Биополимеры вошли в госзадание
Полимерный пластик всегда будет в составе биоразлагаемых продуктов
Ученые ВНИИ крахмала и переработки крахмалосодержащего сырья не первый год работают над созданием биоразлагаемой пленки, на 70% состоящей из термопластичного крахмала. В рамках очередных научных экспериментов им предстоит выяснить, придадут ли пленке антибактериальные свойства экстракт зеленого чая и лимонная кислота. Эта российская разработка при успешном исходе может увеличить срок хранения продуктов в пластиковой упаковке и снизить объем пластиковых отходов.
В лабораторных условиях ВНИИ крахмала и переработки крахмалосодержащего сырья выводят десятки новых сортов картофеля
Фото: Евгений Разумный, Коммерсантъ
Биополимеры — это полимеры, полученные из возобновляемых ресурсов растительного происхождения, например, из свеклы, маниока, сахарного тростника, кукурузного или картофельного крахмала. В своем простейшем составе они имеют повторяющиеся идентичные пары молекул. Самыми известными в научном мире считаются два вида биополимеров: полигидроксиалканоат (PHA), получаемый за счет бактерий из сахаров или липидов, и полимолочная кислота, или, как ее еще называют, полилактид (PLA).
Несмотря на очевидную необходимость перехода на биоразлагаемую продукцию, биополимеры в массовом производстве пока не применяются: продукты из них будут стоить дороже полимерных аналогов, плюс многие инновации пока еще не коммерциализированы или находятся на лабораторном уровне. В России опыты по производству биополимерной продукции с разным научным успехом проводят не первое десятилетие сразу несколько институтов, один из которых – ВНИИ крахмала и переработки крахмалсодержащего сырья – находится в подмосковном Красково.
Здесь проводят опыты по получению биополимерной упаковки пищевых продуктов, изготовленной на основе кукурузного крахмала, который должен способствовать растворению этой самой упаковки в естественных условиях благодаря термопластичному крахмалу. Получают его, применяя пластификатор, который формирует водородные связи, прочность, способность к биоразложению и способность к растягиванию материала при попытке его разорвать. Лабораторные опыты идут с переменным успехом.
Чайки против бактерий
Пластик, применяемый с середины 1950-х годов в том числе и для изготовления упаковки, не перерабатывается в полном объеме, а его количество растет в виде стихийных свалок или сбрасывается в водную среду. По данным Минпромторга, ежегодно в России производится около 3 млн тонн различных пластиковых отходов. Сколько из них не попадает на полигоны и оседает в российских морях и озерах, не подсчитано, но известно, что микропластиковые отходы заглатывают звери и птицы, которых затем едят люди. Микропластик давно стал частью пищевой цепочки и угрожает здоровью человека, но, насколько он разрушителен для него, ученые до конца еще не выяснили. Однако они выяснили способы распространения пластика в морской среде и на прибрежной территории и как его можно было бы предотвратить.
Согласно исследованию ученых биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова «Пластиковое загрязнение удаленных арктических регионов: общая проблема для населенных пунктов и морского побережья», основными переносчиками пластикового мусора являются серебристые чайки. Например, на прибрежных территориях Баренцева моря вблизи Мурманска, где гнездятся миллионы этих птиц и где летом этого года и велись научные исследования, было доказано, что чайки избирательно заглатывают фрагменты пакетов и пищевой упаковки с остатками пищи.
«Впоследствии чайки перемещаются на побережье, где они гнездятся, в частности на остров Сальный, где мы вели наблюдения. На побережье гнездовий чайки освобождаются от пластика, срыгивая его в виде так называемых погадок. В итоге на поверхности необитаемого острова появляются скопления пластика — мы наблюдаем миграцию антропогенного загрязнения в природе с помощью других живых организмов. Вряд ли это полезно для самих чаек, но, по-видимому, кормовая база на свалках компенсирует этот вред в масштабах популяции»,— говорит один из авторов исследования Олеся Ильина.
Это исследование не первое, посвященное токсикологии, микробиологии, экологическому мониторингу, связанных с эффектами пластикового загрязнения в живой природе. По его итогам микробиологи выделили из водной среды несколько бактериальных культур, способных взаимодействовать с пластиком и разрушать его. Одна из них — бактерия из рода Stenotrophomonas: она массово развивается в зоне эрозии на поверхности надувных ПВХ-лодок. И, как предполагают ученые, является причиной этой эрозии, и, вообще, способности этой бактерии к разложению ПВХ в перспективе можно будет использовать для утилизации ПВХ-отходов. В целом отходы ПВХ сложно перерабатывать и нельзя сжигать, но отличным решением при утилизации ПВХ-отходов, по мнению ученых, стало бы биокомпостирование.
