Ekologické bioplasty? U nás sa stávajú realitou

Globálne problémy s plastovým odpadom sú nespochybniteľné; jedným z riešení, ktoré by výrazne pomohli, je používanie bioplastov schopných úplne sa rozložiť bez negatívneho dopadu na životné prostredie. Nonoilen, ktorý vyvinuli naši vedci pod vedením profesora Pavla Alexyho z Fakulty chemickej a potravinárskej technológie STU, má presne tieto vlastnosti. Je unikátny a obdivujú ho nielen u nás, ale aj vo svete. 

Tento špeciálny plast, ako je zrejmé už z jeho názvu (nonoilen=non oil), neobsahuje ropu. Klasické plasty, ako ich poznáme, môžeme definovať ako triedu chemických látok, ktoré patria k polymérom; niektoré  majú rovnakú štruktúru ako látky, z akých pozostávame aj my, čiže potiaľ nepredstavujú problém. Avšak plasty, ktoré vyrábame synteticky, majú iné vlastnosti, ktoré sme im dali zámerne. Na ich základe sa síce stali odolnými voči poveternostným vplyvom, ale druhou stránkou veci je, že sa takmer vôbec nerozkladajú ako bežné prírodné polyméry.

Pôvodným cieľom profesora Alexyho nikdy nebolo „vyrábať“ nové polyméry, ale hľadať technické riešenia pre tie, ktoré existujú. „Prvý veľký boom biorozložiteľných polymérov bol v sedemdesiatych rokoch, keď sa začali vyrábať z obnoviteľných zdrojov. Tu treba povedať, že jedna vec je biodegradovateľnosť, druhou zasa bioobnoviteľnosť. Obe sú rovnako potrebné,“ hovorí profesor.

Máme tu polyméry, ktoré sa vyrábajú z ropy a sú biologicky rozložiteľné. A potom tu sú polyméry vyrobené z obnoviteľných zdrojov, napríklad zo škrobu, ktorý životnému prostrediu ublíži menej, ak berieme do úvahy zelené energie. „Ak totiž spálite polyetylén z ropy, vznikne vám oxid uhličitý, ktorý ide do atmosféry. Ak spálite polyetylén zo škrobu, takisto. Ale ak potom chcete spraviť nový polyetylén z ropy, znova ju musíte vyťažiť; ak však zo škrobu, zasadíte rastlinu, ktorá ten oxid uhličitý opäť spotrebuje.“

Biorozklad
Definícia biodegradovateľného ako rozložiteľného v prírode nie je v takej podobe, ako sa všeobecne prijíma, úplne správna; rozhodne to nefunguje tak, že by sme bioplast s čistým svedomím pohodili niekde v lese a on by sa tam dokonale rozložil. A takisto platí, že ak by sme mali sterilnú pôdu, dážď a vzduch, nerozložilo by sa nám ani obyčajné jablko. „Vezmite si také, ktoré ste si dopestovali doma na záhrade bez striekania. Vydrží vám veľmi krátko. A naopak, krásne naleštené jablko z obchodu vydrží oveľa dlhšie, a to práve preto, že je chemicky ošetrené, sterilné,“ vysvetľuje profesor.  Sterilné pritom znamená, že v ňom nie sú žiadne baktérie, plesne či kvasinky. Hnilobný proces, ak to chceme veľmi zjednodušene povedať,  nie je pritom nič iné, iba to, že mikroorganizmy začnú to zdravé jablko spotrebúvať; uhlík, dusík a biogénne prvky potrebujú na to, aby si vytvorili svoju vlastnú DNA, teda aby sa mohli množiť. Začnú hmotu jablka enzymaticky rozkladať (čomu vlastne hovoríme hnitie); z veľkej molekuly robia malé tak, že si ich „nasekajú“, potom ich po kúskoch prijímajú do svojich buniek, ich metabolizmus tieto kúsky zlikviduje a vzniknú jednoduché molekuly, z ktorých si následne postavia vlastnú DNA a ostatné látky potrebné pre život novej bunky.  Tomu hovoríme biorozklad; bioplast teda musí mať zloženie, ktoré mikróbom umožní, aby si s ním „poradili“ svojimi enzýmami.

