Czytaj książkę: «Использование биоразлагаемых материалов и ИИ»

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы, как в нашей стране, так и за рубежом возрос интерес к биоразлагаемым полимерным материалам и упаковкам из них, которые разрушаются при воздействии различных микроорганизмов.

Технологии синтеза биоразлагаемых полимеров активно развиваются в США, Европе. Внедрения в производство есть в Корее, Японии, Китае. В России разработка таких технологий находится в начале становления.

биоразлагаемые пластики в основном производятся из крахмала, полимолочной кислоты, полигидроксиалканоатов, целлюлозы и лигнина.

Способы производства биоразлагаемых полимеров могут быть химическими или биологическими (под воздействием микроорганизмов или ферментов). Наиболее известные способы получения рассматриваемого материала:

-получение из природных полимеров путем их механической и химической обработки.

-химический синтез полимеров из мономеров, получаемых биопревращением возобновляемых источников сырья (в частности, использование молочной кислоты, получаемой при ферментизации сахаров, для выработки химическим способом полимолочной кислоты).

Получение биотехнологическим способом из возобновляемых сырьевых источников (применительно к ферментации сахаров, при которой микроорганизмы синтезируют термопластичные алифатические полиэфиры, в частности, полигидроксибутират, полигидроксиалканоаты (PHA), бактериальную целлюлозу).

Способность полимеров разлагаться и усваиваться микроорганизмами зависит от ряда их структурных характеристик. Наиболее важными являются химическая природа полимера, молекулярная масса, разветвленность макроцепи (наличие и природа боковых групп), надмолекулярная структура. Синтетические полимеры, содержащие связи, которые легко подвергаются гидролизу, обладают высокой способностью к биодеструкции. Присутствие заместителей в полимерной цепи часто способствует повышению биодеструкции. Последняя зависит также от степени замещения цепи и длины ее участков между функциональными группами, гибкости макромолекул.

Важным фактором, который определяет стойкость полимера к биоразложению, является величина его молекул. В то время как мономеры или олигомеры могут быть поражены микроорганизмами и служат для них источником углерода, полимеры с большой молекулярной массой устойчивы к действию микроорганизмов. Биодеструкцию большинства технических полимеров, как правило, инициируют процессами небиологического характера (термическое и фотоокисление, термолиз, механическая деградация и т. п.). Упомянутые деградационные процессы приводят к снижению молекулярной массы полимера. При этом возникают низкомолекулярные биоассимилируемые фрагменты, имеющие на концах цепи гидроксильные, карбонильные или карбоксильные группы. Не менее значимым фактором, оказывающим влияние на биодеградацию, является надмолекулярная структура синтетических полимеров. Компактное расположение структурных фрагментов полукристаллических и кристаллических полимеров ограничивает их набухание в воде и препятствует проникновению ферментов в полимерную матрицу. Это затрудняет воздействие ферментов не только на главную углеродную цепь полимера, но и на биоразрушаемые части цепи. Аморфная часть полимера всегда менее устойчива к биодеструкции, чем кристаллическая.

Способы получения биоразлагаемых полимеров с помощью синтеза бактериями являются дорогостоящими.

Одним из таких биодеградируемых полимеров является Biopol (фирма ICI, Великобритания). Он представляет собой биосинтетический сополимер - полигидроксибутират или полигидроксивалерат. Сополимер извлекают из биомассы бактерий определенного штамма, который культивируют на углеводных питательных средах. Варьируя соотношение мономерных звеньев, можно получать полиэфирные материалы с различными свойствами.

Biopol полностью отвечает требованиям, предъявляемым к упаковкам одно- или двухразового применения; легко разлагается под воздействием биологических факторов в анаэробных условиях (например, внутри компоста или под землей), а также в анаэробной среде - на полях орошения или в воде. Время разложения составляет от 6 до 36 недель.

Другим примером биоразлагаемого полимера на основе гидроксикарбоновой кислоты (или ее лактида) может служить Novon фирмы Wamer-Lambert & Со (США). Этот материал в присутствии влаги способен разлагаться как на воздухе, так и в анаэробных условиях. Поскольку Novon построен из остатков молочной кислоты, его метаболизируют не только микроорганизмы, но и насекомые.

Материал Biocell (Франция) создан на основе ацетата целлюлозы, в которую вводятся различные добавки и пластификаторы, способствующие разложению материала под влиянием факторов окружающей среды, в том числе солнечной радиации. По своим физико-механическим свойствам он напоминает ПЭНП, но обладает более высокими прочностными характеристиками и прозрачностью. После погружения в воду упаковка из такого материала набухает, и уже через б месяцев до 40% материала разлагается, превращаясь в углекислый газ и воду. Полное разложение Материала осуществляется в течение 18 месяцев за счет почвенной микрофлоры.

В США широкое распространение получили биоразлагаемые на открытом воздухе упаковки под общим названием TONE. Основой для их производства служит поликапролактам, который хорошо совмещается механическим способом со многими широко производимыми пластиками (ПЭ, ПП, ПВХ, ПС, ПК, ПЭТФ). Существенным достоинством этой группы материалов является их принадлежность к термопластам, достаточная доступность и низкая стоимость, легкость переработки различными методами, высокий уровень свойств и скорость разложения на открытом воздухе.

В состав нового бноразлагаемого материала Mater-Bi (Италия) входит в качестве базового полимера полиамид-6 (6,6) и различные добавки природного происхождения (от 60 до 90%), а также синтетические нетоксичные полимеры с низкой молекулярной массой (допущенные для непосредственного контакта с пищевыми продуктами), обладающие хорошей гидрофильностью и достаточно высокой скоростью разложения под влиянием природных биологических факторов. Упаковки из этого материала, вывезенные на свалки, полностью разлагаются практически без остатка, не нанося ущерба окружающей среде.

Основой таких сравнительно новых материалов, как Ecostar, Polyclean и Ampaset, является ПЭВД и крахмалы злаковых растений в качестве биоразлагаемой добавки. В крахмалосодержащую композицию вводят также антиоксиданты для уменьшения деструкции в процессе переработки композиции в изделия.

В настоящее время потребность в разлагаемых упаковках достаточно велика. В развитых странах мира большая часть упаковки одноразового использования производится из биоразлагаемых материалов. В Российской Федерации разработкой биоразлагаемых крахмалосодержащих продуктов для упаковки занимается НПО по крахмалопродуктам совместно с Проблемной лабораторией полимеров МГУ11К. Создаются новые направления и проводятся исследования по разработке широкого ассортимента материалов на основе различных видов крахмалов, крахмалосодержащих продуктов, технических лигнинов и белков.

