Биополимеры и биопластики

Почти вся путаница в этой области возникает оттого, что один вопрос принимают за два или два за один. Эта страница задаёт различения, на которые опирается весь остальной кластер.

Две независимые оси

Откуда взялся углерод и что происходит в конце жизни — свойства несвязанные. Существуют и коммерчески представлены все четыре сочетания.

Из возобновляемого сырья и стойкий: био-ПЭ из тростникового этанола, био-ПЭТ, био-ПА11. Химически они неотличимы от ископаемых аналогов — та же молекула, тот же поток переработки и та же стойкость в среде. Их довод относится к сырью и к углеродному учёту.

Из ископаемого сырья и биоразлагаемый: ПБАТ и поликапролактон нефтехимичны и сертифицированы как компостируемые. Разлагаемость есть свойство химии цепи, а не сырья.

Из возобновляемого сырья и биоразлагаемый: ПЛА, ПГА, крахмальные смеси. Ни то ни другое: обычные полиолефины.

Полимер разлагается потому, что у микроорганизмов есть ферменты, расщепляющие его остов, и они способны до него физически добраться. Углерод-углеродный остов полиэтилена не предлагает гидролизуемой связи; сложноэфирный — предлагает. Происхождение сырья ферменту не видно.

Биоразложение ферментативно, и медленным является первый шаг

Минерализация идёт в две стадии: внеклеточные ферменты режут цепь на фрагменты, проходящие сквозь мембрану, а затем микроорганизм метаболизирует их до CO₂, воды и биомассы. Внутри клетки происходит только вторая стадия, значит первая обязана идти на поверхности твёрдого тела, ферментами, которые внутрь не проникают.

Отсюда три следствия. Разложение есть поверхностное явление: один и тот же полимер плёнкой и литой крышкой разлагается за разные сроки. Первыми уходят аморфные области, поскольку в кристаллических доменах цепи упакованы слишком плотно, чтобы фермент за них взялся, — то есть кристалличность есть переменная скорости. И в среде должны присутствовать организмы с нужным ферментом, что не разумеется само собой.

ПЛА и ПГА различаются принципиально, и в этом различии весь урок

ПЛА — случай контринтуитивный. Лимитирующий первый шаг у него вовсе не ферментативный, а химический гидролиз сложноэфирных связей, а для него вода должна проникнуть в твёрдое тело. Ниже температуры стеклования ПЛА, примерно 55–60 °C, цепи заморожены и вода почти не входит. Выше неё они обретают подвижность, и гидролиз резко ускоряется.

Именно поэтому промышленное компостирование при 58 °C работает, а всё прочее нет. В домашней компостной куче, в почве, в озере или в море ПЛА находится ниже своей температуры стеклования и держится годами. ПЛА действительно компостируем и действительно не разлагается в море, и оба утверждения — об одной и той же физике.

ПГА ведёт себя противоположно. Это внутриклеточный запас углерода, который бактерии эволюционно научились накапливать и затем потреблять, поэтому деполимеразы ПГА широко распространены в почве, пресной воде и морских отложениях. ПГА разлагается при обычной температуре в неуправляемых средах — как раз то, чего ПЛА лишён.

Что удостоверяют стандарты и чем не является фрагментация

Всякое честное заявление о разлагаемости называет среду и срок, потому что их называют стандарты.

Промышленное компостирование — EN 13432, ASTM D6400, ISO 17088 — требует примерно 90-процентного превращения в CO₂ за 180 суток в термофильных условиях, распада до частиц мельче 2 мм за 12 недель, пределов по тяжёлым металлам и теста на экотоксичность по всхожести растений. Оно удостоверяет поведение на управляемом объекте при повышенной температуре.

Домашнее компостирование (схема TÜV Austria OK compost HOME, французская NF T51-800), почва (EN 17033, ISO 17556) и море (ISO 22403, ISO 19679) — отдельные сертификации при более низких температурах и на бо́льших сроках. Прохождение одной ничего не говорит об остальных.

Наконец, фрагментация не есть биоразложение. Оксоразлагаемые пластики содержат соли переходных металлов, ускоряющие разрыв цепей под УФ и теплом, отчего изделие распадается на невидимые частицы того же стойкого полимера. Директива ЕС об одноразовом пластике (ЕС) 2019/904 их запрещает, и это рассуждение обобщается: конечной точкой является минерализация до CO₂ и биомассы, а всё, что не доходит до неё, есть лишь изменение размера частиц.