Jak przetwarzamy odpady spożywcze i rolno-przemysłowe na bezpieczniejsze opakowania, buty i tkaniny?
Każdego roku organiczne odpady spożywcze i przemysłowe trafiają do spalarni, na wysypiska śmieci lub do zakładów przetwórstwa odpadów. Przetwarzanie węgla w użyteczne materiały brzmi łatwo, dopóki nie podejmie się próby opracowania produktów, które dobrze wyglądają, są przyjemne w dotyku i działają dokładnie tak samo jak rozwiązania, które klienci już znają i którym ufają. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu Waste2BioComp(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opracował biokomponenty dla trzech łańcuchów wartości - opakowań, obuwia i tkanin. Prace zespołu koncentrowały się na polihydroksyalkanianach (PHA) - rodzinie biopolimerów wytwarzanych przez mikroorganizmy, a także na etapach produkcji potrzebnych do przekształcenia ich w prototypowe rozwiązania.
Przesiewanie odpadów organicznych w poszukiwaniu wysokiej jakości składników PHA
Wybór odpowiedniego strumienia odpadów i surowców wpływa zarówno na jakość materiału, jak i szanse na zwiększenie skali procesu. Jak wyjaśnia Helena Vilaça, koordynatorka projektu: „Podstawowym czynnikiem, od którego zależy to, czy dany strumień odpadów organicznych nadaje się do produkcji wysokiej jakości materiałów, jest ich skład chemiczny”. Po wstępnych badaniach konsorcjum oceniało wydajność, czystość produktu końcowego i łatwość usuwania zanieczyszczeń, a także dostępność i odległość geograficzną. Zespół zbadał szereg strumieni odpadów bogatych w węglowodany pod kątem wytwarzania PHA przy pomocy cyjanobakterii. Zbadane odpady obejmowały glicerol, melasę, mieszankę chlebową, skrobię, bazę ciasta i tytoń. Różne szczepy bakterii reagowały odmiennie na każde podłoże, wytwarzając różne rodzaje PHA ze zróżnicowaną wydajnością. Równolegle zespół badał szlaki chemiczne oparte na biocząsteczkach w celu dostosowania chemii PHA i wynikających z niej właściwości materiału do specyficznych wymagań danej technologii przetwarzania. Gregor Grun, profesor na Uniwersytecie Nauk Stosowanych w Kaiserslautern, wyjaśnia: „Otrzymane surowce PHA mogą być dostosowane do indywidualnych potrzeb, mogą bowiem być zarówno sztywnymi tworzywami, jak i materiałami podobnymi do TPE. Można je łatwo przetwarzać przy użyciu różnych metod (rozdmuchiwanie, odlewanie, formowanie wtryskowe, przędzenie włókien, drukowanie 3D).
Od PHA po opakowania, wkładki i powłoki tkanin
Otrzymywanie surowca z odpadów nie musi oznaczać niższej jakości. Zespół projektu Waste2BioComp przeprowadził testy porównawcze materiałów, aby zapewnić, że dorównują lub przewyższają osiągami ich konwencjonalne odpowiedniki, a także przeprowadził oceny toksykologiczne w celu potwierdzenia bezpieczeństwa. Gdy strumienie odpadów są wykorzystywane jako pożywienie przez mikroorganizmy lub są źródłem prekursorów chemicznych, powstałe materiały mogą utrzymać odpowiednią jakość, ponieważ podstawowe bloki budulcowe mogą być identyczne z tymi pochodzącymi z tradycyjnych źródeł, w zależności od wykorzystywanego procesu. Zespołowi udało się wykorzystać PHA i biopigmenty w praktycznych zastosowaniach. W ramach prac związanych z opakowaniami zespół wytwarzał folie i kompozyty PHA o różnej elastyczności, natomiast działania dotyczące obuwia obejmowały wytwarzanie pianek PHA do jego elementów, w tym wkładek. Tkaniny okazały się być większym wyzwaniem, częściowo dlatego, że procesy drukowania i wytwarzania włókien zwykle tolerują mniejszą zmienność właściwości materiału i ustawień procesu. „Spośród badanych sektorów - tekstylnego, obuwniczego i opakowaniowego - przemysł tekstylny okazał się najtrudniejszym obszarem, w którym można wykorzystać PHA”, wyjaśnia Helena Vilaça. Zespołowi udało się uzyskać prototypy elementów obuwia i folii opakowaniowych bliskie produkcji seryjnej, z kolei tkaniny pozostają na niższym poziomie gotowości technologicznej i wymagają dalszych prac badawczo-rozwojowych. Druk atramentowy pomógł wypełnić lukę między surowcami i produktami końcowymi. W ramach projektu powstały biopigmenty i tusze do drukarek atramentowych, pracowano także nad stabilnością dyspersji i kompatybilnością głowicy drukującej - tutaj kluczowym aspektem jest kontrola wielkości cząstek. Aby rozwiązać problem ograniczonej odporności na światło, często występującej w biopochodnych pigmentach, zespół wykorzystał cząsteczki pigmentów o takich samych strukturach molekularnych jak pigmenty konwencjonalne, ale otrzymywane ze źródeł odnawialnych.
Bariery związane z utylizacją i czynniki dostrzegalne dla konsumentów
Zamykanie obiegów surowców wciąż wiąże się z rozwiązywaniem realnych problemów. Zespół projektu Waste2BioComp zwraca uwagę na pięć istotnych wyzwań, wśród których można wskazać popularne kompozyty, które są trudne do oddzielenia, ograniczone strumienie zbiórek nowych materiałów; niedostateczne wytyczne dla konsumentów dotyczące sposobów utylizacji surowców, domieszki zanieczyszczające powtórnie przetworzone surowce, a także dużą różnorodność biopolimerów wymagającą określonych ścieżek recyklingu. Gdyby materiały opracowane w ramach inicjatywy Waste2BioComp trafiły na rynek, konsumenci mogliby zauważyć zmiany wykraczające poza niższe zużycie paliw kopalnych. Jak zauważa Helena Vilaça: „Poza korzyściami dla środowiska, konsumenci odczuliby szereg praktycznych zmian, gdyby produkty Waste2BioComp trafiły na rynek. To między innymi bezpieczniejsze, mniej toksyczne surowce - tworzywa sztuczne na bazie PHA, zarówno sztywne, jak i elastyczne, nie wymagają szkodliwych plastyfikatorów. Ponadto można wskazać lepszą kompatybilność ze skórą, co potwierdzają wyniki testów alergicznych przeprowadzonych w przypadku wkładek z PHA i drukowanych tkanin”.
