak az els"k, akik felismerték a biom!anyag csomagolásban rejl" lehet"ségeket. A piaci bevezetések kezdetén még a biodegradálható polimerekb"l készült anyagokra és termékekre fókuszáltak. Ma már a biom!anyagokat egyre szélesebb körben használják élelmiszerek, hagyományos gyümölcsök és zöldségfélék, kenyér és péksütemények, italos palackok, higiéniai és kozmetikai termékek csomagolására (6 8. ábra). 4. táblázat. A biom!anyagok kereslete a világon között, 1000 tonna Éves növekedés 2005/2010, % Éves növekedés 2010/2015, % Észak-Amerika ,7 24,8 Nyugat-Európa ,8 22,7 Ázsia/Óceánia ,3 31,0 Egyéb területek ,0 57,4 Összesen ,2 27,9 7. ábra. Komposztálható mélyh"tött zacskó 6. ábra. Komposztálható cukorka csomagolás 8. ábra. Komposztálható háló gyümölcs csomagolására A funkcionális tulajdonságok gyakran meghatározó szerepet játszanak a felhasználók döntéseiben. A környezetvédelmi vagy az esztétikai szempontok, a vásárlói elfogadottság szintén fontos az eladásban. A biom!anyagok mindegyike specifikus profillal rendelkezik, ami gyakran jelent"sen megkülönbözteti ezeket az anyagokat a hagyományos m!anyagoól, ilyen tulajdonságok pl. a fényesség, a barrier hatás, az antisztatikus jellemz"k, a nyomtathatóság és a tapintás. Az egyik legfontosabb dolog az, hogy használatukkal lehet"ség mutatkozik a friss termékek eltarthatóságának növelésére. Németországban a catering szeor évi 3,5 milliárd eurót tesz ki értékben. Az elmúlt tíz évben a piaci növekedés átlagosan 7%/év volt ezen a területen. Ezért itt a biom!anyagok el"tt is széles lehet"ségek kínálkoznak pl. a évfolyam 3. szám

5 9. ábra. Keményít! alapú villák poharak, bögrék, tálcák, tányérok és ev"eszközök gyártásában (9. ábra). A mez"gazdaságban és a kertm!velésben is ki lehet használni a biodegradálható polimerek kedvez" tulajdonságait. A talajtakaró fóliák mint az egyik legfontosabb példa gyors fejl"désen mentek át ebben a szeorban, a cél tiszta élelmiszerek termesztése minél kevesebb vegyszer használatával. Használat után a fóliák földbeszántása az összegy!jtés, a földt"l való megtisztítás és a reciklálás helyett praikusabb és gazdaságosabb m!velet. A biodegradálható talajtakaró fóliák ma már nagyon jól adaptálhatók az adott helyhez és növényekhez (10. ábra). 11. ábra. Mobiltelefon ház biom"anyagból További alkalmazási megoldások ezen a területen: portól és környezeti hatásoól véd" fóliák banáncserjékhez, kötözések, cserepek palántázáshoz és termesztéshez, táprudak, feromon csapdák, melyeket nem kell eltávolítani a használat után. Jó példa a gyógynövények cserepes nevelése. A cserépbe ültetett növény igen kényelmesen használható hobbikertészek számára. Amikor a virág gyökeret ereszt, a biodegradálható csomagolásával együtt közvetlenül kiültethet" a földbe, a cserép gyorsan diszpergálódik és megkezd"dik a növény növekedése. Az eleronikában els" biom!anyag termékek közé sorolhatók a billenty!zet elemek, a mobiltelefon házak (11. ábra), a porszívók és a laptop egerek. Az autógyártásban biobázisú vagy részben biobázisú, tartós biom!anyagokat használnak m!szerfal alkatrészekhez, beltéri és küls" elemekhez. A szállításban nagyon fontos, hogy ezek az alkatrészek, mint pl. ülés és légzsák borítások, kormánykerekek, megfeleljenek a biztonsági el"írásoknak (12. ábra). 12. ábra. Autóülés 100% biom"anyagból 10. ábra. Talajtakaró fólia Források European Bioplastics Association, Bioplastics the North American agenga, AMI sajtóközlemény, Bioplastics to pass the one million tonne mark in 2011, European Bioplastics sajtóközlemény, május World Bioplastics, Freedonia Group piaci tanulmány, november, Worl demand for bioplastics to exceed 1 million tons in 2015, évfolyam 3. szám 107