Deseuri biodegradabile si determinarea gradului de compostare a

biopolimerilor

Una dintre principalele probleme pe care va trebui să le rezolve industria, în general, şi

industria chimică, în special, este cea a resurselor pe care le foloseşte. În prezent, materiile

prime utilizate pentru satisfacerea majorităţii nevoilor societăţii umane sunt bazate pe

combustibilii fosili. Majoritatea prognozelor vorbesc despre diminuarea stocului de resurse

fosile şi chiar epuizarea lor în decursul câtorva decenii.

Materialele plastice au devenit tot mai importante în decursul ultimului secol, găsindu-

şi aplicaţii în cele mai diverse domenii ale industriei dar şi a vieţii omului simplu. Materialele

plastice constituie o soluţie convenabilă pentru multe domenii tehnice, datorită bunelor

caracteristici fizico-mecanice, greutăţii lor scăzute şi preţului avantajos. Principalul

dezavantaj este dat de poluarea pe termen lung pe care acestea o produc după ce durata de

viaţă a produselor din mase plastice expiră. În ultimii ani, în industria polimerilor se remarcă

tendinţa de a înlocui materiale plastice convenţionale cu unele ce prezintă biodegradabilitate

îmbunătăţită sau, şi mai bine, cu unele care provin din resurse regenerabile şi sunt susceptibile

biodegradării.

Acum un secol, in Statele Unite, belgianul Leo Baekeland punea la punct un material

care avea sa revolutioneze piata de consum: banalul material plastic, care a inceput sa fie

folosit pentru producerea celor mai diverse obiecte. Astazi, dupa ce s-a constatat ca Pamanatul

nu mai poate respira din cauza deseurilor din plastic, acesta a inceput sa fie inlocuit cu

materiale mai prietenoase cu mediul inconjurator, adica biodegradabile.

Principala problema pentru ambalaj este eliminarea substantelor nocive, reducerea in

volum si continut, reciclabilitatea, siguranta si separarea usoara a materialelor, utilizarea

resurselor reciclate, capacitatea de reutilizare, marcarea privitor la materialele din ambalaj si

precautiile de manipulare.

Cel mai nou intreres economic in sectorul materialelor plastice il constituie resursele de

materiale plastice regenerabile ca un respect pentru mediul inconjurator, si ca o gestiune

ecologica pentru materialele fosile epuizabile.

Din aceasta perspectiva materiile prime vegetale si in mod esential polimerii cu aceasta

origine poseda proprietati de mare interes in industria de materiale plastice cum ar fi:

biodegradabilitatea, biocompatibilitatea, permeabilitatea selectiva si proprietati fizico-

mecanice modificabile.

Aceste proprietati permit aplicarea lor in domenii diferite de interes economic in

sectoarele de ambalaje, textile, agricultura, farmacie, electronica sau medicina.

Un material plastic biodegradabil este format din molecule care pot fi transformate în

molecule mai mici şi mai puţin poluante, transformare care are loc datorită micro-

organismelor care trăiesc în mediul natural: bacterii, ciuperci, alge etc. Rezultatul acestui

proces de transformare trebuie să fie apa, dioxidul de carbon sau metanul. Gazele naturale

rezultate din vegetale precum lemnul, pluta sau bumbacul sunt biodegradabile. Chiar şi

materialele plastice pot fi biodegradabile. Originea lor este sintetică sau pe bază de resurse

vegetale.

Există diverse tipuri de ambalaje biodegradabile:

biopolimeri rezultaţi din plante (amidon, celuloză etc);

biopolimeri produşi prin polimerizarea chimică care asociază utilizarea materiilor

prime regenerabile cu procese industriale de polimerizare;

biopolimeri produşi de micro-organisme modificate genetic;

polimeri sintetici.

Deşeurile de ambalaje biodegradabile trebuie să permită descompunerea fizică, chimică,

termică sau biologică pentru ca cea mai mare parte a materialului să se transforme in biomasă

şi apă.

Gradul de degradabilitate a polimerilor folositi ca ambalaje in mediu trebuie sa tina cont de:

- caracteristici ale mediului in care se va produce biodegradarea (mediu natural

simulat: biomasa in sol) si ale materialului polimeric - ca variabile independente

- caracteristici ale probei polimerice si variatia lor in functie de timpul de expunere la

actiune mediului - ca variabile dependente

Variabile independente care pot fi urmarite privind mediului de biodegradare (biomasa,

sol) pot fi:

- umiditatea

- speciile de microorganisme prezente si concentratia lor

- temperatura, pH-ul, radiatii U

- substante nutritive prezente.

