Стаканчик из кукурузы: как початок становится пластиком

Из початка — в сахар: что берут от кукурузы

Для производства биопластика нужны кукуруза и бактерии. Кукурузу используют не сладкую, из огорода, а кормовую. Её не едят, зато в зёрнах много крахмала: эндосперм (внутренняя часть зерна) этого сорта растения составляет около 80% его веса. И именно крахмал становится исходным сырьём, из которого в конечном счёте бактерии сделают полилактид (PLA) — биопластик на основе молочной кислоты.

Чтобы извлечь этот крахмал, зёрна замачивают в слабом растворе диоксида серы и механически дробят — так отделяют крахмал от белка, масла и клетчатки. Крахмал промывают до чистоты выше 99,5%, чтобы на выходе получить белый порошок, неотличимый на вид от обычного кулинарного.

Крахмал — это полимер. Это значит, что он состоит из тысяч молекул глюкозы, скреплённых химическими связями в длинные цепочки.

Сам по себе он слишком велик, чтобы бактерии могли его использовать: молекула крахмала не проходит сквозь клеточную мембрану, поэтому бактерии способны работать только с отдельными молекулами глюкозы. 

Чтобы разобрать крахмал на пригодные куски, в производстве используют ферменты амилазы. Они разрывают связи между молекулами глюкозы в цепочке — сначала разжижают крахмал при температуре 90–130 °C, а затем доводят расщепление до отдельных молекул глюкозы. На выходе получается концентрированный глюкозный сироп — именно он поступает на следующий этап, где в дело вступают бактерии.

Как бактерии делают пластик

Глюкозный сироп, который получился на предыдущем этапе, поступает в большие ферментационные чаны. Там в сироп добавляют молочнокислые бактерии, чаще всего разные виды лактобацилл — Lactobacillus delbrueckii, Lactobacillus casei и другие. Бактерии поглощают глюкозу и в процессе обмена веществ превращают её в молочную кислоту (то же самое вещество, которое делает йогурт кислым и заставляет мышцы гореть после пробежки).

Разница лишь в масштабе: в промышленном чане этот процесс идёт непрерывно, в строго контролируемых условиях температуры и кислотности, на протяжении нескольких суток.

Молочная кислота — это ещё не пластик, но уже строительный блок для него. Чтобы получить полимер из этого вещества, молекулы молочной кислоты нужно соединить в длинные цепочки. Однако напрямую это сделать сложно: при обычной поликонденсации (простом «склеивании» молекул друг с другом) в реакции выделяется вода, которая мешает цепочкам расти достаточно длинными, а значит, материал получается хрупким и непригодным для упаковки. Поэтому в производстве используют обходной путь: молочную кислоту сначала превращают в лактид — небольшую кольцеобразную молекулу, состоящую из двух звеньев молочной кислоты.

Лактид становится своего рода «замко́м»: его кольцо можно раскрыть и использовать как звено для строительства длинной цепи. Именно это и происходит на этапе полимеризации: под действием катализатора кольца лактида раскрываются одно за другим и соединяются в длинные полимерные цепочки без выделения воды. Это позволяет им вырасти до нужной длины и дать материалу прочность. 

На выходе получаются гранулы PLA — полилактида. Внешне они неотличимы от обычного пластика, по свойствам тоже: прозрачные, жёсткие, хорошо плавятся и формуются. Только сделаны не из нефти, а из кукурузного сахара.

Что производят из PLA

Дальше гранулы плавят, прессуют и формуют в готовые изделия. Выбор изделий не случаен — он определяется конкретными свойствами материала. PLA прозрачен, жёсткий, хорошо держит форму и безопасен для контакта с едой. При этом у него есть важное ограничение: температура размягчения — всего 55–60°C, поэтому при нагреве он деформируется.

Чаще всего PLA используют для:

1. Одноразовой упаковки для холодной еды — стаканчиков для смузи и холодного кофе, контейнеров для салатов, зелени и готовой еды. Прозрачность даёт покупателю возможность видеть содержимое, жёсткость удерживает форму при перевозке.