Есть и другие практические выкладки. Так, в рамках мурманской экспедиции ученые МГУ тестировали возможность уборки пластиковых выбросов на сильно загрязненном и удаленном от транспортных путей побережье Баренцева моря. Итоги тестирования сводятся к тому, что технически такую уборку возможно осуществить, но из-за логистических сложностей морских перевозок в прибрежной зоне ее стоимость составит сотни миллионов рублей в пересчете на всю протяженность побережья только Баренцева моря, даже если в работе будут участвовать только волонтеры. Причем эту сумму придется тратить ежегодно, так как море каждый год выбрасывает новые порции пластика с зимними штормами.
«Его концентрация растет намного быстрее, чем эволюционирует экосистема. Поэтому все виды его взаимодействия с живой природой, как негативные ("фантомный промысел", токсические эффекты, травмирование морских животных), так и более неоднозначные (биообрастание и биодеструкция пластика), представляют научный интерес. Фактически в экосистеме на наших глазах возникают новые системы взаимодействий, микроорганизмы осваивают новые субстраты, изменяется среда обитания видов»,— говорит Олеся Ильина.
Если же смотреть на проблему пластика шире, то ученые из МГУ, и не только они, а практически все мировое научное сообщество, занимающееся этой проблемой, убеждены, что решить ее возможно только при смене общей парадигмы производства и отказе от потребления ради потребления. А фундаментальная наука тут бессильна.
«Наша технология не привела пока к стопроцентному разложению пластиковой упаковки, но мы работаем, чтобы этого результата достичь,— говорит директор ВНИИ крахмала кандидат сельскохозяйственных наук Василий Бызов.— Мы уже испытывали свойства наших пленок совместно с НИИ кондитерской промышленности. Упаковывали в нее мармелад и наблюдали химическую реакцию между продуктом и обычной полипропиленовой пленкой, которая продается в магазинах. Наши образцы дали хорошие результаты. Продукция хранится в упаковке и пленке, произведенной на основе нашей научной разработки, столько же, сколько в обыкновенной пленке».
Ученые разрабатывают биополимеры для уменьшения объемов пластикового мусора в будущем. Полностью полимерная пленка разлагается сотни, если не тысячи лет. Процесс биоразложения пленки из кукурузного крахмала идет значительно быстрее. «По нашему опыту, посуда, изготовленная по нашей технологии с термопластичным крахмалом, разлагается в земле за пять лет»,— говорит заведующий сектором функциональных продуктов питания Дмитрий Соломин.
Только в России ежегодно производится около 3 млн тонн пластиковых отходов
Фото: Mark Rightmire / MediaNews Group / Orange County Register / Getty Images
Зеленый чай против гниения
Технически лабораторно-цеховой процесс выглядит так. Кукурузный крахмал смешивают с пластификаторами и подвергают экструзии, затем его гранулируют, смешивая с гранулами пластика, и заново пропускают через экструдер при высоких температуре и давлении. «Биоразлагаемая пленка, над которой и трудится научный коллектив нашего института, только на 70% состоит из кукурузного термопластичного крахмала, на 30% из синтетического полимера»,— говорит Дмитрий Соломин.
В руках у Дмитрия Соломина — упаковочная пленка, изготовленная с добавлением крахмала. При ближайшем рассмотрении видно, что она не такая прозрачная, как пленка традиционная, к тому же в ней местами встречаются белые гранулы не растворившегося в лабораторном процессе органического вещества. Все эти признаки указывают на то, что в процессе изготовления использовали разные добавки. Дмитрий Соломин говорит, что этот образец опытный, однако по своим качествам пленка из крахмала уже не хуже традиционной. На ощупь пленка шершавая, местами даже неровная, однако порвалась только при заметном усилии, а растягивалась она как и обычный полиэтилен, так что за исключением несовершенного внешнего вида ее характеристики вполне удовлетворительны.
Пока ученые гораздо большее значение придают не внешнему виду пленки, а ее инновационным качествам. Она должна убивать образующиеся в продуктах бактерий благодаря своим новым антибактериальным свойствам. «В будущем году по программе исследований планируется добавление антимикробных добавок как природного, так и химического происхождения,— говорит Дмитрий Соломин.— Одновременно с крахмалом мы собираемся инсталлировать антимикробные добавки и затем в лабораторных условиях будем наблюдать, как пленка бережет продукты, какая химическая реакция возникнет при соприкасании продукта с пленочной упаковкой».
