Bioplastid ja bioplasttooted

Bioplastid on populaarsed, nende populaarsuse kasvu põhjuseid on mitu. Nende väljatöötamist ja arendamist on peamiselt mõjutanud vajadus leida alternatiivi naftapõhistele toodetele ja rohkem kasutada taastuvaid loodusressursse. Mitme bioplasttoote valmistamisel on energiakulu ja CO₂-heide väiksem kui sarnaste tavaplasttoodete puhul. Kõrvale ei saa jätta ka tarbijate suurenevat huvi looduslähedasemate toodete vastu ning valmidust nende eest rohkem maksta.

Kasvanud ei ole mitte üksnes bioplastmaterjalide, -rakenduste ja -toodete arv, vaid suurenenud on ka nende tootjate, töötlejate ja kasutajate hulk. Bioplasttoodete arendustöö on jõudnud nii kaugele, et nad on oma füüsikaliste ja mehaaniliste omaduste poolest juba ligilähedased enamkasutatavatele tarbeplastidele. See tähendab, et tulevikus leitakse tõenäoliselt alternatiiv peaaegu kõigile tavaplasttoodetele. Ometi ei tähenda see seda, et loodud oleks 100 % loodussõbralikke ja biolagunevaid materjale – ka bioplasttoodetega kaasneb teatud probleeme ja ohte.

Mis on bioplast?

Termin bioplast on kasutusel kahesuguste plastide puhul:

• nende puhul, mis põhinevad taastuvatel ressurssidel, st et fookus on materjalil, millest plast valmistatakse;
• biolagunevate ja kompostitavate puhul, kus fookus on toote biolagunevusel. Need plastid võivad põhineda nii taastuvatel (bioplastid) kui ka mittetaastuvatel (fossiilsetel) ressurssidel.

Bioplastid võivad seega

• põhineda taastuvatel ressurssidel ja olla biolagunevad;
• põhineda taastuvatel ressurssidel ja bioloogiliselt mitte laguneda;
• põhineda fossiilsetel ressurssidel ja olla biolagunevad.

Ühtseid norme selle kohta, kui suur osa plasttoote lähtematerjalist peaks olema taastuvast ressursist, et seda võiks nimetada bioplasttooteks, ei ole. Küll on aga olemas teaduslikud meetodid, mis võimaldavad mõõta teatud tootes sisalduvat „uuenevat süsinikku“ (C12 ja C14 suhet). Biolagunevuse ja kompostitavuse hindamiseks on olemas Euroopa standardid EN 13432 ja EN 14995.

Suurem osa biopolümeere sisaldab polülaktiidhapet (PLA), polüvinüülalkohole (PVAL), polühüdroksüalkanoaate (PHB), polükaprolaktoone (PCL), termoplastset tärklist, tselluloosisaadusi ning biopolüetüleeni (PE), -polüpropüleeni (PP), -polüamiidi (PA) ja -polüuretaani (PUR). Biopolümeeride üldliigitus on kujutatud joonisel 1.

Polülaktiidhape

Polülaktiidhape (PLA, ka polülaktaat või polülaktiid) on piimhappe L- või D-vormi kõrgmolekulaarne polüester. Piimhapet ennast on üsna lihtne toota samadest toormetest (suhkrupeedist, suhkruroost, ka maisist ja nisust) kui etanooli, PLA polümeriseerimine on aga keerukas ja kallis. Piisavalt suure molekulmassiga plasti osatakse saada ainult laktiidist, mis on väga ebapüsiv ning säilib vaid veevabas keskkonnas. PLA omahind on PE omast vähemalt kuus korda suurem. Seetõttu ei suuda PLA, hoolimata oma biolagunevusest, asendada laiatarbeplaste. PLA-plasti biolagunevus põhineb materjali suhtelisel keemilisel ebastabiilsusel, toimudes algul niiskuse ja temperatuuri toimel ja jätkudes oligomeersete piimhappeestrite mikrobioloogilise lagunemisega. See tähendab, et PLA on kompostitav [4].

