Termin biodegradacja obejmuje rozkład substancji chemicznych (np. polimerów) pod wpływem makro- i mikroorganizmów na H2O, CO2 i nietoksyczne związki chemiczne. Proces ten wykorzystuje np. polimer jako źródło energii i węgla dla organizmów, które go rozkładają.

Biodegradacja (degradacja biotyczna) jest specyficzną właściwością niektórych polimerów, z których wykonane są tworzywa. Jest to proces, w którym materiał polimerowy rozkłada się pod wpływem czynników biotycznych (żywych organizmów). Biodegradacja może zachodzić w warunkach tlenowych i jest to wówczas rozkład biologiczny zachodzący w obecności tlenu lub powietrza, w czasie którego węgiel zawarty w makrocząsteczkach zostaje przekształcony do dwutlenku węgla i biomasy, jak również biodegradacja może przebiegać w warunkach beztlenowych, kiedy zachodzi bez udziału tlenu lub powietrza, a węgiel zostaje przekształcony do metanu i biomasy. Z kolei proces rozkładu, w którym substancja organiczna, taka jak polimer, jest przekształcana w prosty związek nieorganiczny, taki jak dwutlenek węgla, nazywa się mineralizacją.

Polimer jako źródło pożywienia

Mikroorganizmy biorące udział w biodegradacji (bakterie, grzyby, glony) rozpoznają polimery jako źródło związków organicznych (np. proste monosacharydy, aminokwasy, itd.), które przetwarzają na energię potrzebną do życia, a polimery biodegradowalne traktowane są jako źródło pożywienia. Pod wpływem enzymów wewnątrz- i zewnątrzkomórkowych wytworzonych przez mikroorganizmy (endo- i egzoenzymy) polimer ulega reakcjom chemicznym, powodującym jego degradację. W wyniku biodegradacji, na który może mieć wpływ szereg różnych czynników, powstają coraz mniejsze cząsteczki, będące substratami wchodzącymi w cykle metaboliczne wielu procesów komórkowych, w których wytwarzana jest energia, woda, dwutlenek węgla, biomasa i wiele innych produktów rozkładu. Te produkty są nietoksyczne i występują normalnie w przyrodzie oraz w organizmach żywych. To sprawia, że wykorzystując proces biodegradacji można z tworzywa otrzymać składniki naturalne.

Na proces biodegradacji wpływa wiele czynników – struktura polimeru, rodzaj enzymu wytwarzanego przez różne mikroorganizmy, a także zmienne warunki zachodzących reakcji, co sprawia, że trudno jest ten proces zdefiniować jednoznacznie. Zasadniczo, reakcje chemiczne zachodzące podczas biodegradacji można podzielić na dwie grupy: reakcje utleniania oraz hydrolizy. Reakcje te mogą przebiegać jednocześnie lub kolejno. Rozkład polimerów kondensacyjnych (np. poliestry i poliamidy) odbywa się zwykle poprzez hydrolizę, podczas gdy rozkład polimerów, w których główny łańcuch zawiera tylko atomy węgla (np. alkohol poliwinylowy, lignina) obejmuje utlenianie, po którym może następować hydroliza produktów utleniania.

Na poziomie makroskopowym oznakami degradacji jest fragmentacja (pękanie, łamanie, kruszenie się) wytworów z tworzywa, a także zmiana ich koloru i cech powierzchniowych). Pogorszenie się właściwości wytrzymałościowych jest przede wszystkim wynikiem skracania się łańcucha polimerowego, którego długość wpływa na właściwości polimerów i tworzyw. Skrócenie łańcuchów polimerowych skutkuje utratą własności mechanicznych, takich jak wytrzymałość na rozciąganie, zginanie czy wydłużenie przy zerwaniu.

Bio- nie zawsze znaczy to samo

Dwie główne grupy biopolimerów stanowią: polimery wytwarzane na bazie związków organicznych oraz biodegradowalne tworzywa sztuczne. Polimery otrzymywane ze związków organicznych pochodzą ze źródeł biomasy i nie zawsze ulegają biodegradacji. Z drugiej strony, tworzywa charakteryzujące się biodegradowalnością mogą być wykonane zarówno z naturalnych (odnawialnych) jak i kopalnych (nieodnawialnych) źródeł. W 2012 roku IUPAC wprowadziło zalecaną terminologię dla polimerów biopochodnych, w której pojawiły się dwa kolejne rodzaje tworzyw, a mianowicie polimery oxo-biodegradowalne oraz bio-nanokompozyty.

