Bioplastik z alg opiera się na celulozie. Algi charakteryzują się bogatą zawartością celulozy przy jednocześnie niskiej zawartości ligniny, która w tym przypadku jest traktowana jako zanieczyszczenie. Zatem algi są potencjalnym źródłem bioplastiku o wysokiej czystości. Z kolei mikroalgi hodowane w środowisku wodnym są źródłem składników, takich jak agar, alginaty czy karageny, z których każdy może być wykorzystany jako substrat lub dodatek do produkcji bioplastiku. Produkcja takiego bioplastiku jest również obciążona mniejszą emisją odpadów – po wyekstrahowaniu potrzebnych składników pozostałość tych organizmów można wykorzystać w innych celach, np. jako dodatki do paszy dla zwierząt.

Alginaty w produkcji bioplastiku

Obecne badania skupiają się na wykorzystaniu bioplastiku na bazie mikroalg do pakowania żywności. Z agaru, karagenów i alginatów stosunkowo łatwo jest wytworzyć cienki, biodegradowalny film, który stanowi zabezpieczenie dla żywności. Wyzwaniem jest natomiast stworzenie takiego bioplastiku, który skutecznie chroni żywność przez odpowiednio długi czas, a następnie relatywnie szybko ulega rozkładowi.

Alginaty to polimery anionowe ekstrahowane z mikroalg lub alg za pomocą ekstrakcji zasadowej, mikrofalowej lub ultradźwiękowej. Ekstrakcja zasadowa, mimo że jest najtańsza i najłatwiejsza, wymaga użycia wielu odczynników chemicznych, które stanowią odpad groźny dla środowiska. Ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami umożliwia znaczne skrócenie czasu reakcji oraz wymaganej temperatury, a zatem z ekonomicznego punktu widzenia jest bardziej opłacalna. Następnie alginaty poddaje się szeregowi procesów mających na celu utworzenie biodegradowalnej powłoki. Dokonuje się tego np. poprzez rozpuszczenie algiantów w wodzie destylowanej i dodanie plastyfikatorów, których zadaniem jest zwiększenie elastyczności i zmniejszenie twardości powłoki, aby można było ją stosownie uformować. Tak stworzony biofilm musi charakteryzować się wysoką odpornością mechaniczną oraz znikomą rozpuszczalnością w wodzie, aby stanowić odpowiednie zabezpieczenie dla żywności.

Środowiskowa ocena cyklu życia w skali pilotażowej

Technologia ekstrakcji alginatów i celulozy oraz produkcji takich biofilmów została opracowana dość dobrze w skali laboratoryjnej, natomiast niewiele badań dotyczy skali pilotażowej. Istotne jest, aby przeprowadzić również środowiskową ocenę cyklu życia takiej produkcji, biorąc pod uwagę wszystkie etapy życia bioplastiku, czego dokonali naukowcy z Danii. W swojej środowiskowej ocenie rozważyli też etap końca życia produktu, w którym do atmosfery emitowany jest cały zgromadzony w bioplastiku dwutlenek węgla. 

Ocena cyklu życia przeprowadzona została na podstawie laboratoryjnej i pilotażowej produkcji bioplastiku na bazie alginatów i celulozy. Głównym założeniem była produkcja 1 kg bioplastiku. Rozpatrzono wszystkie jej etapy: hodowlę i pozyskiwanie alg, ich przetwarzanie, ekstrakcję zasadową, formowanie biodegradowalnej folii, użytek produktu gotowego oraz jego przetwarzanie jako odpadu. Hodowla alg znajdowała się w Norwegii, a produkcja bioplastiku odbywała się w jej bliskim sąsiedztwie, co jest zalecane ze względu na ograniczenie kosztów transportu. Są one stosunkowo drogie ze względu na specjalne wymagania – muszą być przechowywane w środowisku wodnym, co znacznie zwiększa koszty. Wykorzystane zostały algi Saccharina latissima, które przed hodowlą w morzu muszą zostać poddane wstępnemu wzrostowi w specjalnych inkubatorach, aż do osiągnięcia do 2 cm wzrostu. Proces inkubacji trwa do 6 tygodni i jest istotny ze względu na gwarancję późniejszego intensywnego wzrostu w warunkach morskich. Kolejne 7 tygodni trwa wzrost alg do długości 2 m.

Po zbiorach algi trafiają do zakładu przetwórczego, gdzie ekstrahowane są alginaty, celuloza, mannitol i fukoidyna, która w tym modelu traktowana była jako produkt uboczny, niebiorący udziału w dalszej produkcji bioplastiku. Wyekstrahowane składniki są poddawane obróbce plastyfikatorami w celu uzyskania biofilmu. Alginaty mieszane są z glicerolem, który zwiększa wytrzymałość termiczną, a celuloza dodawana jest w celu zwiększenia wytrzymałości mechanicznej. Tak otrzymany roztwór mieszany jest na płaskiej powierzchni z chlorkiem wapnia, który zapewnia odpowiednią homogeniczność, małą grubość oraz elastyczność, a następnie poddawany jest suszeniu, aż zawartość wody osiągnie minimum 30%. W ten sposób otrzymano gotowy bioplastik, którego można użyć do przechowywania żywności.

Ostatnim rozpatrywanym etapem był koniec życia produktu, w którym założono dwa możliwe sposoby utylizacji – kompostowanie i spalenie. W przypadku kompostowania zużywana była energia w postaci elektryczności, natomiast spalenia – elektryczności i ciepła. Obliczenia emisji dwutlenku węgla dla tak zaprojektowanego procesu produkcji bioplastiku wykazały, że jego utylizacja jest etapem o największej emisji CO₂, a zatem krok zwykle pomijany w dotychczasowych badaniach okazał się jednym z najbardziej kluczowych jeśli chodzi o bezpieczeństwo środowiska. Kompostowanie zmniejsza emisję o 30%, a dodatkowo dwutlenek węgla jest uwalniany stopniowo – w przeciwieństwie do spalenia, gdzie jego całość jest natychmiastowo emitowana do atmosfery.