Получение и применение биополимеров становится все более предпочтительным по мере роста цен на нефть и другие виды нефтехимического сырья. Какова же нынешняя ситуация на этом рынке и его перспективы развития?

Примерно 98% мирового объема полимерных материалов производится из ископаемого сырья – нефти, газа, продуктов переработки угля. Рано или поздно эти запасы закончатся. Во всяком случае, по официальным данным запасов нефти в России хватит еще на 22 года, в Казахстане – на 40 лет. Ну а другие страны, не столь богатые природными ресурсами, уже сейчас вынуждены думать о своем будущем. Поэтому рост цен на нефть и газ – это объективная реальность. Помимо истощения запасов энергоносителей необходимость в изменении структуры ресурсов энергопотребления диктуется весьма тревожными климатическими изменениями, явно связанными с деятельностью человека и растущим загрязнением природной среды. Концепция устойчивого развития предполагает ведение таких форм хозяйствования, при которых необходимо умерить темпы потребления невозобновляемых видов сырья, сохранив их для будущих поколений, и активно осваивать ресурсо- и энергосберегающие технологии, а также рециклинг материалов. В свете этого в мире все большее значение приобретают экологичные материалы, получаемые из возобновляемого сырья, источником которого служит биомасса растений. Биополимеры представляют собой продукты синтеза на основе сахара, крахмала, целлюлозы, лигнина и растительных масел. По имеющимся расчетам в течение жизненного цикла биополимеров (от получения до полного перегнивания на свалке или сжигания в качестве топлива) образуется значительно меньше углекислого газа, чем у пластиков из нефтехимического сырья. Производство полимеров на основе растительного сырья – это путь сбережения энергии. Например, в сравнении с полиэтиленом при производстве каждой тонны биопластика экономится от 12 до 40 ГДж энергозатрат. Это и понятно, нефть необходимо добыть, переместить к месту переработки, далее следует процессы разгонки, крекинга, получения мономеров, синтез полимеров и все это достаточно энергозатратные стадии, в отличие от процесса получения биопластика, например, из кукурузного крахмала с применением процесса ферментации. Кроме того, биоразлагаемые пластики из натурального сырья облегчают проблему, захоронения, компостирования пластиковых отходов, в частности тарных материалов, имеющих весьма короткий жизненный цикл и составляющих значительную часть твердых бытовых отходов. Наконец, развитие «зеленых» технологий способствует развитию агропромышленного комплекса. Все это служит основаниям для бурного роста интереса в мире к биополимерам и биотопливу. В США распространено выражение «thinking outside the oil barrel» – думать за пределами нефтяного барреля, для русского уха привычнее «вне нефтяной трубы».
Потребности мирового рынка во всевозможных полимерных материалах и изделиях из них продолжают быстро расти, особенно это касается Китая, Индии и других стран Юго-Восточной Азии. В Европе спрос на пластики растет более медленными темпами, там идет в основном структурная перестройка элементов производства полимеров и изделий из них. На рисунке 1 представлена диаграмма изменения объема производства полимеров в Германии, Европейском Союзе и в мире. Как мы видим, рост производства и потребления в Европе не столь велик, как в целом в мире. По некоторым прогнозам объем мирового производства полимеров вырастет со 180 до 258 млн. т за период 2005-2010 гг. Таким образом, практически пропорционально увеличатся объемы полимерных отходов, только часть которых поступает на вторичную переработку, а в основном они скапливаются на полигонах захоронения или несанкционированных свалках (по обочинам дорог, в оврагах и на берегах рек). Согласно прогнозу доля биополимеров за тот же период вырастет с полутора процентов до 4,8%, в абсолютных цифрах с 4 до 12,5 млн. т. Свою оценку также проводила компания Toyota. Японцы полагают, что в связи с ростом интереса к возобновляемым источникам сырья к 2020 г. уже четверть мирового рынка пластмасс будет приходиться на биопластики, а это около 30 млн. т.

О большом интересе к биополимерам свидетельствует, например то, что быстрыми темпами (буквально по гиперболе) растет число патентов в сфере получения и технологии переработки биополимеров, рис. 2.

Здесь необходимо отметить, что производство биополимеров сопряжено преодолением некоторых присущих им отрицательных качеств. Например, хрупкость характерна для изделий из целлюлозы и полигидроксибутилата; плохая термопластичность и влагочувствительность свойственна полимерам на базе крахмала. Но, тем не менее, развитие науки и технологии в этой области идет быстрыми темпами. Биополимеры и композиты на их основе уже превратились из специального продукта в экономически значимый товар, который становится все более привлекательными и доступным. Этому способствуют агропромышленная интеграция, прогресс в биотехнологии, генной инженерии и селекции, а также рост производственных мощностей. Все факторы, влияющие на рынок биополимеров, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Факторы, влияющие на рынок биополимеров.