Количество видов биопластиков достаточно большое, но наиболее популярными видами являются полимолочная кислота (PLA) и полигидроксиалканоаты (PHA). PLA вырабатывают методом молочнокислого брожения сахаров под действием ферментов. В результате получается молочная кислота, которая потом полимеризируется в полилактиды. Это самый дешевый из известных сейчас биопластиков, который, впрочем, все равно дороже полимеров на основе углеводородного сырья. В производстве PHA участвуют бактерии, сегодня известно около десяти видов. Их помещают в среду, обогащенную сахарами, где они производят и накапливают полимеры. Затем оболочки клеток разрушаются ультразвуком, полимер высвобождается в раствор, отделяется и дальше обрабатывается. Производство таких биопластиков тоже довольно дорогое, так как требует водных растворов сахаров или глюкозы, получаемых переработкой пищевого растительного сырья. Ученые всего мира бьются над тем, чтобы удешевить этот процесс. Например, в Сибири недавно создали относительно недорогую технологию «выращивания» биопластиков. Как сообщает РИА «Новости», ученые нашли необычный штамм бактерий Cupriavidus eutrophus, способных производить биопластмассу из дешевого глицерина, а не из дорогостоящих сахаров.

Однако следует отметить, что производство и потребление биоразлагаемых упаковочных материалов и упаковок практически не решает проблемы охраны среды обитания от использованной и изношенной полимерной упаковки и тары. Причин здесь несколько:

-трудность регулирования скорости распада на свалках под воздействием факторов окружающей среды;

-довольно высокая стоимость вводимых добавок;

-технологические трудности производства;

-экологические трудности, которые связаны с тем, что, по данным некоторых исследований, не снижается опасность отрицательного воздействия материалов и продуктов их распада на природу и животных;

-безвозвратная потеря ценных сырьевых и топливно-энергетических ресурсов, которые при правильном и грамотном решении могли бы приносить достаточно высокую прибыль народному хозяйству.

По этим причинам уничтожение отходов путем создания и применения быстроразлагаемых упаковок должно иметь ограниченное и контролируемое применение. Наиболее рациональным способом устранения отходов в виде изношенной и/или использованной упаковки представляется их утилизация.

Биоразлагаемость – это свойство, связанное с химической структурой материала, которое не зависит от происхождения полимера. Полимерные материалы самопроизвольно разрушаются в результате естественных микробиологических и химических процессов. Процесс биодеградации включает разложение материала воздействием микроорганизмов (например, бактерии, грибы), что приводит к образованию воды, диоксида углерода, биомассы, неорганической соли и не представляет опасности для окружающей среды.

Биоразлагаемые полимеры получают как естественным, так и синтетическим путем и в основном состоят из сложноэфирных, амидных и простых эфирных функциональных групп. Их свойства и механизм разрушения определяются их точной структурой. Эти полимеры часто синтезируются реакциями конденсации, полимеризацией с раскрытием цикла и металлическими катализаторами. Существует множество примеров и применений биоразлагаемых полимеров. Биоразлагаемые полимеры представляют значительный интерес для различных областей, включая медицину, сельское хозяйство и упаковку. В медицине находят применения, особенно в областях тканевой инженерии и доставки лекарств . Чтобы биоразлагаемый полимер мог использоваться в качестве терапевтического средства, он должен соответствовать нескольким критериям: 1)быть нетоксичным, чтобы исключить реакцию на инородное тело; 2)время, необходимое для разложения полимера, пропорционально времени, необходимому для лечения; 3)продукты биодеградации не цитотоксичны и легко выводятся из организма; 4) материал должен легко обрабатываться, чтобы механические свойства соответствовали требуемой задаче; 5)легко стерилизоваться; 6)имеют приемлемый срок хранения. Большим преимуществом биоразлагаемой системы доставки лекарственного средства является способность носителя лекарственного средства направлять свое влияние в определенное место в организме, а затем разлагаться на нетоксичные материалы, которые затем выводятся из организма посредством естественных метаболических путей. Биоразлагаемые полимеры и биоматериалы также представляют значительный интерес для тканевой инженерии и регенерации. Тканевая инженерия способна регенерировать ткань с помощью искусственных материалов. Совершенство таких систем можно использовать для выращивания тканей и клеток in vitro или использовать биоразлагаемый каркас для создания новых структур и органов in vitro. Помимо тканевой инженерии, биоразлагаемые полимеры находят применение в ортопедии, например, при замене костей и суставов.

Помимо медицины, биоразлагаемые полимеры часто используются для уменьшения количества отходов в упаковочных материалах. Также прилагаются значительные усилия по замене материалов, полученных из нефтехимии, материалами, которые могут быть изготовлены из биоразлагаемых компонентов. Одним из наиболее часто используемых полимеров для упаковки является полимолочная кислота, PLA.

Еще одним рынком сбыта для биоразлагаемых полимеров является производство мешков для сбора и компостирования пищевых отходов, а также пакетов для супермаркетов. Развивающимся применением этих полимеров является рынок сельскохозяйственных пленок, применяемых в том числе для мульчирования почвы. В отличие от большинства пластмасс, биоразлагаемые полимеры могут расщепляться в условиях окружающей среды с помощью микроорганизмов, таких как бактерии или грибки. Полимер, как правило, считается полностью биоразлагаемым, если вся его масса разлагается в почве или воде за период в шесть месяцев.

ГЛАВА 1. МИРОВОЙ РЫНОК БИОМАТЕРИАЛОВ

Мировое потребление биоразлагаемых пластиков развивается высокими темпами, рис.1.1. Среднегодовой рост составляет 27%. В период с 2012 по 2016 г. потребление выросло в 2,7 раза.

Рис.1.1. Мировое потребление биоразлагаемых пластиков

Контейнеры, пленки и пеноматериалы, изготовленные из биоразлагаемых полимеров, используются для упаковки мяса, молочных продуктов, выпечки и пр. Другим наиболее распространенным применением являются одноразовые бутылки и стаканчики для воды, молока, соков и прочих напитков, тарелки, миски и поддоны. Еще одним рынком сбыта для таких материалов является производство мешков для сбора и компостирования пищевых отходов, а также пакетов для супермаркетов. Развивающимся применением этих полимеров является рынок сельскохозяйственных пленок и медицинских изделий. В настоящее время биопластики составляют примерно 1 % от 335 млн тонн пластиков, производимых ежегодно. Согласно последним данным Европейского института биопластиков (European Bioplastics), рис.1.2, и научно-исследовательского института nova-Institute (Хюрт, Германия), которые являются ведущими организациями в области исследования биополимеров, глобальные производственные мощности по выпуску биопластиков увеличатся примерно с 2,11 млн тонн в 2018 году до приблизительно 2,62 млн тонн в 2023 году.

