Vývoj polymerů může významným způsobem snížit znečištění moří a půdy

Podle zprávy Nadace Ellen MacArthurové zveřejněné minulý rok končí ve světových oceánech každý rok nejméně osm milionů tun odpadu. To znamená asi jeden odpadkový koš za minutu. Každou minutu! Co je však ještě horší, v roce 2030 to budou už dva koše za minutu a v roce 2050 už čtyři!

Ve stejném dokumentu se uvádí, že pokud se nic nezmění, bude se v oceánech do roku 2025 nacházet jedna tuna plastového odpadu na tři tuny ryb, přičemž se předpokládá, že do roku 2050 už budou oceány obsahovat více plastového odpadu než ryb. Kromě toho se plasty dostávají i do rybího masa a konzumací tohoto masa do lidského těla. Plasty také znečišťují vodu. Podle výzkumu společnosti Orb Media provedeného ve Spojených státech byla voda znečištěna v 94 % vzorků včetně vzorků vody odebraných v budově Kongresu, mrakodrapu Trump Tower v New Yorku a Agentuře na ochranu životního prostředí.

Dost už ale zneklidňujících zpráv. Není žádných pochyb o tom, že potřebujeme odpovědnější přístup k životnímu prostředí. Řešením by mohly být biopolymery nebo bioplasty, které se v přírodě rozkládají mnohem rychleji. Jejich výroba je ale bohužel drahá. Výroba bioplastů je asi pětkrát dražší než výroba konvenčních plastů z neobnovitelných ropných materiálů. Důvodem jsou energetické úspory a technologicky výrazně složitější výroba.

Vědci z Polymer Institute Brno provádějí ve spolupráci se společností UNP-RPA Litvínov výzkum zaměřený na vhodné biomateriály za rozumnou cenu.

Jak je výzkum daleko a jaký je jeho cíl?

„Aktuálně jsme implementovali strategický plán, jehož cílem je snížení vlivu obtížně rozložitelných plastů na bázi ropy na životní prostředí. Soustředíme se na výrobu bioplastů, které by mohly plnit primární funkci, kvůli které se vyvíjí, a zcela nahradit aktuálně používané plasty na bázi ropy,“ uvádí Pavel Huljak z Oddělení výzkumu materiálů v Polymer Institute Brno.

Biopolymery, tzn. materiály získávané z obnovitelných zdrojů, jsou známé už od první poloviny minulého století. Jde o přírodní polymery, které si vyrábí celá řada bakterií jako zdroj uhlíku a energie. K tomuto účelu však potřebují látku, kterou v následném procesu fermentace přeměňují na polymery.

Vstupní látka – potrava pro bakterie – má obvykle organický rostlinný původ; zpravidla se jedná o kukuřičné stonky, cukrovou třtinu, drcené zrno a jiné plodiny s obsahem polysacharidů.

Jaký je rozdíl mezi běžným plastem a biopolymerem?

Běžné polyolefinové plasty (například polypropylen nebo polyethylen) se vyrábí z neobnovitelných ropných zdrojů a rozkládají se velmi dlouho, zpravidla desítky až stovky let. Výsledkem je stále rostoucí množství pevného odpadu, který nekončí jen na skládkách odpadu, ale také v oceánech.

Oproti tomu bioplasty jsou snadno biologicky rozložitelné (biologická rozložitelnost je proces rozkládání materiálu v přírodě) a rozkládají se přirozeným stárnutím na skládkách odpadu během několika měsíců.

Biopolymer syntetizovaný bakteriemi se izoluje a získává se výchozí surovina, která se pozmění podle své budoucí funkce. Tyto materiály si v současnosti získávají pozornost díky rostoucímu zájmu o ekologii a zpracování odpadu.

Jaké látky patří mezi přírodní polymery?

„Patří sem například kyselina polymléčná, známá také jako polylaktid, která se získává polymerací kyseliny mléčné. Tato látka se přirozeně nachází v našem těle a je součástí každodenní stravy většiny populace,“ říká Pavel Huljak.