Особую популярность приобрели термопласты, композиты и пленочные материалы на основе крахмала, целлюлозы, эфиров целлюлозы, например, давно известен целлофан. Одними из наиболее перспективных заменителей традиционных пластмасс становятся поли-α-гидроксипропионаты – иначе говоря полимеры молочной кислоты, полилактаты (ПЛ). Мономером для производства ПЛ служит молочная кислота, которую получают ферментацией углеводов (глюкозы, сахарозы, лактозы) или неочищенного сырья (крахмала, патоки или молочной сыворотки) с помощью бактерий типа Lactobacillus, Pediococcus, Lactococcus и Streptococcus, а также некоторых грибковых штаммов типа Rhizopus Oryzae. Синтез ПЛ из молочной кислоты может проходить методами объемной поликонденсации или через получение лактида, и последующей его полимеризации с раскрытием цикла. Последний метод более предпочтителен, поскольку позволяет получать высокомолекулярный полилактат. Приемлемые механические, барьерные и эстетико-гигиенические свойства полилактата позволяют использовать его в качестве пищевого тарного материала, практически не уступающего по качеству полиэтилентерефталату.
Разлагаемые пластики из растительного сырья идут на изготовление пленочной, пористой и многослойной упаковки пищевых и косметических изделий, а также для производства всевозможных товаров длительного пользования, автодеталей, корпусов сотовых телефонов, и даже применяются для инкапсулирования и доставки некоторых лекарственных форм.
Мировым лидером в производстве полилактатов (140 тыс. т/год) является компания Cargill Dow, г. Блэйр штата Небраска, США. Из полилактатов производят различные изделия: одноразовую посуду, обертку для конфет, пленочные материалы, упаковку типа блистерной, продукцию из вспененного материала, табл. 2. Пленочные материалы из биопластиков используют для мульчирования, так как они тут же в почве и перегнивают.

Таблица 2. Примеры практического использования полилактатов.

Многие люди оставляют посуду из пластика, пакеты, одноразовые столовые приборы после пикника на природе. В данном случае можно особенно не беспокоиться о дальнейшей судьбе такого мусора. Ведь достаточно посуду и тару из биопластика просто прикопать землей и несколько недель спустя все естественным образом превратится в перегной. Также и на свалках, биопластики разлагаются, превращаясь в промышленный перегной и, следовательно, отпадает проблема захоронения и утилизации. Это, конечно, является неоспоримым преимуществом биополимеров.
Одним из ограничивающих факторов завоевания рынка биопластиками до недавнего времени была их относительно высокая цена, но с учетом запускаемых высокопроизводительных заводов по их производству этот фактор быстро теряет свою значимость. Биополимеры намного лучше, чем синтетические полимеры, удовлетворяют требованиям европейской директивы 94/62/ЕС от 31 декабря 1994 г., в которой процедура компостирования прописана, как неотъемлемый элемент схемы утилизации отходов. Поэтому они представляют собой лучшую альтернативу традиционным пластикам с точки зрения необходимости резкого сокращения количества пластикового мусора, отправляемого на муниципальные свалки.
Получение и применение биополимеров становится все более предпочтительным по мере роста цен на нефть и другие виды нефтехимического сырья. Биополимеры, в отличие от нефтепродуктов, практически не вносят вклад в пополнение парниковых газов и глобальное потепление. Следовательно, развивающие это направление компании, страны, автоматически освобождаются от квот на выбросы, налагаемых Киотским протоколом. Евросоюз уже взял на себя обязательства с 2008 по 2012 гг. сократить объем выбросов СО2 в атмосферу на 8% относительно уровня 1990 г. Аналогичное обязательство приняла на себя и Япония, в этот период она планирует сократить выбросы углекислого газа на 6%. Россия же, в связи с процессами происходившими после распада СССР, очень далека от того уровня выбросов, которые были в 1990 г., и поэтому нас эта проблема пока не очень волнует. Периодически возникают вопросы о том, что Россия может позволить себе продавать свои квоты на выбросы другим странам. Однако наша страна достаточно быстро настигает развитые страны по объему выбросов. Большая часть выбросов приходится на транспорт, а на упаковку примерно 10-15%. Необходимо отметить, что в смежной с биополимерами области разработки биотоплив наблюдаются очень серьезные подвижки.
Возвращаясь к полимерам можно сказать, что за предстоящие десять лет мировой рынок полимеров будет расти как никогда быстро и в основном за счет азиатских стран. В среднем потребление пластиков на душу населения вырастет с 24,5 кг (в 2005 г.) до 37 кг (к 2010 г.). Более четверти всего объема производимых полимеров приходится на упаковочные материалы с очень коротким жизненным циклом.
Среди биопластиков основную долю составляет сейчас термопластичный крахмал – около 80% рынка. Его значение, по-видимому, сохранится и далее. Ожидается, что в ближайшие годы будет расти использование полилактатов, полигидроксибутиратов, полигидроксивалератов, и изополимеров на их основе. Пока цены на биополимеры находятся в диапазоне 3,5-15 долл./кг, конечно обычные полимеры дешевле, их стоимость сейчас составляет 1-1,5 долл./кг. В среднем биополимеры в 2,5-7,5 раз дороже полимеров из нефтяного сырья. Однако стоит отметить, что еще пять лет назад эта разница была на порядок больше, она составляла 30, 70, а то и 100 раз. Так можно представить, насколько быстро сокращается стоимость биопластиков.
Важно то, что производители такого рода материалов, всегда вправе рассчитывать на покровительство местных властей, поскольку предельно упрощается вопрос утилизации отходов и поиска новых мест под полигоны захоронений. Экологичность материалов и продуктов становится все более значимым фактором рекламы и продвижения товара на рынок. Поэтому в проектах по биопластикам охотно участвуют многие интернациональные корпорации – это Coca-Сola, Procter&Gamble, Toyota, Mitsubishi, Sony и многие другие компании, и торговые сети.
Рынки Европейского Союза и Соединенных Штатов достаточно насыщены, в этих регионах рост объемов потребления пластиков не будет значительным, а произойдет структурная перестройка рынка, обусловленная быстрым наращиванием производства и потребления биополимеров. Сценарий развития этой сферы представлен на рисунке 3, где верхняя кривая отражает оптимистический прогноз, а нижняя – пессимистический.

 
Рис. 3. Перспективы роста биополимеров в Европе.