Zaloge surovin so globalni problem. Skoraj vse polimere že proizvajajo tudi iz obnovljivih surovin, predvsem biomase, torej biopolimere, uvajanje na trg pa je precej težavno. Za polimere iz škroba je ciljna cena 0,5 evra, za lesne polimere celo pol manj, aktualne cene najbolj razširjenega PLA pa so nad 2,5 ameriškega dolarja na kilogram pri skromnem trgu 1,5 milijarde ameriških dolarjev kljub rasti 17 %. Tudi predelava je zahtevnejša kot pri običajni plastiki. Visoka trdnost in togost PLA pogosto ne odtehta nizke temperaturne obstojnosti, žilavosti in bariere za pline. Vodilni so biorazgradljivi polimeri za embalažo in agroproizvodi, zelo pomembni pa postajajo tudi za medicino. Za elektrotehniko, avtomobilizem in gradnje postajajo pomembni nerazgradljivi biokompoziti z naravnimi vlakni. Mnogi niso razgradljivi v morju, zato je nujno recikliranje, da bodo surovine trajne in poceni. Uporabni so za 3D- tiskane implantate, z živimi celicami, plastiko, lepila, absorbente, maziva, kozmetiko, zdravila, tekstil, visokotrdne konstrukcije in kot nosilci informacij. Vendar predstavlja proizvodnja biopolimerov šele 6,11 milijonov ton, kar je le 2 % plastike. Biološke tovarne že zdaj proizvajajo pomembne vrste plastike, npr. PHA (polihidroksialkanoati) za implantate z nastavljivim časom resorbiranja, za užitno embalažo, za pospeševanje rasti in celjenje ran, za razstrupljanje vode, kot nadomestek krvne plazme in celo mišičnega tkiva, kot lepilo za tkivo, kot inhibitorje razmnoževanja rakastih celic in virusov, za holografijo in hranjenje podatkov, a žal po visokih cenah prek 5 ameriških dolarjev na kilogram, zato je trg PHA komaj 89 milijard ameriških dolarjev kljub rasti 14 %. Genetski inženiring zmore spremeniti sestavo DNA ter s tem ustvarjati nove biopolimere s pravilno ponovljivo zgradbo mnogo uspešnejše od kemije. Pajčevina nastaja zelo hitro pri sobni temperaturi in pritisku, a ima nekajkrat boljše lastnosti od umetnih materialov.
Vrste bioplastike
Naravni polimeri, kot so les, usnje, svila, celuloza, hitin, škrob, glikogen, proteini in kavčuk, so z razvojem tehnologij izgubljali svojo vlogo, danes pa jo ponovno pridobivajo s kemijsko in encimsko predelavo v obnovljive biokompatibilne, razgradljive biopolimere. Delimo jih v naravne biopolimere, ki jih producirajo mikroorganizmi, rastline in živali, in sintetske, ki jih proizvajamo kemijsko iz naravnih materialov, ter glede na biorazgradljivost. Skoraj vsi polimeri se proizvajajo v malih količinah iz bioosnovanih monomerov, ti pa se od petrokemičnih le malo razlikujejo.
- PLA – polilaktidi
Mlečno kislino dobimo s fermentacijo sladkorja iz odpadkov mlečne industrije, krompirja in koruze in je gradnik dveh polimerov, PLA in PGA (kopolimer z glikolovo kislino). V medicini se uporabljata za sproščanje antibiotikov, kot inhibitor rakastih celic in virusov, za mikrosfere, mikrokapsule in votla vlakna, implantate, vlakna za ortopedske in kirurške namene, vijake za spajanje kosti. PGA regulira hitrost razgradnje. PLA so biorazgradljivi, lahko pa izdelamo tudi nerazgradljive. Težave PLA so: 10-krat slabša zapora za pline, sušenje z osušenim zrakom, predhodna kristalizacija zaradi nizkega tališča kristalitov 58 °C in slabša stabilnost.
