Eureka! DGP - odkrywamy polskie wynalazki

Biodegradowalny materiał nawożący oraz sposób wytwarzania biodegradowalnego materiału nawożącego

ZESPÓŁ AUTORSKI

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

dr hab. inż. Magdalena Zdanowicz, prof. ZUT
dr inż. Marta Rokosa
dr inż. Adrian K. Antosik
mgr inż Magdalena Pieczykolan

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Wynalazek został opracowany w trosce o środowisko. Termoformowalny granulat nawożący jest otrzymany jednoetapową metodą wytłaczania, przez co jego produkcja nie wymaga złożonej, skomplikowanej aparatury (wytłaczarki dwuślimakowe są powszechnie stosowane np. w przetwórstwie tworzyw sztucznych). Granulat może być bezpośrednio zastosowany jako nawóz nowej generacji, stanowiący alternatywę dla nawozów otoczkowanych. Jest w pełni biodegradowalny do substancji prostych, dzięki czemu nie stanowi zanieczyszczenia gleby mikroplastikiem, który stanowi coraz większy problem środowiskowy (mikrocząsteczki plastiku przedostają się do wody, a także wnikają w łańcuch pokarmowy). Granulat też może zostać zastosowany jako "zielona" alternatywa dla otoczkowanych nawozów o kontrolowanym uwalnianiu, mogące zawierać żywice syntetyczne i tworzywa, które defragmentując w glebie generują mikroplastik.
Granulat jest otrzymywany w obecności nowej generacji tzw. plastyfikatórów, które umożliwiają przetwarzanie osnowy polisacharydowej (głównego komponentu) w niższych zakresach temperatur w porównianiu ze standardowym plastyfikatorem. Mieszanina plastyfikująca ulega stopieniu podczas wytłaczania, działając jak lubrykant, obniżając opór silnika wytłaczarki, zatem nowa grupa plastyfikatorów wpływa na mniejsze zużycie energii. Dodatkowo plastyfikator nie tylko wpływa na przetwarzanie kompozycji, ale jest bogaty w azot, dzięki czemu pełni rolę nawozu w końcowym materiale (dzięki czemu nie trzeba wprowadzać dodatkowych komponentów). Bazą do otrzymania wynalazku są łatwo dostępne, biodegradowalne i tanie surowce naturalne tj. skrobia lub mąka.
Dzięki przetwarzaniu głównego komponentu w obecności mieszaniny plastyfikującej, ulega on modyfikacji uzyskując niektóre właściwości termoplastyczne, charakterystyczne dla ropopochodnych tworzyw sztucznych. Granulat można sprasować na gorąco (termoformować), do postaci arkusza lub maty, które można zastosować jako biodegradowalne agrotworzywa z funkcją nawożącą. Granulat oraz otrzymane folie wykazują wysoki stopień pęcznienia, dzięki czemu mogą być też zastosowane jako hydrożele magazynujące wodę. Folie można wykorzystać np. do produkcji mat nasiennych, które nie tylko stanowią nośnik nasion, ale także mają funkcję nawożącą (komercyjne taśmy nasienne wykonane są z celulozy, i pełnią rolę jedynie nośnika). Dodatkowym walorem materiałów jest wykorzystanie do ich produkcji produktów ubocznych przemysłu spożywczego, które wzbogacją materiały i wpływają na jego właściwości funkcjonalne. Warto też wrócić przy tym do mieszaniny plastyfikującej, która zapewnia dobre właściwości przetwórcze przy wyższym udziale wypełniacza, znacznie wyższym niż dla konwencjonalnego plastyfikatora (przy wyższym udziale wypełniacza bez plastyfikatora lub z konwencjonalnym plastyfikatorem pojawia się problem zbyt dużego wzrostu lepkości i oporu silnika).
Korzyścią dla branży wykorzystującej tego typu materiały i środowiska jest kompozycja granulatu, ponieważ jako materiał nawożący, zawiera mniej tego nawozu, co jest istotne przy obecnych wahaniach cen nawozu. Cele projektu doskonale wpisują się w założenia zielonej chemii, obecne trendy środowiskowe oraz gospodarki w obiegu zamkniętym (GOZ).

