Biologicky degradovatelné obalové materiály ze zemědělského odpadu

Letní žabky (vietnamky), zahradní květináče, nášlapné zahradní kameny a venkovní terasy mají ve skutečnosti něco společného. Pokud vycházejí z práce provedené inženýry Agricultural Research Service (ARS) Ministerstva zemědělství USA (USDA), všechny tyto výrobky mohou být vyráběny ze zemědělského odpadu a jsou úplně biologicky degradovatelné.

Inženýři pracují na široké škále kompozitních materiálů využívajících odpady, jako jsou ostnatá oplodí bavlníku, obaly bavlníkových semen, kukuřičný škrob, sádra, bombajské konopí (Hibiscus cannabinus), len, indiánská tráva (vytrvalé rákosovité proso, Panicum virgatum) a pšeničná sláma.

Jeden ze současných projektů připravuje druh biomasy, který se hodí právě pro využití v novém procesu, ze kterého doslova rostou obalové materiály na zakázku. Tento proces zahrnuje spojení odpadu po čištění bavlny a houby uvnitř formy, kde se z těchto dvou složek stane jedna, což vede k houbovitě vypadající materiálu vzhledem podobnému polystyrénové pěně. Na zakázku tvarovaný konečný produkt poskytuje levnou “zelenou” alternativu extrudované balící polystyrénové pěny - s předpokládaným trhem 2 miliardy amerických dolarů. Výrobky zahrnují obaly, které chrání během přepravy, například počítače a další snadno rozbitné výrobky.

Průmyslový partner ARS – firma Ecovative Design z New Yorku - vyvinul a nechal si patentovat metodu, která využívá jako pracanta houby. Jejich technologie využívá vývojového stádia hub - "mycelium”. Nejprve je dřevnatý bavlníkový odpad smíchán, pasterizován a vpraven do formy. Potom je do formy injektována houba. Mycelium roste na, v a okolo bavlníkového odpadu, nakonec vytváří novou soudržnou tuhou pórovitou hmotu. Když je forma otevřena, objeví se biologický obal, jež je pak vložen do vypalovací pece, kde je živá houba usmrcena.

Konečný tvarovaný ochranný izolační obal je biologicky degradovatelný, kompostovatelný a zpomaluje hoření, a ještě má odpruživou sílu syntetického obalového materiálu. Firma Ecovative Design vyrábí tyto cenově srovnatelné balící díly pro své firemní klienty včetně firem Dell, Steelcase, Crate & Barrel a dalších.

Který odpad vyhovuje nejlépe?

V testu různých druhů bavlníkových odpadů hodnotila laboratoř ARS fyzikální a mechanické vlastnost šesti směsí vedlejších produktů výroby bavlny jako substrát pro kolonizaci houbami a výrobu tvarovaných obalových materiálů. Chtěli se dozvědět, která směs vyrovná nebo překoná vlastnosti extrudované polystyrénové pěny. Šest patentovaných složení sestává z obalů semen bavlníku, sádry nebo kukuřičného škrobu smíchaného se dvěma velikostmi kousků obalů plodů bavlníku - drobnými nebo hrubými. Každá směs pak byla inokulovaná jednou houbou pomocí dvou různých inokulačních metod, infikovanými zrny nebo suspenzí, v celkem 12 variantách. U dvanácti variant bylo hodnoceno několik fyzikálních a mechanických vlastností. Celkově se ošetření ukázala dobře a výsledky naznačily, že potřebná směs a inokulační metoda vycházejí z konečného využití výrobku. Materiály jsou odolné vodě, avšak při trvalém kontaktu s vodou nebo půdou se odbourávají na organické látky.

Náhrada dalších produktů

V jiném projektu pracovali inženýři ARS na hodnocení zemědělských odpadových materiálů, které mohou být použity pro recyklovatelné, termitům odolávající dřevotřískové a lepenkové desky a pro termoplasty (měknou při vysokých teplotách), například jako palubky na venkovní terasy.

Protože je dřevní vláknina cenný produkt, výrobci by rádi používali recyklovatelné zemědělské materiály místo části dřevní vlákniny v kompozitních stavebních materiálech. Kompozitní desky a prkna se uplatňují mimo stavebnictví. Dřívější laboratorní výzkum ukázal, že odpad z výroby bavlny má obrovský potenciál jako vláknitá tvarová výplň, avšak inženýři chtěli testovat tyto produkty v komerčním měřítku.

