Одна из крупнейших экологических проблем — пластиковые отходы. По данным Национального центра экологического анализа и синтеза (NCEAS) Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, опубликованным в журнале Science в начале 2015 года, ежегодно в океан попадает 8 млн т пластика. К 2025 году его количество там может вырасти в 20 раз.
«К 2050 году содержание пластика в океане по весу может превысить количество рыбы», — предостерегают авторы доклада «Новая экономика пластмасс — переосмысление будущего пластика», подготовленного Фондом Эллен Макартур (Великобритания) и международной консалтинговой компанией McKinsey & Co ко Всемирному экономическому форуму 2016 года. Пленки, пакеты, пластиковые бутылки, контейнеры, произведенные из нефти и газа, разлагаются в естественных условиях сотни лет.
Поиск полимерных материалов, производство которых соответствовало бы принципам устойчивости и которые после использования наносили бы минимальный вред окружающей среде, ведется последние 20 лет. В 2012 году Coca-Cola, Ford, Heinz, Nike и Procter & Gamble договорились о совместной разработке биополимеров. Крупнейший американский производитель газировки, согласно докладу британского отделения Greenpeace, ставил цели к 2015 году использовать 25% бутылок из переработанного или возобновляемого пластика, но удалось достичь уровня лишь 12,4%.
В апреле этого года британская компания Skipping Rocks Lab представила прозрачные биоразлагаемые упаковочные мембраны для напитков в форме шара Ooho, изготавливаемые из морских водорослей и экстрактов растений. Впрочем, прочность этой упаковки пока такова, что расфасовывать напиток удается в количество не более чем на глоток.
Кардинально повлиять на ситуацию с мусором мог бы массовый переход на биоматериалы и возможность быстрой утилизации большинства полимерных изделий, говорит заведующая лабораторией кафедры химической энзимологии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Елена Ефременко.
В промышленности растет интерес к устойчивым продуктам, подтверждают в компании Covestro, одном из крупнейших игроков рынка полимеров. Covestro считает себя пионером в области устойчивого развития в химической промышленности и использует комплексный подход, охватывающий всю цепочку добавленной стоимости своих продуктов под девизом «Люди, планета, прибыль». «Увеличение доли альтернативного сырья в производстве полимерной продукции позволяет снижать зависимость от нефти, угля и природного газа и сокращать чистые выбросы парникового газа СО2. Инновации в производстве материалов отвечают сразу нескольким целям: улучшают жизнь людей, способствуют сохранению планеты и приносят экономическую ценность», — говорит Албена Васильева, руководитель направления коммуникации и устойчивого развития компании. Албена Васильева также отмечает, что переход производства на использование альтернативного сырья является изменением системы понятий, которое затрагивает не только химическую промышленность. Цель должна состоять в осуществлении устойчивой трансформации сырьевой базы в контексте широкого общественного согласия.
Биотехнологическая альтернатива
Ежегодно в мире производится 230 млн т пластмасс. Доля биополимеров, производимых на основе альтернативных сырьевых ресурсов, составляет менее 1%.
Двигателем развития биотехнологий в производстве полимеров является медицина. По словам Елены Ефременко, привлекательными для использования в медицинских целях эти продукты делают их биосовместимость, низкая токсичность, биодеградируемость. «У товаров медицинского назначения большая добавленная стоимость, что оправдывает более высокую по сравнению с «нефтехимической» себестоимость биотехнологического сырья», — отмечает она.
Например, для промышленного производства биоразлагаемого полилактида, который используется в производстве хирургических нитей и штифтов, его мономер — молочную кислоту ферментируют из биомассы на основе кукурузы и сахарного тростника.
При этом многие продукты биотехнологических производств, связанных с биомедицинской и биофармацевтической отраслями, например органические карбоновые кислоты и аминокислоты, одновременно признаны перспективными сырьевыми блоками на пути перехода от нефтехимического к «зеленому» химическому синтезу, в том числе в процессах получения полимеров.
Производство биопластиков сегодня интересно или небольшим компаниям, производящим одно-два наименования полимера, или, напротив, крупным холдингам, ориентированным на производство широкого спектра химических продуктов (Covestro, BASF).
Большинство биополимеров, которые можно производить в промышленных масштабах (полилактид, например), подвержено разложению, что не позволяет использовать их в качестве конструкционных материалов, отмечает заместитель декана химического факультета МГУ профессор, доктор химических наук Сергей Карлов.
Тем не менее трансформация сырьевой базы — процесс хотя и сложный, но уже необратимый, говорят производители полимеров. «Мы достаточно долгое время используем мономеры на основе возобновляемого сырья в своих полимерах и расширяем линейку инновационных продуктов», — говорит Албена Васильева. Для производства полиуретанов, например, в компании используют многоатомные спирты полиолы, получаемые с использованием растительных масел из клещевины обыкновенной и сои. До 70% углерода в отвердителях покрытий и до 65% углерода в водорастворимых полиуретановых эмульсиях, производимых компанией, имеет биологическое происхождение.
Впрочем, в Covestro отмечают, что для широкого внедрения новых материалов технические свойства биомономеров по меньшей мере должны соответствовать характеристикам продуктов нефтехимии, производство биосырья должно быть экологически безвредным, а сами биомономеры — доступны в долгосрочной перспективе и достаточном количестве, по устойчивым ценам.
Развитие биополимерной отрасли связывают с получением из возобновляемых источников материалов, аналогичных по свойствам полимерам из нефтегазового сырья. Например, если производить полиэтилен из этанола, полученного при брожении биомассы. Такие биополимеры небиодеградируемы, как и продукты нефтехимической отрасли. Но использование возобновляемого сырья уже позволяет экономить ресурсы и снижает нагрузку на окружающую среду.
Пластиковая революция
Прорыв в промышленных биотехнологиях и устойчивом производстве полимеров, по словам исполняющего обязанности директора ГНЦ РФ ФГБУ «ГосНИИгенетика» Александра Яненко, будет совершен, когда химическая промышленность получит технологические возможности использования безграничного и, по сути, бесплатного источника углерода — выбрасываемого в атмосферу углекислого газа (СО2). Технология, позволяющая «отлавливать» углекислые газы сначала металлургических производств, а затем и просто отсортировывать СО2 из атмосферы, а затем перерабатывать с помощью микроорганизмов углекислоту в биомассу, по его словам, решат проблему и производства, и утилизации. «Небиодеградируемые вещества можно будет сжигать, и полученный СО2 пускать повторно в производство сырья либо подвергать пиролизу — температурной обработке без большого доступа кислорода, и образовавшийся синтез-газ с помощью микроорганизмов превращать в полимеры», — рассказал эксперт.
Отдельные примеры использования в качестве сырья для производства биополимеров выбросов одного из парниковых газов — диоксида углерода уже существуют. В частности, компания Covestro летом прошлого года запустила опытное производство полиэфирных полиолов на основе переработанного углекислого газа для производства полиуретанов. Сырьем являются выбросы компании энергетической отрасли. На выходе, по сути, из углекислого газа получают ультралегкую пену для производства полиуретановых матрасов и обивки мебели.
Как ни заманчива идея безвредного в производстве, крепкого и при этом биодеградируемого материала — пока, похоже, соблюдение всех этих требований выглядит научной фантастикой. Меры же по предотвращению «пластиковой катастрофы», среди которых создание инфраструктуры для сортировки мусора, стимуляция спроса на переработанные пластмассы, необходимо принимать уже сегодня.