Polühüdroksüaklanoaadid

Polühüdroksüaklanoaadid (PHA, PHB, PHBV, PHBH) hõlmavad väga suurt ja mitmekesist rühma hüdroksükarboksüülhapete polüestreid. PHA-d on bakterite sünteesitavad varuained, mis on looduses laialt levinud. PHB on väga heade omadustega bioplast, mis on oma füüsikaliste omaduste poolest väga lähedane polüpropüleenile. PHB sünteesimisega pole mingit probleemi, seda plasti toodavad mikroorganismid valmiskujul. Raskus seisneb selles, et PHB-graanulid asuvad raku sees, olles omakorda ümbritsetud täiendava membraaniga ning pakitud struktuursete valkudega kokku. Seetõttu tuleb PHB sealt kloororgaanilise solvendi abil välja ekstraheerida, mis raskendab PHB-bioplasti tootmist ja teeb omahinna kõrgeks. PHB on biolagundatav ilma mingite mööndusteta, lagunemine toimub ensüümide vahendusel, mida produtseerivad paljud organismid [4]. Huvi selle plasti tootmise vastu on säilinud ainult tänu tema unikaalsetele omadustele. PHB ja selle PHA-analoogid on asendamatud mitmes biotehnoloogilises ja meditsiinilises rakenduses, nt ajutistes, järkjärgult asendatavates implantaatides ja ravimikandjates. Neis valdkondades ei mängi kasutatava materjali hind erilist rolli [4].

Tärklis

Tärklis on looduslik polümeer, mida saadakse maisist, kartulist, nisust, tapiokist jms. Tärklis on tselluloosist märksa veelembesem, külmas vees ta ainult pundub, ent kuumas vees muutub kolloidlahuseks. Selleks et muuta kristalliline (15–100 µm) tärklis vormitavaks termoplastseks tärkliseks, tuleb seda koos plastifikaatoritega (vesi, glütserool, polüglükoolid) kuumutades destruktureerida. Termoplastne tärklis on vormitav pakkematerjaliks, ravimikapsliteks jms. Kui 6–15 massiprotsenti tärklist lisada täiteainena polüolefiinsetele plastidele nagu LDPE, ei taga see veel PE lagunemist.

Polüolefiinid

Polüolefiinid polüetüleen (PE) ja polüpropüleen (PP) on enimkasutatavad plastid. Peamiselt pakenditööstuses kasutatavat polüetüleeni toodetakse aastas u 80 miljonit tonni. Sellest valmistatakse ka igapäevaseid tarbeesemeid – joogikõrtest ja toidunõudest pesumasinate ja mööblini.

Looduslikul toormel põhinevad bio-PE ja bio-PP naftapõhistest PE-st ja PP-st ei erine ning on oma keemilise ülesehituse poolest täiesti sarnased. Neid saab ka ühte moodi töödelda. Need bioplastid ei ole biolagunevad. Biopolüetüleen on juba üsna levinud ning seda toodetakse tööstuslikult (tootmine on küll alles arendusjärgus) nii kõrgtihedana (HDPE) kui madaltihedana (LDPE).

Polüamiid

Polüamiidi (PA) toodetakse osalise bioplastina. Neist levinum PA11 (kaubandusliku nimega Rilsan), on oma silmapaistva mehaanilise tugevuse, keemilise resistentsuse ja temperatuurikindluse tõttu kasutuses peamiselt autotööstuses. Bioloogiliselt ta ei lagune

Biopolüuretaanid

Biopolüuretaanide (PU) omadused on väga laialt modifitseeritavad, neid on vahtudest duroplastideni. Kui üks monomeeridest (polüool) teha rasvhapetest, saaks PU-st osaline bioplast. Traditsiooniline toore on olnud riitsinusõli. Muid taimeõlisid peab polüooli tekitamiseks epoksüdeerima ja järgnevat ringi avama. Polümeer segatakse tihti täitekiuga (pms klaaskiuga, millel on ka sarrustav toime) või pulbriliste ainetega. Kasutada võib ka looduslikku kiudu (lina-, kanepi-, puidu-, džuudi-, kenafi -, banaanikiudu) [4], mille eelis sünteetiliste kiududega võrreldes on madalam hind, väiksem tihedus, tootmise ajal väiksem CO2 -heide, lihtsam ümbertöötatavus ja biolagunevus.

Bioplastide peamine pluss on nende materjalide unikaalsed omadused. Kõigis biopolümeerides on monomeeri kohta vähemalt üks kiraalne süsinik ning funktsionaalsed rühmad on polümeeris seetõttu kindlas ja korrapärases asetuses. Niimoodi moodustunud polümeer on korrapärane (nt spiraalne) ka kõrgemat järku struktuuri korral. Sellest tingituna on biopolümeerid väga elastsed ja tugevad.