Biopolimery organiczne – są otrzymywane z produktów biologicznych wytworzonych z biomasy. Polimery te są otrzymywane bezpośrednio z biomasy (na przykład skrobi lub celulozy) bądź wytwarzane przez drobnoustroje w procesach fermentacyjnych (na przykład polihydroksyalkaniany PHA) z wykorzystaniem odpowiedniego źródła węgla. Ponadto biomasa roślinna może być chemicznie lub biokatalitycznie przekształcona w związki chemiczne służące do otrzymywania polimerów (np. poliaktyd PLA, bio-poliolefiny). Jednakże biopolimery organiczne nie muszą składać się wyłącznie z produktów odnawialnych; mogą również zawierać surowce oparte na paliwach kopalnych. Tworzywa sztuczne oparte na związkach organicznych są powszechnie wytwarzane z bogatych w węglowodany roślin spożywczych, takich jak kukurydza lub trzcina cukrowa (surowce pierwszej generacji). Surowce drugiej generacji pochodzą z upraw nieżywnościowych, czego przykładem jest lignoceluloza, którą można przekształcić w różnorodne związki organiczne, odpowiednie do produkcji różnych biopolimerów. Do produkcji biopolimerów wykorzystuje się również biomasę pochodzącą od zwierząt (na przykład serwatka lub chitozan), a także biomasę roślinną bogatą w białko lub tłuszcze (na przykład izolat białka sojowego, olej rycynowy).

Polimery biodegradowalne – powinny być mineralizowane przez działanie mikroorganizmów w ich naturalnym środowisku (np. w glebie, wodach powierzchniowych lub w kompostach). Produkty biorozkładu to energia, biomasa, woda i dwutlenek węgla lub metan, w zależności od obecności lub braku tlenu. Polimery mogą być oznaczane jako kompostowalne, jeśli produkty ich rozkładu spełniają warunki określone w odpowiednich normach (np. EN 13432:2000). Zgodnie z EN 13432:2000 co najmniej 90% materiału musi być przekształcone w dwutlenek węgla w przemysłowych kompostowniach w ciągu 6 miesięcy, a w tym okresie cząstki tworzywa muszą zostać rozdrobnione w pozostałości o wymiarach poniżej 2 mm. Proces kompostowania nie powinien mieć wpływu na wzrost roślin, a parametry fizykochemiczne kompostu nie powinny zmieniać się w obecności biodegradowalnego tworzywa sztucznego. Materiały zgodne z EN 13432:2000 niekoniecznie są biodegradowalne w prywatnych kompostach, nawet jeśli są certyfikowane jako kompostowalne.

Tworzywa oxo-biodegradowalne – są to tworzywa sztuczne ulegające biodegradacji ozonowej. Są to głównie poliolefiny, takie jak polietylen (PE) i polipropylen (PP). Zwykłe poliolefiny są ogólnie stabilizowane przez dodanie przeciwutleniaczy, natomiast oxo-biodegradowalne PE i PP zawierają dodatkowe związki chemiczne, zwane prodegradantami, które mają na celu przyspieszenia degradacji po pewnym czasie. Prodegradanty zwiększają utlenianie polimerów tlenem z powietrza, co czyni je bardziej podatnymi na degradację mikrobiologiczną, co skutkuje późniejszą mineralizacją. Typowe prodegradanty zawierają sole metali przejściowych lub są pozbawionymi soli metali cząsteczkami organicznymi z grupami ketonowymi lub skoniugowanymi wiązaniami podwójnymi (na przykład benzofenony, ditiokarbaminiany). Tworzywa oxo-biodegradowalne utleniają się w wodzie, a przebieg i efekty ich rozpadu są inne niż określone w normach określających ogólną biodegradowalność lub kompostowalność. Produkty oxo-biodegradowalne ulegają całkowitemu rozkładowi na wodę, dwutlenek węgla i znikome ilości biomasy w czasie nie dłuższym niż 3 lata. Mogą one rozłożyć się samoczynnie pod wpływem działania takich czynników fizycznych, jak promieniowanie słoneczne, ciepło, ciśnienie oraz uszkodzenia mechaniczne. Pod wpływem tych czynników aktywowane zostaje działanie prodegradantu, który wnika do struktury cząsteczki polimeru i powoduje jej rozpad do niewielkich fragmentów. W ten sposób powstają cząsteczki z ugrupowaniami karboksylowymi, hydrokarboksylowymi i alkoholowymi, które są bioasymilowane przez mikroorganizmy. Degradacja następuje niezależnie od tego, czy odpady znajdują się głęboko na wysypisku, pod wodą czy też na otwartym powietrzu – mogą też być poddawane recyklingowi.

Bio-nanokopozyty – są szczególnym przypadkiem biopolimerów, które można wykorzystać do pakowania żywności. Bio-nanokompozyty składają się z matrycy biopolimerowej stabilizowanej nanocząsteczkami (np. glinki organiczne, nanocząstki srebra). Wprowadzenie nanocząstek do matrycy biopolimerowej powoduje wyraźną poprawę różnych właściwości tworzywa, w tym wytrzymałość mechaniczną, właściwości barierowe oraz stabilność termiczną i chemiczną.

Cały artykuł został opublikowany w nr 2/2017 kwartalnika "Kierunek spożywczy''.