ISTOTA WYNALAZKU

Wynalazek jest jednym z rezultatów projektu "Funkcjonalne biodegradowalne materiały polisacharydowe z przeznaczeniem do uprawy roślin" o akronimie PolysFer, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach konkursu TANGO V. Celem projektu było opracowanie wielofunkcyjnych biodegradowalnych materiałów na bazie łatwo dostępnych, przyjaznych dla środowiska surowców pochodzenia roślinnego z zastosowaniem ich do celów ogrodniczych i agrotechnicznych.
Wielofunkcyjny granulat nawożący otrzymywany jest jednoetapową bezrozpuszczalnikową metodą wytłaczania. Podczas tego procesu zachodzi zarówno mieszanie jak i modyfikacja komponentów. Mieszanina plastyfikująca mieszankę ulega stopieniu w wytłaczarce (temp. 90-120 stC) do cieczy działając jako lubrykant ułatwiający przetwarzanie. Baza, którą stanowi np.tania i łatwodostępna skrobia (ziemniaczana, kukurydziana lub inna) lub mąka, która ulega tzw. termoplastyfikacji, dzięki której nabiera właściowści tworzyw sztucznych, takie jak zdolność do formowania w podwyższonej temperaturze. Mieszanina plastyfikująca pełni rolę nie tylko modyfikatora skrobi, ale także stanowi źródło azotu, dzięki czemu materiał może zostać zastosowany jako nawóz. Do otrzymania granulatu wykorzystano produkty uboczne przemysłu spożywczego (np. fusy z kawy, łuska kakaowa, wytłoki) jako wypełniacz, który poprawia właściwości użytkowe folii (głównie mechaniczne) otrzymanej poprzez sprasowanie granulatu, obniża stopień pęcznienia, a także wzbogaca materiały w substancje odżywcze (np. mikroelementy takie jak żelazo, magnez lub cynk).
Granulat może być wykorzystany bezpośrednio jako pelet nawożący lub zostać sprasowany do folii bądź arkusza. Materiały otrzymane w wyniku termoformowania granulatu można zastosować jako agrotworztwa, np. maty lub taśmy nasienne, naczynia/doniczki do rozsad. Granulat i pochodne materiały są bezpieczne dla środowiska, w pełni biodegradowalne (w ciągu 70 dni) do przyswajalnych substancji prostych i nie generują mikroplastiku.
W ramach realizacji projektu przeprowadzono badania wpływu folii na stan fizjologiczny roślin, wykazując brak efektu toksycznego na wzrastającą roślinę modelową. Podsumowując istotą wynalazku jest jego wielofunkcyjność przy zachowaniu "zielonego charakteru" produktu i prostej metody jego otrzymywania.
Poniższy link przedstawia projekt PolysFer:
https://www.youtube.com/watch?v=9FINWXgEzMk&t=89s
Prasowanie granulatu:
https://www.facebook.com/PolysFer/videos/1180063159476326 lub
https://www.linkedin.com/posts/polysfer_polymers-bioplastic-microplasticfree-activity-6932216297225138176-u32e

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Charakter materiałów PolysFer wpisuje się założenia dyrektywy unijnej SUP, która narzuca producentom zastąpienie tworzyw ropopochodnych biodegradowalnymi. W związku z tym, od ok. roku obserwuje się intensywne poszukiwanie alternatyw i szukanie rozwiązań przez przemysł i jednostki badawcze. Skrobia w porównaniu z polilaktydem (PLA), który jest obecnie najpopularniejszym tworzywem biodegradowalnym o organiczonej dostępności ze względu na wykorzystywanie procesów biotechnologicznych do pozyskania monomeru jest tania i łatwo dostępna. Izoluje się ją już w postaci polimeru, nie wymaga zatem enegrochłonnych procesów polimeryzacji. Warto podkreślić, że wynalazek jest na bazie skrobi niemodyfikowanej, przerobionej bezpośrednio na drodze wytłaczania. Nie jest to materiał nazwywany "skrobiowym" jak komercyjnie dostępny MaterBi® lub Envifill® (Grupy Azoty S.A.), które są blendą (mieszaniną) z innym biodegradowalnym tworzywem. Materiały na bazie tego polisacharydu mogą być interesujące dla przedsiębiorstw i inwestorów. Planowana jest komercjalizacja bezpośrednia - wylicencjonowanie praw własności czyli podpisanie umowy licencyjnej z zainteresowanym podmiotem.