In ceeea ce priveste proba, astfel de variabile ar fi:

- rugozitatea suprafetei, granulatia

- concentratia polimerului.

Biodegradabilitatea polimerilor este influentata de numerosi parametrii structurali si

prin folosirea unor metode statistice de interpretare a datelor. Prin aceste metode se poate

stabili care dintre acestia se coreleaza cel mai bine cu biodegradabilitatea. Majoritatea

polimerilor naturali ca amidonul, celuloza si proteinele sunt biodegradati cu usurinta prin

hidroliza urmata de oxidarea cu ajutorul enzimelor. In vederea evaluarii procesului de

biodegradare trebuie sa se tina seama de faptul ca proprietatile moleculare ale polimerului,

precum distributia maselor moleculare, cristalinitatea si morfologia, vor dicta proprietatile

fizice ale produsilor de ambalat, obtinuti din acesti polimeri.

Cand proba de polimer este supusa procesului de biodegradare, numeroase proprietati

fizico-chimice se modifica:

- indicel de topire (de curgere)

- distributia maselor moleculare (polidispersia)

- analiza termografica, curbele tensiune-deformare

- cinetica degradarii (cu ajutorul unui respirometru, care masoara concentratia

oxigenului sau a dioxidului de carbon in faza gazoasa)

O conditie esentiala pentru biodegradarea polimerilor este compostarea aeroba,

realizeazata intr-un mediu controlat de temperatura, fluxul de aer si umiditate utilizand un

respirometru sau o instalatie de masurare a dioxidului de carbon. Pentru a controla cantitatea

de aer introdus, se foloseste aer comprimat. Testul urmareste masurarea consumului total de

oxigen care insoteste procesul de biodegradare a polimerului. Prin aceasta metoda se

determina conversia si viteza de biodegradare a biopolimerului sub actiunea

microorganismelor aerobe in prezenta apelor reziduale municipale:

- in prima etapa are loc atasarea microorganismelor la proba de polimer (formandu-se un mic

ecosistem pentru microb, in care acesta actioneaza asupra materialului polimeric, de obicei

prin enzime, in sensul descompunerii conform necesitatilor de alimentare a

microorganismului)

- a doua etapa a biodegradarii consta in fragmentarea materialului

- a treia etapa este dezintgrarea acestuia si transformarea in pulbere

- a patra etapa si finala este transformarea in dioxid de carbon, apa si substante minerale

Determinarea gradului de compostare a deseurilor biodegradabile (biopolimeri)

Principiu

Metoda de încercare evaluează gradul de dezintegrare al materialelor de încercat la nivel

de laborator, în condiţiile similare unui process intens de compostare aerobă. Matricea solidă

utilizată este formată din deşeuri sintetice inoculate cu un compost rezultat dintr-o instalaţie

de compostare. Probele din materialul de încercat sunt compostate împreună cu deşeurile

solide sintetice. Gradul de dezintegrare este determinat după un ciclu de compostare prin

cernerea matricei finale printr-o sită cu dimensiunea ochiurilor de 2 mm cu scopul de a

recupera reziduurile nedezintegrate din materialul de încercat. Cantitatea de substanţă care

lipseşte din materialul de încercat este considerată dezintegrată şi permite calcularea gradului

de dezintegrare.

Reactor pentru compostare

Reactorul pentru compostare este o cutie confecţionată dintr-un material inert

corespunzător care nu afectează procesul de compostare, de preferinţă cu dimensiunile

următoare: 30 cm x 20 cm x 10 cm (lungime, lăţime, înălţime). În serie, recipientul ales nu

trebuie să varieze cu mai mult de 5% în dimensiuni. Cutia trebuie să fie prevăzută cu un capac

care să asigure închiderea etanşă în scopul evitării oricărei evaporări excesive. În plus, cutia şi

capacul pot să fie sigilate cu o bandă adezivă. La mijlocul celor două cote de 20 cm înălţime,

la o innaltime de aproximativ 6,5 cm de la baza cutiei, trebuie perforat un orificiu cu diametru

de 5 mm. Cele două orificii permit schimbul de gaze între atmosfera interioară şi mediul

exterior. Se recomandă supravegherea pentru a nu se acoperi orificiile cu bandă adezivă sau în

orice alt mod.

De asemenea, se pot utiliza şi alte recipiente cu volum cuprins între 5 L şi 20 L, cu

condiţia de a se verifica în prealabil ca acestea nu crează condiţii anaerobe nefavorabile.

