PETrecycling CZ je nekomerční, nezávislý, volně přístupný, nesponzorovaný český webový portál.

Můj závěr intensivního studia nejnovějších výsledků V&V zní:
"V současnosti existuje jediný efektivní a motivující systém na podporu environmentálně a ekonomicky nejvhodnějšího způsobu sběru nápojových jednocestných obalů (PET, ALU a skla) a tím je jejich zálohování a zpětný odběr moderními odběrními automaty.

Stanislav Obruča
Polyhydroxyalkanoáty - přirozeně odbouratelné plasty

Ve druhé polovině 20. století došlo k raketovému nárůstu produkce skupiny materiálů, které se do té doby na naší planetě nenacházely. Jedná se o takzvané syntetické polymery, často označované jako plasty.

Tato skupina materiálů je velice různorodá ve svých vlastnostech i ve svém praktickém využití, ale většina z nich má jednu společnou vlastnost – vysokou rezistenci, která způsobuje jejich těžkou odbouratelnost přirozenými procesy. Především této vlastnosti plastů „vděčíme“ za stále rostoucí množství pevného odpadu, z kterého velkou část představují právě syntetické polymery.

Právě ekologické ale také ekonomické aspekty (odpad je drahý – je třeba jej odvézt a skladovat v případě syntetických polymerů po velice dlouhou dobu) jsou důvodem, proč se lidé snaží nalézt řešení problému tvorby odpadu.

V principu existují tři možné strategie.

První je připravit tak rezistentní a kvalitní materiály, které bude možno používat velice dlouhou dobu a nebudou tvořit odpad.

Druhou strategii představuje příprava plastů opakovaně použitelných, tedy recyklovatelných.

Třetí, ne však nejméně důležitou strategií, je příprava plastů snadno odbouratelných, neboli biodegradovatelných (proces při kterém v přírodě dochází k odbourání materiálu se nazývá biodegradace).

Právě třetí strategie představuje dobrou volbu například pro jednorázově používané předměty denní potřeby. Ovšem jak připravit takové materiály, které budou v přírodě snadno rozložitelné? Jednou z možností je otevřít oči a rozhlédnout se. Řada živých systému (především rostlin a mikroorganismů) produkuje materiály, které mají potenciál nahradit syntetické polymery připravované především z ropy.

Jedním z takových matriálů, které můžeme najít v přírodě, jsou polyhydroxyalkanoáty. Jedná se o přírodní polymery, které produkuje řada bakterií jako zásobní zdroj uhlíku a energie.

Proč jsou však právě polyhydroxyalkanoáty tak zajímavé? Je to dáno především jejich vlastnostmi.

Polyhydroxybutyrát se svými mechanickými vlastnostmi velmi podobá polypropylenu, tedy materiálu, který ve formě různých fólií a misek často používáme. Na rozdíl od něj je však v přírodě rozložitelný v rozumném časovém horizontu. Zatímco rozpad polyhydroxybutyrátu například v prostředí skládky trvá řádově měsíce, u polypropylenu můžeme uvažovat o desítkách let až o staletích.

Nevýhodu polyhydroxybutyrátu je, že se poblíž svého bodu tání rozkládá, je tedy obtížné jej tavit a to znesnadňuje jeho zpracování. Pokud je však do struktury zabudován jiný monomer (např. 3-hydroxyvalerát), tak u takto vzniklého kopolymeru tento problém odpadá a mechanické vlastnosti se dále výrazně zlepší. Právě možnost kopolymerizace nabízí široké možnosti přípravy materiálů o různých mechanických vlastnostech, ale také o různé biodegradabilitě a tedy potenciální možnost regulovat poločas rozpadu a mechanické vlastnosti připraveného materiálu.

Už v roce 1976 britská společnost Imperial Chemical Industrie (ICI) rozpoznala potenciál polyhydroxybutyrátu nahradit syntetické polymery připravované z ropy. Přestože bakteriální produkce polyhydroxybutyrátu byla drahá, předpokládalo se, že prudký růst cen ropy umožní rentabilní bakteriální výrobu polyhydroxybutyrátu.