В число биоразлагаемых полимеров входят: крахмальные смеси, PLA — полимолочная кислота, РВАТ — полибутилен адипат/терефталат, PBS — полибутилен сукцинат, PHA — полигидроксиалканоаты. Семейство полимеров PHA некоторое время находилось в разработке и сейчас выходит на рынок в коммерческом масштабе. По оценкам экспертов, производственные мощности PHA увеличатся в четыре раза в течение следующих пяти лет. Кроме того, удвоятся производственные мощности PLA к 2023 году. PLA является отличной заменой для PS (полистирола), PP (полипропилена и ABS (акрилонитрилбутадиенстирола). Эти сложные полиэфиры на 100 % биоосновные и биоразлагаемые. Биоосновные, не поддающиеся биологическому разложению пластмассы, в том числе решения на основе PE (полиэтилен на биооснове), PET (полиэтилентерефталат на биооснове) и на основе PA (полиамид на биооснове) в настоящее время составляют до 48% (1 млн тонн) от мировых мощностей по производству биопластиков.

Рис.1.2. Глобальные производственные мощности биопластиков в 2018 г

Прогнозируется, что выпуск полиэтилена на биооснове будет продолжать расти, поскольку в ближайшие годы в Европе планируется запуск новых мощностей для его производства. Перспективна разработка PEF (полиэтиленфураноата), нового полимера, который, как ожидается, появится на рынке в 2023 году. PEF сопоставим с PET, но на 100 % состоит из биологического сырья и имеет превосходные барьерные и термические свойства, что делает его идеальным материалом для упаковки напитков, пищевых и непродовольственных товаров. Также ожидается, что к 2023 году на рынок в коммерческом масштабе с сильным потенциалом роста благодаря применению в широком спектре секторов выйдет PP (полипропилен) на биологической основе. PUR на биооснове (полиуретаны) — это еще одна важная группа полимеров, которые имеют огромные производственные мощности с хорошо развитым рынком и, как ожидается, будут расти быстрее, чем традиционный рынок PUR, благодаря своей универсальности. Сегодня существует «биопластичная» альтернатива практически для любого обычного пластикового материала соответствующего применения. В зависимости от материала, биопластмассы имеют те же свойства, что и обычные пластмассы, и предлагают некоторые преимущества, такие как уменьшенный углеродный след или дополнительные варианты управления отходами, как, например, промышленное компостирование. Биопластмассы используются в различных секторах: от упаковки, продуктов питания, бытовой электроники, автомобилестроения, сельского хозяйства и игрушек до текстиля и ряда других, рис.1.3.

.

Рис.1.3. Использование биопластмасс в различных секторах

В структуре потребления крупнейшей областью применения биопластмасс является упаковка. В 2018 году данный сектор составлял почти 65 % (1,2 млн тонн) от общего рынка биопластиков. Для получения гибкой упаковки среди полимеров на биооснове наиболее распространенный тип — материалы на основе крахмалов. За ним по частоте использования следует РВАТ (полибутилен адипат/терефталат), PLA и PBS (полибутилен сукцинат). Для получения гибкой упаковки среди полимеров на биооснове наиболее распространенный тип — материалы на основе крахмалов. За ним по частоте использования следует РВАТ (полибутилен адипат/терефталат), PLA и PBS (полибутилен сукцинат).

Европа занимает первое место в области исследований и разработок биопластиков. Здесь выпускается около пятой части от мирового объема подобных материалов. К 2023 году доля биопластика, изготовленного в Европе, достигнет 27 %, что обусловлено недавно принятой политикой в таких странах, как Италия и Франция. Крупным производственным центром является Азия. В 2018 году 55 % биопластиков было произведено именно в этой части света. 16 % и 9 % рынка приходятся на Северную и Южную Америку соответственно; 1 % — на Австралию.

Наибольшей популярностью пользуется биопластик на основе природных полимеров — крахмала и целлюлозы (из сахарного тростника и кукурузы). Биопластик из кукурузы производят компании Metabolix, NatureWorks, CRC и Novamont. Из сахарного тростника материалы производят предприятия Braskem. Компания Arkema в качестве сырья использует касторовое масло. Rodenburg Biopolymers получает биопластик из картофеля.

Голландские дизайнеры Эрик Кларенбик и Мартжи Дрос изобрели способ получения биопластика из водорослей. Их технология превращает водоросли в жидкое сырье, из которого посредством 3D-принтера можно печатать трехмерные пластиковые объекты.

Финская фирма Paptic выпускает материал для пакетов на основе целлюлозы и биопластика под одноименной маркой. Материал Paptic представляет собой что-то среднее между бумагой и пластиком. Фирму патронирует финский Фонд инвестиций в инновации.

Основанная в 2014 году в Индонезии компания Avani Eco создает продукцию из альтернативных пластику биоразлагаемых материалов. В частности, это пакеты из корня маниоки, которые якобы разлагаются в воде за несколько минут, а также пищевые контейнеры из сахарного тростника, посуда из PLA и кукурузного крахмала. Avani Eco — ведущий поставщик альтернативной упаковки в Юго-Восточной Азии.

Пластик из водорослей придумали в Израиле ученые Тель-Авивского университета. Микробы вида Haloferax mediterranei питаются водорослями Ulva lactuca. Побочным продуктом их жизнедеятельности является вещество полигидроксиалканоат, которое используется для производства пластмасс. Водоросли можно выращивать прямо в океане, на любой свободной территории, не занимая полезных земель. Согласно доступной информации, новый материал достаточно быстро разлагается в земле (в течение двух лет) и сравнительно недорог в производстве.

В 2012 году сообщалось, что ученые все того же университета Тель-Авива создали суперпрочный биоразлагаемый полипропилен, который может заменить металл и прочие материалы в бытовых товарах. Исследовательская команда университета преуспела в разработке нового катализатора для процесса производства полипропилена, способствующего производству самого прочного пластика. Состав в сообщении не раскрывается.