Mezi další příklady biopolymerů patří polyhydroxybutyrát, polykaprolakton, polyethylenglykol a mnohé další látky. Inspirací pro tyto polymery jsou jejich přírodní ekvivalenty, přírodně syntetizované biopolymery, jako jsou škroby, celulóza, přírodní kaučuk, želatina nebo pryskyřice.

„Vyrábíme biopolymery způsobem, jakým to v přírodě není možné,“ dodává Pavel Huljak.

Polymer Institute Brno se snaží vyvinout vhodný materiál založený na obnovitelných, snadno rozložitelných a kompostovatelných zdrojích. Je důležité, aby materiál mohl na skládkách odpadu přirozeně stárnout bez vedlejších efektů, jako jsou emise jedovatých produktů do vzduchu, vody nebo půdy.

Hlavním důvodem, proč stojí za to vyrábět biopolymery, je snížení uhlíkové stopy ve vzduchu bez zvýšení koncentrace oxidů uhlíku ve výrobě nebo spalování konvenčních plastů na bázi ropy. Ignorování těchto problémů by mohlo v budoucnu způsobit problémy spojené s dobře známým skleníkovým efektem a zhoršením kvality vzduchu.

Biomateriály však nemají jen výhody, mezi jejich nevýhody patří všeobecně velká křehkost a tuhost (z hlediska tažnosti a tvárnosti) a také vysoká náchylnost k hydrolýze v důsledku absorpce vzdušné vlhkosti.

„Vzhledem k těmto skutečnostem se snažíme modifikovat tyto biopolymery tak, abychom je mohli využívat i v oblastech, v kterých jsou takové vlastnosti nežádoucí a omezující,“ dodává Huljak.

Jaké jsou možnosti využití biopolymerů?

Mezi jejich velkou přednost patří biokompatibilita a biologická bezpečnost.

Z tohoto důvodu se často používají v lékařství, například jako nosič stabilních léčiv nebo takzvaná tkáňová lešení, která slouží jako dočasná náhrada za poškozenou tkáň, do které se aplikují příslušné kmenové buňky. Po určité době se biopolymery v lidském těle rozloží a vyloučí obvyklým způsobem. Biomateriály potom již nejsou potřeba, protože aplikované buňky se množí v tkáňovém lešení, samy pronikají do poškozené tkáně a regenerují ji.

Biomateriály se mohou používat také jako hydratační náplasti v podobě hydratačního gelu k léčbě popálenin.

Díky těmto vlastnostem jsou biomateriály vhodné také pro použití v potravinářském průmyslu jako obaly. Patří sem plastové lahve, kelímky, pytle, fólie, čajové pytlíky a tak podobně. V tomto případě se klade velký důraz na uvolňování a extrakci potenciálně nebezpečných a toxických látek vznikajících přirozeným stárnutím materiálů, a to i během dlouhých období skladování.

Toto riziko je však u biopolymerů velmi nízké. Vyrábějí se z přírodního materiálu, proto se neštěpí na nic jiného než na látky, které jsou již součástí našeho těla nebo naší potravy.

Mohou se biopolymery uvolňovat do potravin, což je často diskutované téma v případě běžných plastů? „V případě obalových materiálů vyrobených z kyseliny polymléčné je množství kyseliny mléčné uvolněné do potravin asi 700krát menší než každodenní příjem této kyseliny kojencem z mateřského mléka,“ říká Pavel Huljak.

Biopolymery se rovněž používají ve výrobě biologicky rozložitelných fólií pro pěstování plodin. Velmi dobře uvolňují vodu a zavlažují rostliny. Po určité době, když už nejsou potřeba, se rozloží a přirozeným způsobem se začlení do půdního ekosystému.

Používají se také jako obalové materiály pro kosmetické a spotřební výrobky, např. jako obaly pro šampony a krémy.