Самая большая мусорная свалка на планете
В 1997 году капитан Чарльз Мор, возвращаясь с ежегодной транстихоокеанской парусной гонки на катамаране Alguita с Гавайев в Калифорнию, проложил курс через район, которого парусники обычно избегают,— ветра там слабые. Это случайное отклонение от традиционных морских путей привело к открытию так называемого Большого тихоокеанского мусорного острова. Во всех пробах забортной воды были обнаружены разноцветные крупицы разного размера — из пластика.
Открытие, надо сказать, прошло почти незамеченным. И лишь спустя десятилетия, по мере накопления шокирующих данных, создания десятков инициативных научных компаний и обществ, появления сотен научных публикаций с ужасающими подробностями, человечество начало осознавать, что стоит перед лицом подлинной экологической катастрофы. Сейчас обнаружено уже пять мусорных островов: еще один в Тихом океане, в южной его части, два в Атлантике (северной и южной) и один — в океане Индийском. Оказалось, что долгие годы пластик, смытый в океан реками, сдутый с пляжей и сброшенный в воду флотилиями рыбацких судов и круизных лайнеров, накапливался, накапливался и накапливался, пока его не стало так много, что не заметить его было нельзя.
Самой большой свалкой в мире оказался тихоокеанский мусорный остров, медленно дрейфующий по часовой стрелке на полпути между Азией и Северной Америкой, к северо-востоку от Гавайских островов. Он состоит из миллионов тонн пластикового мусора, разбросанного по площади, по одним оценкам, превышающей территорию американского штата Техас, а по другим — и всех США.
Здесь собираются брошенные и потерянные рыбаками нейлоновые и капроновые сети (именно они составляют до 20% всего мирового морского мусора), пластиковые бутылки и прочие емкости, крышки от них, одноразовые зажигалки, пластиковые мешки, обувь (большей частью почему-то кроссовки) и одежда из синтетики.
Но в основном это не крупный и различимый невооруженным глазом пластмассовый мусор, а так называемый микропластик. По пластиковым «островам» нельзя ходить, на них нельзя посадить гидроплан — это, образно говоря, суп из пластика, распавшегося на микроскопические частицы под действием ультрафиолета и морской воды. Распавшегося, но никуда не пропавшего.
По его словам, на первом этапе ученые ограничатся натуральными бактерицидами — экстрактом зеленого чая или, например, лимонной кислоты. В ходе экспериментов с ними предполагается выяснить, останутся ли у крахмала его термопластичные свойства, которые были до добавки этих бактерицидов, или нет. «Мы ожидаем, что в процессе эксперимента создастся антибактериологический фон, и бактерии будут менее интенсивно размножаться в кислотно-щелочной среде, которая в итоге должна их убить, за счет чего увеличится срок хранения продукта в нашей пленке»,— поясняет Дмитрий Соломин.
Гибридизация биополимера с нанополимером
Новый этап научно-исследовательской работы по совершенствованию процесса получения биополимеров запланирован институтом на 2024 год и входит в госзадание, то есть должен быть профинансирован из федерального бюджета. Эти деньги будут потрачены на ряд научных процедур.
В рамках нового этапа научного исследования гранулы термопластичного крахмала поместят в биогумус (в землю) и в течение нескольких месяцев будут наблюдать, с какой интенсивностью они будут в ней растворяться. Затем в уже имеющуюся утвержденную технологию добавят экстракт зеленого чая или лимонной кислоты и с этими ингредиентами приготовят новую биоразлагаемую пленку, в которую потом завернут мясо или десерты, после чего ученые будут наблюдать, как новые вещества убивают бактерии разложения продуктов.
«Создание биоразлагаемой пленки полностью из кукурузного крахмала и других органических веществ невозможно и даже неоправданно,— говорит директор ВНИИ крахмала и переработки крахмалсодержащего сырья Василий Бызов.— Уже давно доказано, что полимеры намного прочнее своих биологических аналогов, так что ждать научного чуда не стоит, полимерный пластик всегда будет в составе всех биоразлагаемых продуктов, так как он крепче, чем биополимерный аналог».
Таким образом, еще одна цель научного эксперимента — проанализировать, насколько нанопластиковые частицы от полимерной пленки будут лояльны к термопластичному крахмалу и другим органическим веществам. «И это на самом деле очень серьезный вопрос, ведь смешение органических веществ с неорганическими в процессе создания биоразлагаемой пленки неизбежно, и как оно отразится на прочности и пластичности будущей биоразлагаемой пленки, еще только предстоит выяснить»,— подытоживает Василий Бызов.