Baktéria však takpovediac hore na kríček nevylezie, preto voľné pohodenie hoci aj bioplastu rozhodne fungovať nebude. Biodegradovateľný plast treba dať do kompostu, pôdy, vody... teda kdekoľvek, kde je prítomná mikrobiálna aktivita.

Syntetické plasty degradujú bez mikróbov
Prečo je však pre syntetické plasty takýto rozklad nemožný? Tu sa dostávame k bielkovine, čiže DNA, ktorá sa pri množení buniek replikuje, a teda je potrebné mať na túto replikáciu príslušný „materiál“. „Veľmi zjednodušene povedané - keby bunky iba rástli a rástli donekonečna, výsledkom by bolo spotrebovanie všetkých biogénnych prvkov a život by zastal, keďže by sa takpovediac minul stavebný materiál. Preto to príroda vymyslela tak, že ten, kto umrie, musí sa rozložiť, a tým pádom sa vracia do obehu,“ vysvetľuje profesor. Aj k procesu vznikania, aj k procesu zanikania je však nevyhnutná voda, a náš bioplast musí byť vystavaný tak, aby na procese rozkladu mohli mikróby s vodou „pracovať“. Presne preto v prírode neexistuje polyetylén; baktérie ho nemajú ako „vyrobiť“ a nevedia ho ani rozložiť, nakoľko doň nevedia dostať vodu. Samozrejme, podlieha oxidácii a degraduje aj účinkom slnečného žiarenia; tu ako príklad poslúžia staré fóliovníky, u ktorých sa stávalo, že sa rozpadli za jednu sezónu a ďalej boli nepoužiteľné. Preto sa začali pridávať stabilizátory, ktoré rozkladu zabránili, a syntetické plasty sú náročky vymyslené tak, aby vydržali stovky rokov. Ak by sme ich však zahrabali do zeme, rozkladali by sa ešte dlhšie ako na vzduchu, pretože degradujú práve bez mikróbov.

Ako teda vyrobili naši vedci biodegradovateľný bioplast? „Urobili sme to podobným  mechanizmom, ako je naučená príroda, poskladali sme náš plast z takých polymérov, ktoré majú  hydrolyzovateľné väzby v hlavnom reťazci – použili sme polyestery z obnoviteľných zdrojov surovín. Následne si s takýmito materiálmi „živý svet“ tam dolu v zemi vie poradiť. Baktérie, plesne a kvasinky potom vedia dlhú molekulu naštiepiť pomocou enzymatickej hydrolýzy na menšie molekuly, aby ich následne vedeli do seba cez bunkovú stenu prijať a dokonajú „dielo skazy“, teda rozložia, zmetabolizujú ho na oxid uhličitý, vodu a časť uhlíka použijú na syntézu – aby mohli zreplikovať svoju DNA a vybudovať novú bunku. Samozrejme, okrem uhlíka k tomu potrebujú aj ďalšie prvky, a preto rozklad plastov môže prebiehať len spolu s inou organickou hmotou, ako tomu je napríklad v komposte,“ vysvetľuje profesor.

Plasty jednou z príčin globálneho otepľovania
Znečistené životné prostredie, kde majú syntetické plasty svoj diel viny, je jedna vec; je tu však ešte otázka globálneho otepľovania, ku ktorému prispievajú tiež. Tu sa dostávame k počiatku života na Zemi; keď sa začala ochladzovať a skondenzovala voda, vznikol život v oceánoch v podobe jednobunkových organizmov a tie potrebovali na svoju existenciu uhlík, ktorý bol v tom čase iba v atmosfére. Tak si príroda „vymyslela“ chlorofyl, ktorý funguje ako katalyzátor práve na syntézu; následne mohli vznikať sacharidy, prvé zásoby energie. „Na bielkoviny (teda DNA), stavebný prvok života, sú potrebné minimálne uhlík, kyslík, vodík a dusík, ktorého bolo v tom období takisto dosť. Niektoré z tých prvkov boli vo vode, ale iné vo vzduchu, preto bol na prepojenie potrebný chlorofyl; tak, ako my máme na transfer kyslíka do tela hemoglobín,“ vysvetľuje profesor s tým, že my v ňom máme zabudované železo, zatiaľ čo rastliny horčík.