2. Нитей для 3D-принтеров — PLA занимает крупнейшую долю рынка среди всех материалов для 3D-печати. Материал плавится при относительно низкой температуре, не коробится при печати и не требует специального оборудования — это делает его удобным для домашних принтеров, учебных заведений и небольших производств.

3. Плёнок и пакетов для упаковки свежих продуктов — фруктов, овощей, хлебобулочных изделий.

Всё это — изделия с коротким сроком жизни, которые не нагреваются выше комнатной температуры.

А вот горячий кофе или суп в стаканчике из PLA — плохая идея: как мы говорили выше, при температуре выше 50 °C материал начинает размягчаться и деформироваться. Поэтому стаканчики для горячих напитков по-прежнему делают из бумаги с полиэтиленовым покрытием или из полипропилена.

Видимость экологичности: почему PLA не гниёт на даче

На стаканчике из PLA часто стоит значок листочка и слово «компостируемый». Покупатель выбрасывает его в компостную яму и чувствует, что сделал правильное дело. Но стаканчик там просто лежит месяц, два, год — и почти не меняется. Всё дело в том, что в обычной домашней компостной яме температура редко поднимается выше 30–40 °C, а PLA начинает разлагаться только при устойчивом нагреве выше 58 °C. Без этого тепла полимерные цепочки не разрушаются, микроорганизмам нечего есть — и материал остаётся нетронутым.

Чтобы PLA действительно разложился, нужны условия промышленного компостирования: 

1. температура от 58 °C;

2. высокая влажность; 

3. достаточно времени — несколько месяцев в управляемой среде. 

При таких условиях сначала происходит гидролиз: вода и тепло разрывают полимерные цепочки на короткие фрагменты молочной кислоты. Только после этого в дело вступают микроорганизмы, которые доедают эти фрагменты и превращают их в воду, углекислый газ и биомассу. При промышленном компостировании весь цикл занимает около 90 дней. В домашней яме этот процесс практически не идёт.

Отсюда и путаница с маркировкой. Слово «биоразлагаемый» на упаковке технически верное: при нужных условиях PLA действительно разлагается. Но большинство потребителей не имеют доступа к промышленным компостерам, а производители редко объясняют разницу между «разложится на заводе» и «разложится само». В итоге стаканчик, который покупали как экологичную альтернативу, чаще всего оказывается на свалке, где ведёт себя ровно так же, как обычный пластик.

Что происходит с PLA после урны

Предположим, потребитель не выбросил стаканчик в компост, а положил его в контейнер для переработки рядом с бутылками из ПЭТ. Хотя визуально они неотличимы, по химическому составу это разные материалы: 

• ПЭТ плавится при температуре около 260 °C;

• PLA начнёт плавиться уже при 150–180 °C. 

Если PLA попадает в партию ПЭТ на переработку, он плавится раньше, забивает оборудование и портит качество всей партии вторсырья. Именно поэтому переработчики не принимают кукурузный пластик в обычный поток: присутствие даже небольшого количества этого материала нарушает весь процесс.

Теоретически PLA можно отсортировать с помощью инфракрасных сканеров — они различают полимеры по спектру отражения. Такие установки существуют и работают в современных сортировочных центрах. Но на практике большинство заводов по переработке не оснащены оборудованием, способным надёжно выловить PLA из общего потока, а сортировщики на конвейере не могут остановить линию, чтобы проверить каждый стаканчик.

Правильный путь для PLA — промышленный компостер, но во всём мире таким оборудованием оснащено менее 20% мощностей по переработке отходов, а в большинстве стран такая инфраструктура почти отсутствует. В США, например, объектов промышленного компостирования, принимающих упаковку из кукурузного пластика, насчитывается около 200 на всю страну с населением 330 миллионов человек.

Получается замкнутый круг: материал разработан как экологичная альтернатива, но инфраструктура для его правильной утилизации пока не успевает за его производством. Пока этот разрыв не закрыт, большинство стаканчиков из кукурузного сахара заканчивают жизнь там же, где и обычный пластик — на полигоне.