- Celulozni biopolimeri
Celuloza v stenah rastlinskih celic je glavnina biomase, najcenejši polimer s ceno 0,6 ameriškega dolarja na kilogram, proizvodnja je 323 milijonov ton. Biomasa je iz 40 % celuloze, 35 % hemiceluloze in 15 % lignina. Molekule celuloze so linearne z veliko trdnostjo, hemiceluloza je iz razvejanih molekul, lignin je lepilo. Derivati celuozni acetat, karbohidroksimetil (etil ali propil), celuloza in nanoceluloza NC so vse pomembnejši. Lignine do 5 % uporabljajo kot netoksične stabilizatorje, ki podaljšajo življenjsko dobo biorazgradljivih materialov. - Hitosan je polisaharid, sestavina hitina, ki sestavlja strukturo žuželk, školjk, gliv, z izjemno visoko trdnostjo, je biorazgraden in netoksičen, uveljavlja se proizvodnja iz gensko modificiranih alg in gliv. Telo hitin prebavi v CO2 in vodo, zato je idealna embalaža in časovni dispenzer zdravil, inhibitor rasti virusov. Cena hitina je od 14 do 60 ameriških dolarjev na kilogram.
- Termoplastični škrob TPS
Škrob je masovna industrijska surovina iz koruze, krompirja in pšenice, sestavljen je iz netopnih zrnc, amiloze in amilopektina. Uporablja se za izdelavo alkohola za gorivo, za lepila, kot absorber vlage, kot zgoščevalo, stabilizator in aditiv za biorazgradnjo plastike. Kristale s toploto lahko razbijemo, nastane termoplast, kompatibilen s sintetičnimi polimeri do vsebnosti 50 %. Življenjska doba škrobne folije je 1–3 mesece. - Polihidroksi alkanoati PHA in polihidroksi butirat PHB
PHA se akumulira v citoplazmi celic kot rezerva energije. Polimeri se proizvajajo z genetskim inženiringom, npr. z encimsko razgradnjo koruze in krompirja in so povsem podobni termoplastičnim poliestrom s tališčem od 50 °C do 180 °C, od trdih kristaliničnih do elastičnih gum. Najprej je bil odkrit PHB, nato kopolimer butirat/valerat PHBV. Slednji daje krhkemu PHB žilavost, podoben je PP. Mikrobi razgrajujejo PHBV do vode in CO2 v 30–365 dneh, cena je 8 ameriških dolarjev na kilogram. Uporabni so predvsem v medicini, za kontrolirano sproščanje zdravil, umetne kosti in oskrbo ran. Bakterija pseudonomas p. lahko proizvaja PHA iz stirena. - Polivinil alkohol PVA
Vodotopne biorazgradljive folije iz PVA se razgradijo v CO2 in vodo v 30 dneh, imajo visoko trdnost 90 MPa in odpornost na prebod 1050 N/mm, kar je 5-krat več kot pri foliji PE. Prepustnost dušika je podobna prepustnosti alu folije.
- Duroplastični in elastomerni biopolimeri se razlikujejo od termoplastov po zamreženosti, so netaljivi, visoko trdni in togi, brez lezenja, med biopolimeri imajo 15 % delež. Uporabljajo se za izolacije, obloge in dekorativne laminate, kompozite z naravnimi vlakni in lake. Smole UP dobimo pri reciklaži PET, EP in bioelastomere proizvajajo iz sojinega olja in naravnih fenolov, glicerola in kislin.
- Proteini so sestavljeni iz do 20 polipeptidov, obsegajo 50 % suhe teže celic. Naravni so svila, kolagen, adhesin, elastin, rekombinirani z ustrezno DNA so visoko čisti, uporabni za membranske separatorje, optiko, za filme, vlakna, gele za proizvodnjo in spajanje žil ter živih celic s plastičnimi implantati. Kemijska sinteza proteinov je predraga in nehomogena.
- Termoseti (duroplasti) PUR, UP, EP, MF, VE, Si, PF, PF, UF, AR
Netaljivi termoseti so odporni na visoke temperature in večinoma težko gorljivi, kot trdne mase za prešanje ali brizganje, ki se zamrežijo s povišano temperaturo, ali pa kot smole – veziva za kompozite. Zaradi višjih cen in težje predelave jih delno izpodrivajo termoplasti. Zavzemajo le 15 % trga plastike.