Biopoliolefinek előállítása

Sokan úgy gondolják, hogy a polimerek előállítása a legnagyobb fogyasztója a véges kőolajkészleteinknek, pedig ezeknek mindössze 3-4 %-át alkalmazzák ilyen célra.

Ennek ellenére, a fenntartható fejlődés miatt a társadalom, a politika és a környezetvédelem részéről egyre nagyobb az igény az olyan, megújuló nyersanyagok felhasználásán alapuló rendszerek előállítására, fejlesztésére, amelyek felvehetik a versenyt árban, tulajdonságokban és feldolgozhatóságban a jelenleg legnagyobb mennyiségben gyártott tömegműanyagokkal.

Jelen cikkemben röviden szeretném ismertetni a biopolimerek csoportosítását, azon belül pedig a biopoliolefinek (bio-polietilén, bio-polipropilén) előállítását.

Műanyagok a mindennapjainkban

A műanyagok szerves részét képezik mindennapi életünknek. Ha kicsit is körülnézünk a környezetünkben, hamar rájöhetünk, hogy ezek nélkül nehézkessé válna életünk – egyes problémák megoldhatatlanok lennének. Világgazdasági szinten vizsgálódva megállapítható, hogy a műanyagok felhasználása több évtizede gyakorlatilag töretlenül növekszik, mely elsődlegesen a speciális műszaki megoldásokban való, növekvő mértékű alkalmazásukra vezethető vissza.

A fejlettebb országokban általában nagyobb mértékű műanyag felhasználás a jellemző, így napjainkban az egy főre jutó műanyag felhasználás a társadalom jólétének jellemzésére alkalmas mérőszámmá alakult.

Biopolimerek csoportosítása

A fenntartható fejlődés érdekében egyre nagyobb az igény a biopolimerek alkalmazására. A biopolimereket két nagy csoportra bonthatjuk; az első részegységet azon polimerek alkotják, melyek építőköveit megújuló természeti forrásból nyerik, de a polimerizáció előre meghatározott reakcióparaméterek mellett, szabályozott reaktorokban következik be (pl.: politejsav, biopoliolefinek).

A második csoportot alkotják a biológiai rendszerek által létrehozott természetes polimerek, melyeket vagy közvetlenül a biomasszából nyerhetjük ki (pl.: keményítő, cellulóz, lignin), vagy ellenőrzött, szabályozott körülmények között termeltethetjük őket természetes vagy génmódosított élőlényekkel (pl. poli(β-hidroxi-butirát)).

1. ábra: Biopolimerek csoportosítása

1. ábra: Biopolimerek csoportosítása

Biopolimereket már nagyon rég óta alkalmaz az emberiség, gondoljunk csak például a cellulózra. Igazi térnyerésről viszont csak a 20. század utolsó évtizedeitől kezdve beszélhetünk, amikor is a biopolimerek előállítása és alkalmazása nagy lendületet vett. Ennek legfőbb oka a korábbiakban már említett társadalmi, politikai és környezetvédelemi nyomás, ám nem szabad elfeledkeznünk arról sem, hogy a biopolimerek kinyerése és előállítása napjainkra gazdaságosabbá vált, így áruk már képes felvenni a versenyt kőolaj alapú társaikéval.

Egyes esetekben a speciális tulajdonságokkal rendelkező biopolimerek képesek voltak gyakorlatilag teljes mértékben kiszorítani a korábbiakban alkalmazott anyagokat (pl.: orvosi varrócérna, kitin/kitozán). A legtöbb esetben viszont nem a tökéletes kiváltás volt a cél, sokkal inkább a minél nagyobb mértékű, természetes polimerrel történő helyettesítés. Ez a célkitűzés főként olyan polimerek esetében lehet számottevő, melyeket nagy mennyiségben állítunk elő és alkalmazunk (pl.: tömegműanyagok). Ezek esetében a megújuló nyersanyagforrások alkalmazása mindamellett, hogy csökkenti a fosszilis energiahordozók felhasználásának mértékét, hozzájárul a légkörben nagy mennyiségben jelen lévő üvegházhatású szén-dioxid megkötéséhez is.

Bio-polietilén előállítása

A bio-polietilén történelme manapság mindössze csak pár évre tekint vissza. Jelenleg a világon mindösszesen pár gyártó foglalkozik bio-polietilén előállítással, úgymint a Braskem, a Dow Chemical Company vagy a DuPont. Ezek közül a legnagyobb gyáregységgel a brazíliai Braskem rendelkezik, mely első üzemét 2008-ban indította. Az ipari léptékű termelés 2010-ben kezdődött meg, jelenlegi kapacitásuk pedig eléri a 200.000 tonna/évet. A cég kínálatában (a kőolajbázisú gyártókhoz hasonlóan) megtalálhatjuk a bio-HDPE, a bio-LDPE illetve a bio-LLDPE típusokat is, így az adott feladathoz számunkra legmegfelelőbb alapanyagot választhatjuk ki.