Keď vznikli zelené riasy, vzali si CO2 zo vzduchu; tým pádom sa jeho koncentrácia začala znižovať, tým ubúdal skleníkový plyn a klesala teplota Zeme. Skleníkový plyn, či už metán alebo CO2, funguje tak, že prepustí slnečné žiarenie, ktoré dopadne na Zem, tá ho absorbuje a von vracia tepelné žiarenie. Ale to sa už von z atmosféry nedostane. Energia sa akumuluje a „odchádza“ stále menej tepla; cez CO2 totiž svetlo prejde, ale teplo už nie, preto ide o jednosmernú cestu. A čím hrubšia je vrstva CO2 a metánu, tým hrubšia bariéra vzniká. Preto prehrievame planétu; teplo sa von nedostane, ale žiarenie k nám stále prichádza. V prehistorických dobách sa však uvedená vrstva naopak stenčovala, lebo na Zemi rástli zelené rastliny, časť premenenej energie odchádzala do vesmíru a teplota Zeme tým pádom klesala. „Keď sa rastliny dostali na súš a vznikli pralesy, obrovská zelená plocha odrazu spotrebúvala obrovské množstvo CO2. Teplota opäť klesla a následne bol už možný život aj pre živočíchov,“ vysvetľuje profesor s tým, že keď sa celý systém dostal do rovnováhy, ochladzovanie sa zastavilo. Následne došlo k tektonickému vrásneniu Zeme a pri otrasoch sa zelená hmota dostala dovnútra; podľa toho, aká bola na konkrétnom mieste teplota a tlak, vznikla zo zelenej masy buď ropa, zemný plyn alebo uhlie. „Pokračovanie poznáme; ťažíme, vraciame naspäť uhlík vo forme CO2 a celé je to minimálne taký veľký problém, ako plasty plávajúce v oceáne. Preto potrebujeme prejsť na obnoviteľné zdroje – materiálov aj energií.“

Prispieva biodegradovateľný plast k záchrane planéty?
„Naša planéta nepotrebuje zachraňovať. Ona sa o svoju záchranu postará sama, my sami seba musíme zachraňovať. A namiesto toho, aby sme robili to, čo treba, naopak, takpovediac ešte otvárame nožnice,“ hovorí profesor. „Vypúšťame CO2 do ovzdušia, a následne rúbeme pralesy, ktoré by ho mohli spotrebúvať. Úplne tu absentuje protiváha; ak už spod zeme berieme, nech je tu niečo, čo to bude eliminovať. Ale nie, my to robíme presne naopak.“

Ak teda chceme plne ekologický plast, môže byť vyrobený napríklad z kukurice, ktorá na to, aby narástla, spotrebuje CO2. Z toho sa urobí bioplast a keď sa neskôr biologicky rozloží, časť uhlíka sa vráti do pôdy. „To je ďalšia vec. Vrstva ornej pôdy s biogénnymi prvkami, teda živinami, je veľmi tenká. Keď budeme z pôdy neustále iba brať bez toho, aby sme dopĺňali, raz sa nám tie živiny minú,“ vysvetľuje profesor. Tu sa dostávame k hnojeniu a kompostovaniu; aby sme sa však vrátili k hlavnej myšlienke, „full bioplast“ musí byť z obnoviteľných zdrojov, musí byť kompostovateľný a kompostovaný, aby sme ho vrátili do pôdy. „A to je ten náš. Boli sme nekompromisní a nechceli sme len biorozložiteľný, takých je už kopec. Potom sú tu také, ktoré sú čiastočne z obnoviteľných zdrojov a čiastočne je tam syntetika, čo je zasa iba „vaňový“ efekt.“

Vaňový efekt
Častým argumentom pri riešeniach s nedostatkami je: môj výrobok je lepší, lebo produkuje menej CO2, má teda menšiu uhlíkovú stopu. „Odpoveďou však má byť: nemáte produkovať menej. Máte produkovať bilančnú nulu. Aj keď častým argumentom je, že menej je lepšie, ako veľa. Stále to však nie je definitívne riešenie,“ uvádza profesor.