Princip bakteriální výroby spočívá v kultivaci vhodné bakteriální kultury ve speciální nádobě o velkém objemu – fermentoru. Bakteriím jsou nastaveny podmínky (teplota, živiny, pH prostředí atd.) tak, aby došlo k maximální produkci polymeru. V čase, kdy dojde k vytvoření největšího množství polymeru, je produkt z bakterií extrahován a nakonec čištěn. Proces je po finanční stránce dosti náročný. Drahé jsou živiny pro bakterie, nákladné je  udržení požadovaných podmínek a ekonomicky náročná je především izolace a čištění produktu.

Pro vysvětlení ekonomické situace je lépe uvést několik čísel. Bakteriálně produkovaný polyhydroxyalkanoát je asi 5-10krát dražší než například konkurenční polypropylen nebo polyetylen (jejich cena se pohybuje okolo 0,25-0,5 $/kg). Obchodní cena Biopolu připraveného firmou ZENECA BioProducts, dceřiné společnosti ICI, se pohybovala okolo 16 $/kg. Díky vývoji fermentační a purifikační technologie a využití metod genového inženýrství se podařilo snížit cenu na přibližně 4 $/kg, ale i to je pořád hodně.

Proto se současný vývoj ubírá jiným směrem.

V roce 1996 odkoupila americká firma Monsanto materiál Biopol od firmy ZENECA BioProducts. Firma Monsanto se pokouší vyrábět Biopol pomocí transgenních rostlin. Tedy původně bakteriální geny byly pomocí metod genetického inženýrství přeneseny do rostlin, které po genetické modifikaci  produkují polymer. To by mělo snížit náklady na výrobu. Firma Monsanto vkládá naděje především do transgenní sóji a řepky olejné, které by  měly produkovat polyhydroxybutyrát s vysokým hektarovým výnosem. 

Po překonání některých problémů  například vysoká exprese acetoacetyl-CoA reduktázy výrazně snižuje růst rostlin a produkci semen v porovnání s divokým kmenem stejné rostliny) se pravděpodobně produkce polyhydroxyalkanoátů bude směřovat na transgenní rostliny, což značně sníží náklady. Cena by se mohla přiblížit například ceně škrobu a pohybovat se okolo 1 $/kg a tím by se mohly polyhydroxyalakanoáty stát ekonomicky konkurenceschopnou alternativou tradičních syntetických polymerů. Využití bakterií bude v dlouhodobém horizontu spíše v oblasti syntézy speciálních kopolymerů, případně v oblasti výzkumu.

POUŽITÁ LITERATURA

• Chiellini E, Gil H. Braunegg G., Burchert  J., Gatenholm P., van der Zee M. Biorelated Polymers - Sustainable Polymer Science and Technology. Springer – Verlag, 2001.125-165 s. ISBN 1-59124-649-0.
• Sudech K., Abe H., Doi Y. Synthesis, structure and properities of polyhydroxyalkanoates: biological polyesters, Progres in Polymeric Science, 2000, vol. 25. 1503-1555 s. ISSN 0079-6700.
• Flickinger, Michael C.; Drew, Stephen W. Encyclopedia of Bioprocess Technology – Fermentation, Biocatalysis, and Bioseparation, Volumes 1-5. John Wiley & Sons, 1999. 2024-2133 s. ISBN 1-59124-457-9.
• Sanchez R.R., Rieumont J.B.,  Cardoso S.L., da Silva M.G., Sthel M.S., Massunaga M.S.O, Gates C.N., Vargas H. Photoacoustic Monitoring of Internal Plastification in Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) Copolymers: Measurements of Thermal Parameters, Journal of the Brazilian Chemical Society, 1999, vol. 10, 97-103 s. ISSN 1678-4790.
• Khanna S., Srivastava A.K. Recent advances in microbial polyhydroxyalkanoates, Process Biochemistry, 2005, vol. 40, 607-619 s. ISSN 1359-5113.
• Poirer Y., Nawrath C., Somerville C. Production of polyhydroxyalkanoates, a family of biodegradable plastics and elastomers, in bacteria and plants, Biotechnology,1995, vol. 13,142-150 s. ISSN 0273-3226.
• Choi J. , Lee S. Y. Economic considerations in the production of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) by bacterial fermentation, Applied Mikrobiology and Biotechnology, 2000, vol. 53 , 646-649 s. ISSN 0175-7598. 

Související články: 

• Vědci objevili chybějící článek rostlinné biosyntézy vitamínu C
• Biotechnologické postupy při čištění odpadních vod