Компания JJG Biodegradable Product производит и продает биоразлагаемые материалы на основе крахмала (получаемого из таких растений, как кукуруза, картофель, маниока, батат). Материалы могут использоваться в аграрной, пищевой и других отраслях промышленности. Биоразлагаемые продукты JJG BioPlast были экспонированы в Малайзии, Франции, США и произвели сенсационный эффект. Позже были заключены долгосрочные договоры на поставки с иностранными предприятиями из Франции, Японии, Малайзии, Саудовской Аравии и других стран мира. Китая, основана в 2009 году.

Чилийские ученые изобрели пакет на основе известняковых пород камня, который разлагается в холодной воде за несколько минут.

В научно-исследовательском центре IRIS (Барселона, Испания) создан биоразлагемый пластик, сырьем для которого послужила молочная сыворотка, которая, как известно, является побочным продуктом при производстве сыров.

Японские ученые создали биоразлагаемый пластик из водорослей и орехов. Особенностью нового материала является его способность выдерживать температуру до 120ºC. Это примерно вдвое больше, чем показатели другого биоразлагаемого пластика — полилактида. Основными компонентами нового пластика являются парамилон (разновидность полисахарида, который накапливается в клетках исключительно представителей эвгленовых), а также жирные кислоты, полученные из скорлупы орехов кешью. Разработкой нового способа получения биопластика занимались Национальный институт прогрессивной промышленной науки и технологий, Университет Миядзаки и одна из крупнейших телекоммуникационных компаний страны — NEC.

Первопроходцем в сфере биополимеров, ведущим исследования с 1989 года, является компания Novamont, которая за создание растительного пластика Mater-Bi она была удостоена европейской премии «Изобретатель года». Этот пластик создан из комплекса крахмала (полученного из кукурузы, выращенной в Италии) и биоразлагаемых полимерных агентов, которые формируют разнообразные молекулярные сверхструктуры с широкой сферой применения.

ГЛАВА 2. КЛАССИФИКАЦИЯ БИОРАЗЛАГАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

Биоразлагаемые материалы классифицируют по нескольким ключевым критериям — они дополняют друг друга и помогают выбрать подходящий материал под задачу.

1.По происхождению сырья.

1.1. Природные полимеры из возобновляемого сырья это материалы, выделенные напрямую из биомассы: крахмал (из кукурузы, картофеля, риса), целлюлоза и её производные (например, ацетат целлюлозы), белки (коллаген, кератин, казеин), хитин/хитозан, пектин, альгинаты. Они биоразлагаемы и часто доступны, но могут быть чувствительны к влаге.

1.2. Полимеры, синтезируемые микроорганизмами. Например, полигидроксиалканоаты (PHA), включая полигидроксибутират (PHB). Их производят бактерии в процессе ферментации углеродных субстратов; они полностью биоразлагаются и подходят для медицины и упаковки.

1.3. Полимеры на основе природных мономеров, полученные химическим синтезом. Классический пример — полилактид (PLA): мономер (молочная кислота) получают из растительного сырья (кукуруза, сахарный тростник), затем полимеризуют. PLA термопластичен, широко применяется в 3D‑печати и упаковке.

1.4. Синтетические полимеры из нефтехимического сырья, способные к биоразложению. Сюда относят поликапролактон (PCL), полибутилен адипат терефталат (PBAT), полибутилен сукцинат (PBS). Они разрабатывались специально так, чтобы разлагаться под действием микроорганизмов, хотя исходное сырьё — невозобновляемое.

2. По условиям и скорости биоразложения.

2.1. Компостируемые материалы. Разлагаются в условиях промышленного компостирования (обычно при температуре порядка 58°C и высокой влажности) за 3–6 месяцев до безопасных продуктов (CO₂, вода, биомасса). Примеры: PLA, PBAT, смеси на основе крахмала. Стандарты: EN 13432, ASTM D6400.

2.2. Почвенно‑биоразлагаемые. Разлагаются непосредственно в почве под действием микрофлоры; сроки — от 6 месяцев до 2 лет. Примеры: PHA, PCL (медленнее), некоторые целлюлозные композиции.

2.3. Водоразлагаемые и морские биоразлагаемые. Разрушаются в водной среде за счёт гидролиза и микробной активности. Скорость зависит от толщины, температуры и состава среды; некоторые PHA и специализированные композиции способны разлагаться даже в морской воде.

2.4. Медленно разлагаемые биоразлагаемые полимеры. Например, PCL может разлагаться 2–4 года в почве. Это не «обычный пластик», но и не быстрокомпостируемый материал.

3. По химической природе и структуре

3.1. Полиэфиры. Самая большая группа: PLA, PHA/PHB, PCL, PBS, PBAT. Разлагаются за счёт гидролиза сложноэфирных связей и последующего потребления фрагментов микроорганизмами.

3.2. Полисахариды и их производные. Крахмал, целлюлоза, хитин, альгинат. Разложение идёт за счёт действия ферментов (амилазы, целлюлазы и др.) и микробного метаболизма.

3.3. Белковые полимеры. Казеин, коллаген, желатин, соя. Подвержены протеолизу и микробному разложению; часто используют в плёнках, капсулах, медицинских материалах.

3.4. Смешанные системы и композиты. Смеси полимеров (например, PLA+PHA, крахмал+PBAT) и композиты с натуральными волокнами или наполнителями. Свойства и скорость разложения зависят от соотношения компонентов и морфологии.

4. По способу получения (технологическая классификация).

4.1. Экстрагированные природные полимеры. Целлюлоза, крахмал, хитин и т. п.

4.2. Ферментационные полимеры. PHA, некоторые полисахариды микробного происхождения (пуллулан, эльсинан).

4.3. Химический синтез из биомономеров. PLA, лактат‑содержащие сополимеры.