Bioplastide kasutusalad

Bioplaste kasutatakse mitmeks otstarbeks (tabel 1), eriti levinud on nad pakenditööstuses – nendest valmistatakse nii kilekotte, plastkarpe kui ka vahtplaste.

Meditsiinis kasutatakse bioplasttooteid implantaatidena ja õmblusmaterjalina. PLA-haavaniidid lagunevad kehas paranemisaja jooksul, lisaoperatsioone nende eemaldamiseks ei ole vaja teha. Bioplastidest mänguasjade valmistamisel kasutatakse nt puidukiudu ja/või maisitärklisevahtu. Bioplaste ja looduslike kiududega sarrustatud komposiitmaterjale rakendatakse laialdaselt ka autotööstuses (joonised 2 ja 3), sest nad kulutavad vähem tootmisseadmeid kui klaaskiud ning nende mehaanilised omadused on rahuldavad.

Biolagunemine ja kompostimine

Biolagunemise all mõistetakse plastide lagunemist mikroorganismide, nt bakterite toimel [5]. Lagunemine peab kulgema nii, et plasti mehaanilised ega tarbimisomadused kasutamisperioodi vältel ei muutuks ning lagunemine algaks alles pärast kasutusea lõppu. Enne biolagunemist on oluline materjali keemiline või fotodegradatsioon. Keemiline degradatsioon toimub oksüdatsiooni, hüdrolüüsi või termilise lagundamise teel. Fotodegradatsioon põhineb valdavalt UV-kiirguse ja kõrgendatud temperatuuri toimel. Eelnev keemiline lagundamine on oluline, sest biodegradatsioonile alluvad polümeeriahela väiksemad lõhestunud fragmendid.

Biolagunevuse kriteeriumiks loetakse seda, et plast kaotab aeroobsel lagunemisel CO₂-na 60 % oma süsinikust 180 päeva jooksul. Tegelik süsinikukadu on suurem, sest ka biomass (nt huumus) on lagunenud polümeer. Täielikul mineraliseerumisel jääb alles ainult lisanditest (nt täiteainetest) pärit jääk [5]. Järelikult on otstarbekas kasutada bioplastide sarrus- ja täiteainetena biolagunevaid aineid (looduslikku kiudu) või mineraalaineid (kriit, dolomiiditolm). Prügilas on biolagunemine aeglane, sest keskkond on kuiv ja O₂ ei pääse piisaval määral ligi. Osa laguaineid infiltreerub pinnasesse ja ohustab põhjavett. Aeroobne protsess läheb prügilas küll üle anaeroobseks ning tekkivat metaanirikast biogaasi saab kasutada kütusena.

Bioplasti kompostimine kulgeb hästi, kui see laguneb soodsates tingimustes (piisavalt hapnikku, sobiv pH ja temperatuur, paras niiskus). Kuna CO₂ tekkimine on siis kontrolli all ning seda tekib täpselt nii palju kui fotosünteesil taimse plastitoorme kasvamisel õhust saadi, ei kaasne kompostimisega ka keskkonna saastamist. Peale kompostimise on üsna tavaline bioplastijäätmete käitlusviis põletamine. Ka see on üsna loodussõbralik, sest bioplasttoodete põlemisel eraldub õhku vaid niisama palju süsihappegaasi, kui palju plastitoormeks olnud taimed seda sealt võtsid. Põletamisel tekkivat soojusenergiat saab ära kasutada. Tarbijate käitumisharjumuste muutmine mängib olulist rolli bioplastist toodete kasutusest kõrvaldamisel ja taaskasutusel. Neid tooteid peab märgistama standardi EN13432 nõuete kohaselt, et tarbija saaks vahet teha kompostitavate ja tavaplastide vahel ning neid äraviskamise ajal õigesti sortida.

Bioplastide tootmisega seotud probleemid

Ületada tuleb mitmesuguseid biolagunevusega seotud probleeme. Muret teeb ka see, et bioplasttoodete maht suureneb toidu (soja, mais, teravili, taimeõlid) arvel. Bioplastide konkurentsivõimet piiravad väga suured tootearenduskulud. Kui aga arvestada fossiilkütuste hinnaprognoose, võib juba praegu öelda, et lähitulevikus on taastuvate ressursside kasutuselevõtt olulise majandusliku tähtsusega. Kui 2010. aastal toodeti fossiilsetest kütustest 250 miljonit tonni polümeere, siis arvatakse, et aastal 2100 toodetakse neid juba kuni miljard tonni [7].