V tomto bode sa dostávame k analógii s vaňou: uzavriete odtok, vezmete desaťlitrové vedro a každú hodinu nalejete do vane vedro vody. „Po istej dobe ju máte plnú. A vyššie uvedený argument, že menej je lepšie, vyzerá potom reálne tak, že sa namiesto vedra použije dvojdecový pohár,“ hovorí profesor s tým, že v konečnom dôsledku sa aj tak dopracujeme k takej istej realite; iba sa problém odložil na neskoršie. „To nie sú riešenia. Síce sme si tým kúpili čas, ale ten treba správne využiť a hľadať počas neho skutočné východisko. Napríklad recyklácia plastov je určite dobrá, lebo dostávame veci pod kontrolu, ale počas získaného času treba intenzívne rozmýšľať o full eko riešeniach.“

Ani bioplasty sa nedajú vyrobiť úplne bez uhlíkovej stopy; na ich výrobu totiž potrebujeme energie, ktoré ju za sebou takisto zanechajú. „To je naša základná myšlienka: čo z prírody vezmeme, to do nej aj vrátime. Samozrejme, nie som jediný na svete, o takýchto plastoch rozmýšľa na svete mnoho vedcov,“ hovorí so smiechom profesor.

Záleží aj na vlastnostiach
Je tu však ešte otázka vlastností. Klasický škrob je polymér, z ktorého vieme vyrobiť dajme tomu tašku; tá sa však pri vyššej teplote rozpustí, môže sa trhať, je citlivá na vlhkosť... je síce ekologická, ale má aj nevýhody. Niektorí výrobcovia to riešili pridaním syntetického polyméru, čím sa vlastnosti zlepšili, ale zasa to spolovice stratilo ekologický aspekt; a je tu aj skutočnosť, že pri niektorých typoch môžu pri rozklade vznikať karcinogénne látky.

Možno povedať, že všetky tieto veci boli dobrým riešením v kontexte doby svojho vzniku, nakoľko vtedy boli po každej stránke krokom vpred; súčasná doba však už má iné požiadavky. „Našli sme trik, ako vyrobiť plast, ktorý nie je z fosílnych zdrojov a je biorozložiteľný. A má aj potrebné technologické vlastnosti. Tieto tri veci máme vybalansované a v tom sme unikátni.“

Zachádzať do detailov výroby kvôli komplikovanosti a tiež pre obmedzený rozsah článku nemá veľmi zmysel; v skratke sa to dá vystihnúť tak, že bolo potrebné nájsť trik, ako zmiešať potrebné látky tak, aby sa nebili; obrazne povedané, aby mohli vedľa seba existovať oheň a voda. „Termoplastický škrob a PHB sa za normálnych okolností navzájom zničia. My sme vyvinuli taký technologický postup a také zloženie, že im to, že sú spolu, nevadí. V tom momente vznikla ďalšia generácia; niečo, čo má dobré aj chemické, aj biologické vlastnosti. V tom je ten trik.“ Samozrejme, kľúčom je nielen samotné zloženie, ale aj technologický postup. Výrobná linka na bioplasty by mala byť spustená na budúci rok.

 

Text: Katarína Macková
Foto: archív, Facebook FCHPT, redakcia

Zdroj: https://www.stuba.sk/sk/diani-na-stu/prehlad-aktualit/ekologicke-bioplasty-u-nas-sa-stavaju-realitou.html?page_id=13155