2. ábra: Bio-polietilén előállításának folyamata

2. ábra: Bio-polietilén előállításának folyamata

A bio-polietilén előállításának fő kiindulási alapanyaga a cukornád, amelynek nagy szénhidrát tartalmából fermentációs eljárással etanolt készítenek, melyet a tisztítás érdekében desztillálnak. A desztillációt követően az etanolból vízelvonással etilént állítanak elő, melyet hagyományos polimerizációs eljárásokkal alakítanak polimerré (nagy nyomású polimerizáció, Ziegler-Natta katalitikus reakció, metallocén katalitikus reakció). A granulálás végén kapott alapanyag tulajdonságaiban, megjelenésében és feldolgozhatóságában tökéletesen megegyezik a kőolaj alapú társaival. A Braskem adatai alapján, egy hektár termőterületen átlagosan 82,5 tonna cukornád termelhető, melyből körülbelül 7200 liter etanol gyártható, ez pedig végeredményben nagyjából 3 tonna bio-polietilént eredményez.

Bio-polipropilén

Sajnos mind a mai napig a bio-polipropilén előállítása jóval kisebb mértékű, mint a korábban említett bio-polietiléné. Ennek legfőbb oka, hogy a polimerizálni kívánt monomer bonyolultabb szerkezettel rendelkezik, így előállítása is nehezebbé válik. A propilén monomer előállításának lehetséges módjai a 3. ábrán láthatóak.

3. ábra: A propilén monomer előállításának lehetséges módjai

3. ábra: A propilén monomer előállításának lehetséges módjai

 

A lehetséges útvonalak esetében a leggyakoribb cél a propanol előállítása, melyből vízelvonással nyerhetjük a számunkra értékes kiindulási monomerünket, a propilént. A lehetséges útvonalak közül mindössze a napjainkban leggyakrabban alkalmazott két reakció útvonalat mutatom be.

Az első módszer esetében a kiindulási biomassza (kukorica, mezőgazdasági hulladék, egyéb szénhidrátforrás) elgázosításával (metanol köztiterméken keresztül), vagy speciális enzimek segítségével állítják elő a propanolt.

A második esetben a szénhidrátforrásból (pl.: cukornád) – a bio-polietilén előállításánál már megismertfermentációs folyamat segítségével etanolt, majd azt követően etilént nyernek. Az etilén egy részének dimerizációjával but-2-én állítható elő, melyet a kiindulási etilénnel metatézis (etenolízis) reakcióban reagáltatva, végtermékként propilént kapunk.

Az olefin metatézis olyan reakció, melyben a kétszeres kötések átrendeződése, szubsztituensek kicserélődése, rekombinációja játszódik le. Ez a folyamat minden esetben katalitikus, az átrendeződést fém-szén kettős kötést tartalmazó átmeneti fém vegyületek teszik lehetővé. A reakció megfelelő körülmények megválasztásával gyakorlatilag egyirányúnak tekinthető.

 

4. ábra: A propilén monomer előállítása metatézis reakcióval

4. ábra: A propilén monomer előállítása metatézis reakcióval

A kinyert propilén már tökéletesen alkalmas arra, hogy a hagyományos polimerizációs eljárásokkal polipropilént nyerjenek belőle, melyet a későbbiek során változatos termékek előállítására alkalmazhatnak. Ahogy azt már a korábbiakban említettem, a bio-polipropilén előállítása a bio-polietilénéhez képest kismértékben elmaradott, napjainkban is mindössze körülbelül 30 000 tonna/év.

Összefoglalás

Rövid összefoglalómban áttekintettük a biopoliolefinek (biopolipropilén, biopolipropilén) legfontosabb előállítási technológiáit. Megfigyelhettük, hogy ezek előállításának növekvő mennyisége mind a társadalmi, politikai és környezetvédelmi nyomások által kiharcolt, mind pedig a technika fejlődése által előidézett árcsökkenés által elősegített folyamatok végeredménye.

A biopoliolefinek, tágabb értelemben véve pedig a biopolimerek előállítása csökkenti a fosszilis energiahordozók mennyiségének csökkenésének ütemét, ezen kívül pedig nagymértékben hozzájárul az üvegházhatású szén-dioxid megkötéséhez is.

Nem szabad viszont elfelejtenünk, hogy az éremnek mindig két oldala van. Ahhoz, hogy a biopolimerek előállított mennyisége a megjósolt szint szerint fejlődjön újabb és újabb mezőgazdasági területeket kell művelés alá venni. Ez elsődlegesen a dinamikusan fejlődő előállítási területeken okozhat problémát, úgymint Dél-Amerikában vagy Ázsiában, ahol az alapanyag előállításához szükséges termőterületeket egyrészt az élelmiszert szolgáltató mezőgazdasággal, másrészt erdőirtással szerzik meg.

Források:

http://www.braskem.com.br/europe

http://ifbb.wp.hs-hannover.de/downloads/

http://media.trueorganicofsweden.com/2014/03/pe.png

http://polymerinnovationblog.com/wp-content/uploads/2013/04/image11.png