See tähendab, et fossiilsete kütuste kasutamine polümeeride tootmiseks kasvab praeguselt 4–6 protsendilt 25 protsendini. Praegu on looduslikku päritolu polümeeride aastane tootmismaht (1000 000 t) ainult 0,4 % polümeeride kogutootmismahust, ent see suureneb ligi 30 % aastas [7]. Tootmistõhususe suurenemine ja hindade alanemine on bioplastide müügiedul määrava tähtsusega. Tõenäoliselt jõuavad bioplastid kõikjale, kus praegu kasutatakse tavaplastist tooteid. Esmajärjekorras ja suuremal hulgal kindlasti just aladele, kus on olulised toodete looduslikud koostisained ja biolagunevus. Neis valdkondades võivad bioplastid tavaplastist tooted täielikult välja tõrjuda.

Euroopa Liidus on bioplastide teema eriti aktuaalne põllumajandussektoris. Bioplastide kasutamine suureneb ka teadusmahukates rakendustes. Areng ei ole plahvatuslik, ent see-eest pidev. Olmeplastide tootmissektoris ilmnevad huvitavad tendentsid. Turunduskeeles mõisted transformeeruvad ning biolagunevaid plaste püütakse nimetada bioplastideks. Kuna sünteetilised biolagunevad plastid on bioloogilisest toormest valmistatutest keskeltläbi odavamad, siis juurutatakse üha uusi segusid ja kopolümeere (nt PLGA või PLA), milles bioloogilise toorme osakaal väheneb [5].

Kokkuvõtteks

Kiire biolagunemine pärast toote kasutuselt kõrvaldamist on oluline võimalus jäätmehulka vähendada. Lühikest aega kasutatavad tooted (nt prügi- ja kaubakotid, multškiled) võiksid olla biolagunevast plastist [5]. Multškilede puhul võib küll tekkida probleem, et lühikese kasvuajaga saagi koristamise ajaks ei pruugi bioplast laguneda jõuda ning plastitükid võivad sattuda koristusmasinate tööorganitesse või saagi hulka. Üks edukaimaid bioplastide kasutusvaldkondi on meditsiin (lagunevad niidid ja implantaadid, kapslis ravimid). Biolagunevate plastide osatähtsuse suurenemist soodustab biojäätmete kompostimine (praegu EL-is hinnanguliselt 4 %). Nende sattumine tavaprügilatesse võib aga olla kahjulik. Üks võimalikke lahendusi on kompostimise ja taaskasutamise kompleksne rakendamine [5]. Bioplastide lagundamisel saadud komposti kasutamist põllumajanduses takistab inimeste umbusk selle kasulikusse taimedele.

Viidatud allikad

1. Natural fi bers, bioplastics and biocomposites, Editors: Mohanty, K. A., Mishra, M., Drzal, T. L., Taylor & Francis Group, 2005.
2. Bioplastitootja: http://www.proganic.net/english.htm.
3. Bell, K. The promise and pitfall of bioplastics, Time, 03.05.2010. http://www.time.com/time/magazine/article/0,9171,1983894,00. html.
4. Euroopa bioplastid, http://www.european-bioplastics.org/index. php?id=132
5. Biomassi tehnoloogiauuringud ja tehnoloogiate rakendamine Eestis: http://www.bioenergybaltic.ee/bw_client_fi les/bioenergybaltic/public/img/File/Tellitud%20uuringud/Biomassi_tehnoloogiauuringud_ja_tehnoloogiate_rakendamine_Eestis_2.pdf.
6. Christjanson, P. Polümeermaterjalid II. Saamine, omadused ja kasutamine, TTÜ kirjastus, 2007.
7. Lippmaa, H. Polümeerisõnastik, Euroülikool, 2001.
8. Ravenstijn, J. Bio-based polümers: a revolutionary change. JEC Composites Magazine, (59) August-September 2010, pp 17–20. 9. Bioplastitootja: http://www.teamburg.de/bioplastics.

Artikli autor on Jaan Kers, Tallinna Tehnikaülikool

Artikkel ilmus ajakirjas Keskkonnatehnika 8/2010, lk 24–27

Esifoto: Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0