4.4. Химический синтез с заложенной биоразлагаемостью. PCL, PBAT, PBS — проектируются так, чтобы иметь гидролизуемые связи и быть доступными для микроорганизмов. Практические примеры и соответствие классов представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Практические примеры и соответствие классов

Материал

Сырьё

Тип по разложению

Типичные области применения

PLA

Растительное (кукуруза, тростник)

Компостируемый (промышленный)

Упаковка, одноразовая посуда, 3D‑печать, медицинские нити

PHA/PHB

Микробиологический синтез

Почва, компост, морская вода (некоторые марки)

Упаковка, медицинские импланты, мульчирующие плёнки

Крахмал (TPS)

Растительный крахмал

Компост/почва (часто в смесях)

Плёнки, наполнители, одноразовые изделия

PBAT

Нефтехимическое

Компостируемый (в смесях с крахмалом/PLA)

Гибкие плёнки, пакеты, мульча

PCL

Нефтехимическое

Почва (медленно, 2–4 года)

Медицинские устройства, 3D‑печать, контролируемое высвобождение

Ацетат целлюлозы

Целлюлоза + химическая модификация

Почва/компост (12–18 месяцев)

Плёнки, оправы, волокна

ГЛАВА 3. ВИДЫ БИОРАЗЛАГАЕМЫХ ПОЛИМЕРОВ

Современные биоразлагаемые полимеры — это материалы, которые под действием микроорганизмов (бактерий, грибков) и физических факторов (УФ-излучения, температуры, влаги) распадаются на безопасные компоненты: воду, углекислый газ, биомассу. Они представляют собой альтернативу традиционным пластикам, получаемым из ископаемого сырья, и используются в упаковке, сельском хозяйстве, медицине и других сферах.

Различают два вида биоразложения материалов: аэробное и анаэробное. Оба процесса связаны с деятельностью микроорганизмов (бактерий, грибов), которые расщепляют полимерные цепи до более простых соединений.

3.1.

Аэробное разложение биоразлагаемых полимеров

Аэробное разложение — это биологическое расщепление органических материалов микроорганизмами в присутствии молекулярного кислорода (O2O_2O2). В контексте биоразлагаемых полимеров и биоматериалов это основной путь их утилизации, например, при компостировании.

Процесс разложения идет в несколько стадий.

1. Абиотическая подготовка и поверхностная деструкция. Под действием температуры, влаги, УФ‑излучения и окислителей материал теряет прочность, появляются трещины и увеличивается площадь поверхности. Для полимеров это критично: крупные молекулы становятся доступнее для ферментов.

2. Биофрагментация. Микроорганизмы выделяют экзоферменты, которые расщепляют длинные цепи полимера до олигомеров и мономеров.

3. Ассимиляция. Полученные мелкие фрагменты поглощаются клетками и включаются в метаболизм: часть углерода идёт на рост биомассы, часть окисляется до CO2, CO, 2CO2 и воды с выделением энергии. Типичная обобщённая реакция полного окисления органического субстрата (например, углеводов) выглядит так:

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+энергия (в форме АТФ) C6H_{12}O_6 + 6O_2 \rightarrow 6CO2 + 6H2O + \text{энергия (в форме АТФ)} C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+энергия (в форме АТФ).

Для полимеров реакция сложнее, но конечные продукты при полном аэробном разложении — CO2CO_2CO2, H2OH_2OH2O и минеральные соли; промежуточными могут быть органические кислоты, спирты и другие метаболиты.

В аэробной деградации биоматериалов задействованы разные группы микроорганизмов:

1. Бактерии (например, Pseudomonas, Bacillus) — активно расщепляют простые и сложные полимеры, выделяют гидролитические ферменты.

2. Актиномицеты — важны для разложения труднодоступных субстратов и формирования структуры компоста.

3. Грибы (в том числе Aspergillus, Trichoderma) — особенно эффективны для лигнина, целлюлозы и некоторых синтетических полимеров за счёт мощных окислительно‑восстановительных ферментов.

Для эффективного аэробного разложения необходимо осуществить следующее.

1. Доступ кислорода. Без него процесс переходит в анаэробный режим. На практике это решается аэрацией, ворошением, пористой структурой субстрата.

2. Влажность. Оптимально 50–60%: при недостатке воды метаболизм замедляется, при избытке — блокируется газообмен.

3. Температура. Для компостирования типичны диапазоны 40–70°C (термофильная фаза), где скорость разложения максимальна.

4. pH. Большинство микроорганизмов предпочитают нейтральные или слабокислые условия (pH 6–8).

5. Соотношение C/N (углерод/азот). Оптимально 25–30:1: при избытке углерода процесс замедляется, при избытке азота возможны потери в виде аммиака.

6. Размер частиц и пористость. Мелкие и рыхлые фракции обеспечивают лучший контакт с микроорганизмами и газообмен.

Примеры аэробного разложения разных биоматериалов.

1. Полимеры из природного сырья (крахмал, целлюлоза, хитозан) разлагаются довольно быстро в аэробных условиях: в компосте — от нескольких недель до нескольких месяцев.

2. Полусинтетические биополимеры (например, эфиры целлюлозы, модифицированные крахмалы) разлагаются медленнее: скорость зависит от степени модификации и добавок.

3. Синтетические биоразлагаемые полимеры (PLA, PHA, PBS) в аэробных условиях могут минерализоваться до CO2CO_2CO2 и H2OH_2OH2O, но сроки сильно зависят от условий: в домашнем компосте PLA разлагается плохо, в промышленном — месяцы.

Практические методы и стандарты оценки аэробной биодеградации.

1. Компостирование — наиболее распространённый управляемый аэробный процесс. Бывает домашним и промышленным (с контролем температуры, аэрации и влажности).

2. Респирометрические тесты. Измеряют выделение CO2CO_2CO2 микроорганизмами при разложении образца; это основной метод оценки биоразлагаемости.

3. Стандарты. Например, EN 13432 и ASTM D5338 задают условия и критерии: обычно требуется минерализация более 90% углерода за установленный срок (часто 6 месяцев) в контролируемых аэробных условиях.

Главное различие — в конечных продуктах и энергетике:

Аэробно: CO2CO_2CO2, вода, минеральные соли, много энергии (высокий выход АТФ).

Анаэробно: метан (CH4CH_4CH4), CO2CO_2CO2, органика, меньше энергии.

Аэробные процессы обычно идут быстрее и не производят метан, поэтому для утилизации биоразлагаемых пластиков в компосте предпочтителен именно аэробный путь.

3.2. Анаэробное разложение биоразлагаемых полимеров

Анаэробное разложение — это биологический процесс распада органических веществ в отсутствие свободного кислорода. Им активно занимаются микроорганизмы, и он играет важную роль в круговороте углерода, переработке отходов и образовании природных ресурсов.

В типичном анаэробном разложении (например, при метановом брожении) выделяют 4 стадии:

1. Гидролиз. Сложные органические молекулы (белки, жиры, углеводы) расщепляются на более простые растворимые соединения (аминокислоты, жирные кислоты, сахара). Это делают гидролитические бактерии.

2. Ацидогенез. Образовавшиеся простые соединения превращаются в летучие жирные кислоты, спирты, водород и углекислый газ. Участвуют ацидогенные бактерии.