Proces čištění semen bavlníku vytváří velké množství odpadu - až několik milionů tun ročně - který obsahuje dřevnatá oplodí bavlníku, stonky a další materiály. Inženýři hodnotili použití oplodí a stonků bavlníku jako tvarové výplně. Pro tuto studii vyrobil tým v komerčním měřítku termoplastové kompozitové desky se čtyřmi různými obsahy přidaných oplodí a stonků bavlníku: 0 (kontroly, obsahující pouze dřevní vlákninu), 12,5, 25 a 37,5 váhových procent. U vzorků byly testovány fyzikální a mechanické vlastnosti, které jsou významné pro využití mimo stavebnictví, včetně absorpce vody, zvětšování tloušťky, teplotní rozpínavosti, pevnosti, tvrdosti a schopnosti udržet hřebíky.

Testování ukázalo, že komerční vzorky, které vyrobili přidáním oplodí a stonků bavlníku byly srovnatelné s kontrolními deskami obsahujícími pouze dřevní vlákninu. Tato studie demonstrovala, že celkově až 12,5 procenta dřevní vlákniny používané v komerčně dostupných dřevo-plastických kompozitních materiálech může být nahrazeno nebo obohaceno oplodím a stonky bavlníku s nevýznamným zhoršením mechanických a fyzikálních vlastností, které jsou důležité pro všechny kompozity.

Testování kompozitů vyrobených z oplodí a stonků bavlníku ukázalo, že až 25 procent tvarových výplní z dřevní vlákniny by mohlo být nahrazeno bez výrazného zvýšení absorpce vody a zvětšování rozměrů kompozitů.

Balíky, které přijíždějí zabalené ve fólii

Vědci ARS také přidali do kompozitů během studie různé, ale relativně nové, zemědělské odpady. Někteří pěstitelé bavlníku nyní používají sklízeče, které dělají ze sklizeného bavlníku velké válcovité balíky nazývané “moduly.” Balíky jsou omotány ochrannou fólií vyrobenou z nízkohustotního polyetylénu. Tyto obaly bavlníkových balíků (CMW) jsou odstraněny v čistírně bavlny. Pokud nejsou recyklovány, mohly by se stát zátěží životního prostředí.

Ve studii byl demonstrován potenciál využití nasekaných CMW jako přísady do termoplastových kompozitů. Do kompozitových desek přidali až 30 váhových procent CMW, jako náhradu za dřevní vlákninu v tvarové výplni. Vědci ukázali, že tyto CMW by mohly nahradit až 30 procent celkové hmotnosti kompozitu, přičemž jsou zachovány fyzikální a mechanické vlastnosti komerčně dostupných kompozitů používaných na součásti podlah, oken a dveří a na zahradní výrobky. 

Výstražné bóje, které nás chrání

National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) představila svou příští generaci bójí umístěných na strategických místech všech oceánů a varujících před tsunami. Tyto bóje tvoří soustavu pracující společně tak, aby monitorovala a měřila tsunami v hloubce oceánu. NOAA potřebovala tvarovatelný biologicky degradovatelný materiál, který by ochránil bóje a přístrojové vybavení před poškozením během a po spuštění do oceánu. Vědci ARS vytvořili k vyplnění bójí biologicky degradovatelný materiál, vyrobený z patentované směsi rostlinných substrátů a vedlejších produktů čištění bavlny. NOAA úspěšně testovala nový materiál v rozmanitých podmínkách oceánů a doufá, že bude v blízké budoucnosti zahájena výroba bójí zabalených v ochranné tlumící vrstvě.

Autor: Dr. Ing. Jaroslav Salava, VÚRV, v.v.i.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použitá literatura

Anonymous (2013): Biodegradable packaging from cotton waste. November/December 2013, Agricultural Research magazíne, p. 16-18.

Bajwa S.G., Bajwa D.S., Holt G.A. & Wedegaertner T.C. (2013): Commercial-scale evaluation of two agricultural waste products, cotton burr/ stem and module wraps, in thermoplastic composites and its comparison with laboratory-scale results. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 0892705712454865, first published on December 5, 2012.

Holt G.A., McIntyre G., Flagg D., Bayer E., Wanjura J.D. & M. G. Pelletier (2012): Fungal Mycelium and cotton plant materials in the manufacture of biodegradable molded packaging material: Evaluation study of select blends of cotton byproducts. Journal of  Biobased Materials and Bioenergy, 6: 431-439.