Trebuie ca recipientul să fie astfel închis incât să evite uscarea excesivă a conţinutului. În

acelaşi timp, trebuie să fie prevăzute orificii pentru a permite schimburile de gaze şi a asigura

condiţii aerobe pe toată durata fazei de compostare.

Mod de lucru

Pregătirea probelor

Masa eşantioanelor (probelor) se determină prin uscarea materialului până la obţinerea

unei mase constante. Tehnica de uscare utilizată în această etapă trebuie, de asemenea să fie

cea utilizată la sfârşitul încercării pentru evaluarea masei finale a probelor.

Începerea experimentului

Se amestecă probele cu 1 kg deşeuri sintetice umede. În funcţie de volumul ocupat de

probe, masa acestora trebuie să fie cuprinsă între 5 g şi 20 g pe reactor. De aceea, raportul

între masa probelor şi masa deşeurilor sintetice trebbuie să fie în domeniul 0,5 %.....2 %. Se

înregistrează masa probelor adăugate efectiv în fiecare reactor. Amestecul este împrăştiat la

baza reactorului pentru aforma un strat omogen. Pentru a permite schimburile de gaze şi cu

zonele interne ale patului nu se recomandă presarea mecanică a amestecului. Poate fi util a se

folosi în paralel şi un reactor martor, fără material de încercat, cu scopul de a controla

desfăşurarea reacţiei de compostare.

Profil de temperaturi

Fiecare reactor se închide, se cântăreşte şi se intorduce într-un cuptor cu circulaţie de

aer, menţinut la o temperatură constantă (58 ± 2) ºC. După 30 zile, temperatura poate fi

eventual micşorată. Domeniul admis de temperaturi este cuprins între temperatura ambiantă

21ºC şi 58ºC. Durata maximă a încercării este de 90 zile. Diagrama din figura X arată, ca

exemplu, profilele de temperatură posibile. După 28 de zile, pentru reinoculare, în fiecare

reactor se pot adăuga aproximativ 25 g sol fertil sau de compost. După adăugarea solului,

conţinutul se amestecă uşor. În raportul final se indica natura solului său a compostului.

Controlul umidităţii

În scopul desfăşurării corespunzătoare a procesului de compostare, umiditatea trebuie

controlată periodic. Conţinutul de apă liberă, adică nu a fost atins nivelul de saturaţie al

capacităţii de absorbţie al apei. Operatorul poate controla această condiţie în cursul

compostării prin comprimarea materiei, care trebuie să elimine o cantitate mică de apă.

Amestecare

În timpul compostării, materialul se amestecă periodic. Aerarea şi amestecarea sunt

importante nu numai pentru repartiţia apei după adăugare, dar şi pentru aerarea materialului în

cursul compostării

La începutul procesului de compostare se determina masă brută a reactorului plin cu

amestec. Periodic, se cântăreşte reactorul, şi dacă este necesar, prin adăugare de apă, conform

instrucţiunilor, se restabileşte masa iniţială, în totalitate sau parţial.

Controlul procesului de compostare.

Miros

În cursul procesului de compostare este posbil să se detecteze o succesiune precisă de

mirosuri specifice. În timpul primelor două – trei zile, deşeurile sintetice degaja un miros, care

se atenuează progresiv şi care începând cu intervalul dintre a 5-a până la a 10-a zi şi pentru o

durată de aproximativ 10 zile se transformă într-un miros de amoniac. Apoi, nu se mai

detectează nici un miros în particular sau de pământ. În raportul de încercare se înregistrează

orice variaţie posibilă faţă de această schemă.

pH

O etapă a controlului pH-ului materialului în cursul compostării poate fi cu uşurinţă

realizată cu ajutorul hârtiilor universale indicatoare de pH. Se umectează cu compost benizle

indicatoare de pH. pH-ul trebuie să vireze de la valorile acide iniţiale (aproximativ 6) la valori

bazice (între 8 şi 9) în cursul primelor (10 ... 15) zile, apoi trebuie să devină neutre

(aproximativ 7 şi 8) la finalul încercării. În raportul de încercare se înregistrează orice variaţie

posibilă de la această schemă.

Inspecţie vizuală

În timpul compostării, aspectul vizual al materiei se schimbă pe parcursul primelor

două saptamanai. Miceliul format pe materie în cursul compostrii poate fi vizibil din prima

săptămână. Culoarea deşeurilor sintetice, care este iniţială clară (galbenă) din cauza

concetrantii mari de rumeguş, devine maro într-un interval de 10 zile. În rapotul de încercare

se înregistrează orice posibilă variaţie a acestei scheme.