3. Ацетогенез. Часть кислот (например, пропионовая, масляная) преобразуется в уксусную кислоту, C2H4O2. Работают ацетогенные бактерии.

4. Метаногенез. Метаногенные археи используют уксусную кислоту и/или водород, чтобы образовать метан CH4 и воду. Именно на этом этапе получается основной объём биогаза.

В результате процесса образуется биогаз следующего состава: метан (обычно 50-70%), углекислый газ, иногда примеси H2SH и др., а также дигестат (остаток): твёрдая и жидкая фракции после переработки, которые можно использовать как удобрение (но с учётом содержания загрязнителей). При нарушении баланса процесса могут быть промежуточные метаболиты: органические кислоты, спирты.

Анаэробное разложение встречается:

-природные экосистемы: болота, донные осадки водоёмов, глубокие слои почвы, кишечник животных;

-искусственные системы: метантенки и биогазовые установки на очистных сооружениях, анаэробные реакторы для переработки навоза и пищевых отходов, полигоны ТКО (где формируется свалочный газ);

-почвенные и водные среды: в зонах с дефицитом кислорода (например, в переувлажнённых почвах) анаэробные процессы определяют трансформацию органики и питательных веществ.

Условия, от которых зависит процесс:

-отсутствие кислорода — главное условие: анаэробные микроорганизмы либо не переносят кислород, либо не используют его;

-температура выделяют психрофильный (ниже 20 °C), мезофильный (25–40 °C) и термофильный (50–60 °C) режимы. В промышленности чаще используют мезофильный;

-pH. Оптимально около нейтрального (6,5–7,5), при сильном снижении pH (из‑за накопления кислот) метаногенез тормозится;

-время удержания субстрата и нагрузка, слишком высокая скорость подачи сырья может привести к «срыву» процесса из‑за накопления кислот;

-соотношение C/N, наличие микроэлементов и отсутствие ингибиторов (например, высоких концентраций тяжёлых металлов, аммиака, некоторых ПАВ).

Плюсы применения процесса:

-получение энергии (биогаз как топливо);

-снижение объёма отходов и выбросов парниковых газов (если биогаз улавливается, а не уходит в атмосферу);

-переработка влажных органических отходов, где аэробные методы менее эффективны.

Минусы применения процесса:

-при неконтролируемом разложении (на свалках без сбора газа) метан — сильный парниковый газ;

-дигестат может содержать патогены, тяжёлые металлы, остатки лекарств — его применение требует контроля;

-процесс чувствителен к сбоям: перегрузка, токсичные примеси, резкие перепады температуры могут остановить метаногенез.

3.3. Группы полимеров по структуре сырья

Биоразлагаемые полимеры в общем виде по структуре сырья можно классифицировать на три группы: полимеры из природного сырья, полусинтетические и синтетические полимеры. На рис. 3.1. представлены составляющие материалы в каждой группе.

Рис.3.1. Группы биоразлагаемых полимеров

3. 3.1

. Биоразлагаемые полимеры из природного сырья

Биоразлагаемые полимеры из природного сырья — это материалы, которые получают из возобновляемых ресурсов и способны разлагаться под действием микроорганизмов до безвредных соединений (воды, CO₂, биомассы). Они рассматриваются как экологичная альтернатива традиционным пластикам на основе нефти.

Биоразлагаемые полимеры классифицируют по виду сырья для их получения:

а) сырье возобновляемое животного происхождения: коллаген, эластин, воски, алифатические полиэфиры, кератин, фиброин, эмульсия.

б) сырье возобновляемое растительного происхождения: крахмал (кукурузный, картофельный, маисовый), целлюлоза, сахарный тростник, кукуруза, меласса (отход при производстве сахара), хитина (содержащиеся в экзоскелетах ракообразных) и другие растительные продукты.

в) сырье невозобновляемое нефтехимического происхождения: полиуретаны, полиэстрамиды, полиэфирамиды; ароматические полиэфиры, например, полимолочная кислота, алифатическо-ароматический сополиэфиры;

г) сырье смешанное: полиэфиры

Биополимеры из крахмала, целлюлозы, сахаров и агро-отходов сегодня формируют около 55% мирового выпуска биопластиков. Рассмотрим основные полимеры данной группы.

1. Полилактид (ПЛА, PLA) — самый массовый материал этой группы. Углеводное сырьё (кукуруза, сахарный тростник, пищевые отходы) сначала ферментируется до молочной кислоты, затем путём конденсации и контролируемой раскрытой полимеризации превращается в полимер. Для оптимизации свойств PLA смешивают с крахмалом, PBAT или пластификаторами (глицерин, сорбит), что улучшает ударную вязкость, но снижает температурную стабильность. PLA разлагается до воды, углекислого газа и компоста, но только в условиях промышленного компостирования — при температуре выше 60°C и высокой влажности. Материал прозрачен, влаго- и жиростоек, применяется в упаковке, одноразовой посуде и 3D-печати.

Полилактид – это бесцветный, прозрачный, термопластичный полимер со свойствами, схожими с полистиролом, что делает его перспективным для применения в быту при условии придания ему повышенной стойкости к ударным нагрузкам. Данный полимер также можно легко перерабатывать с получением пленок и волокон. Это один из немногих полимеров, стереохимическая структура которого может быть легко модифицирована за счет контролируемого изменения соотношения L- и Dизомеров с получением аморфного или кристаллического высокомолекулярного полимера. Обычно полилактид подвергается термическому разложению при температуре выше 200°С. Деструкция зависит от времени, температуры, присутствия низкомолекулярных примесей и следов катализатора, которые заметно снижают температуру разложения и увеличивают скорость распада. Кроме того, они могут служить причиной изменения вязкости, вызывать копоть при переработке и ухудшать механические свойства материала. Исходное вещество для получения полилактида – молочная кислота (2-гидроксипропионовая кислота) – простейшая гидроксикислота, существующая в двух оптически активных конфигурациях, рис.14. L-молочная кислота синтезируется организмом человека и других млекопитающих, бактерии же продуцируют как D-энантиомер, так и L-энантиомер. Большую часть промышленно производимой молочной кислоты получают ферментацией углеводов бактериями рода Lactobacilli, которые продуцируют исключительно эту кислоту. Промышленный синтез высокомолекулярного полилактида из молочной кислоты осуществляется тремя методами.

Рис.14 Структура молочной кислоты

Молочная кислота конденсируется с образованием низкомолекулярного хрупкого прозрачного полимера, который чаще всего не подходит для практического применения, так как его молекулярная масса не достигает требуемого значения из-за высокой вязкости полимерного расплава (что препятствует удалению воды, образующейся при конденсации), наличия примесей, потери реакционноспособных концевых функциональных групп и концевой деполимеризации олигомеров с образованием шестичленного лактидного кольца. Более распространенным способом производства полилактида с высокой молекулярной массой (100 000) в настоящее время является полимеризация лактида, которой предшествует получение олигомера, его циклизация при определенной температуре в лактид, глубокая очистка и полимеризация с раскрытием лактидного кольца. Это был единственный способ производства чистого высокомолекулярного полилактида до того времени, пока фирма Mitsui Chemicals не внедрила растворный коммерческий способ получения полилактида. В этом процессе молочную кислоту азеотропно поликонденсируют под действием катализатора в перемешиваемом высококипящем апротонном растворителе. Синтез описывается следующими реакциями:

Рис.15 Схема получения полилактида

Полилактид является удобным термопластиком с подходящим сроком хранения для использования его в упаковке. При правильной утилизации он гидролизуется на натуральные и безопасные продукты. Производство этого полимера может стать техническим и экономическим решением проблемы успешной утилизации большого количества пластиковой упаковки. На сегодняшний день полилактид – один из самых дешевых биоразлагаемых полимеров.

Одним из возможных путей создания биоразлагаемых полимерных материалов является создание композиционных материалов на основе природных полимеров: крахмала, целлюлозы, хитозана или белков. Конечно, помимо разлагаемой основы, туда должны входить пластификаторы и различные добавки. Композиты бывают двойные и тройные: их состав зависит от того, какие потребительские свойства надо получить. Понятно, что для очковых оправ, рукояток инструментов, зубных щеток, детских подгузников и одноразовой посуды нужны разные композиции. Главное – найти правильное соотношение компонентов, которое сохраняло бы нужные свойства, имело приемлемую цену и разлагалось в окружающей среде после срока использования. Самая распространенная основа для разлагаемых композитных материалов – крахмал. Пластификаторами могут быть глицерин или полиоксиэтиленгликоль. Несмотря на то что сам крахмал разлагается, в некоторые композиции дополнительно вводят полиэфиры, чтобы ускорить процесс. Например, пленка, полученная из смеси крахмала и полилактида, разлагается в компосте при 40°С за семь суток. Конечно, такой композиционный материал тоже оказывается дороже, чем синтетический полимер. Чтобы сделать его дешевле, можно использовать неочищенный крахмал, смешанный с поливиниловым спиртом и тальком, но тогда полимер подойдет исключительно для бытового назначения: упаковки, пленки для мульчирования, пакетов для мусора. Крахмалосодержащие биоразлагаемые пластики, также как и полиэфирные, уже вышли из стен лабораторий – некоторые фирмы перешли к промышленному производству таких материалов. Например, фирма Biotec GmbH на основе крахмала производит биопластмассы различного назначения: гранулы для литья одноразовых изделий; пеноматериалы для упаковки пищевых продуктов и многое другое. Время разложения таких материалов в компосте при 30°С – 2 месяца. Чешская фирма Fatra совместно с производителями крахмала и Институтом полимеров разработала разлагающуюся за 3–4 месяца упаковочную пленку на основе крахмала с полиолефином. Поскольку компоненты недорогие, готовая пленка стоит примерно 1,9 дол./кг. Основой композита может быть не только крахмал, но и целлюлоза, хитин и другие природные материалы (лигнин и лигниносодержащие вещества) в сочетании с протеином и другими добавками. Японские технологи производят пластик даже из древесной массы в сочетании с поливинилацетатом и глицерином. В последнее время внимание разработчиков привлекают композиции на основе хитозана и целлюлозы. Из них получают биоразлагаемые пластики, пленки с хорошей прочностью и водостойкостью (10–20% хитозана). Одна из японских фирм использует для этого хитозан, получаемый из панцирей крабов и креветок. Этот материал интересен тем, что можно менять скорость его биоразложения в зависимости от методов обработки. Так, пленка на основе хитозана, ацилированного по NH2-группам, разлагается в аэробном городском компосте намного быстрее, чем целлофановые или даже поли(гидроксибутират)валериатные пленки. Разлагаемые композиты можно делать на основе природных белков, или протеинов. Для завертывания влажной пищи и производства коробочек для пищевых продуктов используют пленку на основе гидрофобного протеина. В состав композита добавляют метакрилированный желатин (в этом случае материал подходит для упаковки пищевых продуктов, парфюмерии и лекарственных препаратов), казеин, кератиносодержащие натуральные продукты. Интересно, что японская фирма Showa уже производит подобный биодеструктируемый полимер для корпусов телевизоров и персональных компьютеров. Этот пластик не боится воздействия высоких температур, он прочен, упруг, разлагается в воде и под действием почвенных бактерий. Добавление природных полимеров (полисахаридов и белков) к синтетическим ценно прежде всего тем, что природные полимеры – возобновляемое сырье. Основная задача исследователей – подобрать такое соотношение компонентов, чтобы эксплуатационные свойства получаемых композитов приближались к свойствам синтетических полимеров. Несмотря на активное развитие двух описанных направлений, технологи продолжают попытки целенаправленно изменять свойства хорошо освоенных крупнотоннажных полимеров: полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полистирола и полиэтилентерефталата. Без модификации перечисленные полимеры и изделия из них могут храниться в земле вечно. Чтобы избежать этого, существуют направления введения в структуру синтетического полимера молекул, способствующих его ускоренному фоторазложению; получения сополимеров с добавками, способными инициировать распад основного полимера; направленного синтеза биодеградируемых полимеров на основе промышленно освоенных синтетических продуктов. Фоторазлагаемые полимеры – это, например, сополимеры этилена или полистирола с винилкетоном. Добавки таких фотоинициаторов в количестве всего 2–5% позволяют разложить полимер ультрафиолетовым излучением с длиной волны 290–320нм. Светочувствительными добавками могут служить дитиокарбаматы железа и никеля или соответствующих пероксидов. Чтобы фото- и биоразложение полиэтиленовой пленки происходило еще быстрее, в нее вводят пульпу целлюлозы, алкилкетоны или фрагменты, содержащие карбонильные группы. В этом случае можно рассчитывать, что через 8–12 недель свет и бактерии приступят к уничтожению мусора. Однако процесс происходит медленнее, чем с полиэфирами, и остатки пленки полностью исчезают только при бороновании и запахивании. Другой, самый очевидный способ – это просто сочетать хорошо известные полимеры с биодеградируемыми компонентами. Так, полиэтилен, полипропилен и полистирол пытаются совместить с крахмалом, полиэфирами и другими биоразлагаемыми добавками. Однако несмотря на то, что такие композиции условно относят к биоразлагаемым, как правило, при компостировании быстро деградирует только добавка, например крахмал, а синтетический полимер в большинстве случаев остается «несъеденным». Синтетические полимеры с использованием крахмала и других биоразлагаемых продуктов после захоронения в почве всего лишь рассыпаются на мелкие, невидимые невооруженным глазом частицы, образуя биомассу, которая может иметь токсические свойства. Достаточно привести один пример: при исследовании пленки, полученной из смеси полилактида и поливинилацетата, было установлено, что чистая полилактидная пленка разлагается за 10 ч на 52%, а с добавкой всего 5–10% поливинилацетата – за 60 ч лишь на 8%. А если поливинилацетата в смеси будет 30%, то пленка практически не разлагается. Ученые не могли не отметить бесперспективность подобных попыток – недаром число публикаций на эту тему резко уменьшилось. Однако, похоже, выход все-таки есть. Это синтез соответствующих полиэфиров и полиэфирамидов. Особенно активно в этом плане работают два химических гиганта – BASF и Bayer AG. Разлагаемые сополиэфиры получают, например, на основе алифатических диолов и органических дикарбоновых кислот по схеме:

Уже установлено, сколько терефталевой кислоты надо добавить к алифатической кислоте, чтобы полимер сохранил и нужные физико-механические свойства, и биоразлагаемость: 30–55 мол. %. На основе именно такого полиэфира в 1995 г. фирма BASF освоила промышленный выпуск полностью биоразлагаемого пластика Ecoflex F и теперь изготовляет из него мешки, сельскохозяйственную и гигиеническую пленку, ламинирует им бумагу. Механические свойства нового полимера сравнимы с таковыми у полиэтилена низкой плотности. Цена пластика Ecoflex F относительно невысока: 2,9–3,6 дол./кг в зависимости от качества. Фирма BASF также выпускает биоразлагаемые пластики на основе полиэфиров и крахмала. Не отстает и другой гигант химиндустрии – начиная со второй половины 90-х годов фирма Bayer AG крупнотоннажно выпускает новые компостируемые, биоразлагаемые в аэробных условиях термопласты на основе полиэфирамида:

Один из них прекрасно прилипает к бумаге – так можно делать влагостойкую упаковку для пищевой промышленности и сельского хозяйства. При соответствующем увлажнении мешки из такого полимера разлагаются за десять дней на биомассу, диоксид углерода и воду. Алифатический полиэфирамид другого химического строения легко перерабатывается литьем под давлением. В него можно добавлять наполнители: целлюлозу, древесную муку, крахмал, придающие ему достаточную жесткость и прочность. И тогда из него получают биоразлагаемые вазы и корзины для цветов, одноразовую посуду, предметы гигиены. Чтобы снизить стоимость материалов на основе полиэфиров и полиамидов, фирмы используют свои свободные производственные мощности, а в качестве исходного сырья применяют хорошо освоенные промышленностью продукты. Перерабатывают новые композиции в конечные изделия на стандартном оборудовании. Но ведь все могут подойти к проблеме таким же образом – было бы только желание. Тогда будет несложно освоить выпуск новых экологически безопасных и не слишком дорогих полимеров. По данным фирмы BASF, потенциальный рынок компостируемых биодеструктируемых материалов из полиэфирамидов, сополиэфиров и их смесей с крахмалом составляет в Западной Европе 200 тыс. т/год. Следует отметить, что в последние годы ученые активно ищут не только новые полиэфир-полиамидные биоразлагаемые композиты, но и содержащие уретановые, карбонатные группы, фрагменты гидроксикарбоновых кислот. Поэтому в ближайшем будущем, возможно, появится широкая гамма компостируемых изделий с высокими физико-механическими свойствами, способных к биоразложению после истечения их срока эксплуатации и по приемлемой цене. Это значит, в последнее десятилетие в получении биодеградируемых пластиков будет наблюдаться явный прорыв. Залог успешного решения столь сложной задачи заключается еще и в том, что в Европе государственные структуры в последние годы активнейшим образом взаимодействуют с крупными химическими производителями.

2.Полигидроксиалканоаты (ПГА, PHA) — семейство биоразлагаемых полимеров, включающее PHB, PHV и их сополимеры. На 2024 год материалы на основе PHA составляли около 17 % от общего объёма производства биопластиков. PHA синтезируются бактериями в условиях избытка углерода и дефицита питательных веществ (таких как азот и фосфор), накапливаясь в клетках в виде гранул. Эти полимеры способны разлагаться в различных природных средах — в почве, морской воде, а также в условиях домашнего компостирования. Наиболее часто PHA используют для производства упаковки, бумажных покрытий и текстильной продукции. Однако высокая себестоимость остаётся главным барьером для их широкого применения. Исследователи разрабатывают технологии снижения затрат, в том числе за счёт использования дешёвого и возобновляемого сырья, например прерийной травы.

3. Целлюлозные эфиры изготавливают из целлюлозы, получаемой из древесины и других растительных источников. В промышленности используют её производные — ацетаты, нитраты, пропионаты и бутераты. Эти материалы находят применение в упаковке, биокомпозитах, текстильной промышленности, а также в медицине. Целлюлозные пластики отличаются высокой прочностью, гидрофильностью и способностью к биоразложению. Однако их широкому распространению препятствуют высокая стоимость и необходимость применения токсичных растворителей или катализаторов при производстве.

4. Крахмалосодержащие композиты изготавливают на основе крахмала — дешёвого и доступного природного полисахарида, содержащегося в зерновых культурах и корнеплодах. Модифицированный крахмал смешивают с PLA или PBAT, получая биоразлагаемый материал с термопластическими свойствами, пригодный для экструзии, литья и других методов переработки. Однако по прочностным характеристикам и влагостойкости крахмалосодержащие пластики уступают полиэтилену. Наиболее известным крахмальным композитом является Mater-Bi, разработанный итальянской компанией Novamont. Этот материал широко используют для производства биоразлагаемых пакетов, упаковки, одноразовой посуды и других изделий. На 2023 год благодаря доступности и простоте переработки эти смеси занимали крупнейшую долю на рынке биоразлагаемых материалов — 41,45 %.