2011. november: jegyzet, portré, tudomány, nanotechnológia, biotechnológia, egyetem, innováció, közlekedés, atomenergia, agrárium, zöldkörnyezet, vízgazdálkodás, it, logisztika
2011. november 5.

Szerző:
Szegedi Imre

Nanotechnológiával módosított csomagolóanyagok

„Egy általunk továbbfejlesztett módszer segítsé­gével, a papírban lévő cellulózrostokat moleku­láris réteggel vonjuk be, így két rost között nagyobb kötőerőt hozunk létre. Ezzel tartósabb közöttük a kapcsolat. Az újrahasznosított, de már töredezett rostokat több cikluson keresztül tudjuk megőrizni, mint eddig. Eddig általában ötször-hétszer lehetett egy papírt feldolgozni, a mi módszerünkkel akár tízszer is újrahasznosítható ugyanaz az anyag” — nyi­latkozta magazinunknak Csóka Levente, a Nyu­gat-magyarországi Egyetem Fa- és Papíripari Technológiák Inté­zetének docense. A másik kiemelt kutatási terület a biopolimerek tulajdonságainak nano­tech­nológiai módszerekkel történő javítása. Az intézmény célja az, hogy az egyetem a cso­ma­goló­anyagok egyik világszerte elismert, nano­tech­nológiára szako­sodott kutatóhelye legyen.


Hogyan került kapcsolatba a nano­technológiás csomagolóanyagokkal? Azt nehéz elképzelni, hogy már ifjúkorában ilyen feladatról álmodott…
– Eleinte zenei hangok polimerizálásával foglalkoztam, és a létrejött polifóniát tanulmányoztam, majd a hangokat felcseréltem a víz és szén-dioxid napfény segítségével polimerizált cellulózrostjaira. Talán jobb is volt ez a csere, mert időközben kiderült, hogy számomra a Nyugat-magyarországi Egyetem jelenti az igazi perspektívát. Két szakot is elvégeztem az egyetemen: előbb faipari mérnöki diplomát, majd papíripari mérnöki diplomát szereztem, közben pedig egy éven át Japánban kutattam. A nanotechnológiával módosított csomagolóanyagokkal 2004 óta foglalkozom.

Csóka Levente

Jól gondolom, hogy a faiparnak meglehetősen periferikus felhasználási területe a csomagolóanyag-gyártás?
– Ez valóban így van, de én mégis abban láttam meg a szépséget, hogy a farostokból miként lehet papírt készíteni, a papírból meg minél jobb minőségű csomagolóanyagot. A további tanulmányaim során arra kerestem választ, hogy a papíriparban miként alkalmazhatnánk olyan nanotechnológiai módszereket, amelyek segítségével az eddiginél is jobb minőségű csomagolópapírokat állíthatnánk elő. Ez indította el Sopronban a nanotechnológiai módszereken alapuló kutatás-fejlesztést.

Miért nem jók a hagyományos, papír alapú csomagolóanyagok?
– Nem arról van szó, hogy nem felelnek meg a mai kor követelményeinek ezek az anyagok, hanem arról, hogy visszaszorult az alkalmazásuk. Ennek az ágazatnak a legnagyobb vetélytársa a műanyag alapú csomagolóanyag. Az elmúlt 30-40 évben a műanyagipar fokozatosan kiszorította erről a területről a papír alapú csomagolást. Ahhoz, hogy újra fellendüljön ez a mellőzött ágazat, korábban nem létezett hasznos tulajdonságokkal kell felruházni ezeket a termékeket. Ennek a leghatékonyabb módja, ha multifunkcionálissá fejlesztjük az ilyen csomagolóanyagokat. Ehhez újra versenyképessé kell tennünk a papíripart, mert azt nem elég hangsúlyozni, hogy a megújuló energiaforrásból származó papír előállítása és felhasználása jóval kisebb környezeti veszélyt jelent, mint az évtizedek, évszázadok alatt lebomló műanyag csomagolások. A környezettudatos szemlélet nem elég erős ahhoz sem Magyarországon, sem másutt, hogy az emberek pusztán azért válasszák a papírba csomagolt termékeket, mert a papír biológiai úton lebomlik. Ugyanakkor, ha a papírból készült csomagolóanyagokat a korábbinál „okosabbá” változtatjuk, akkor versenyelőnyre tehetünk szert.

Miért kellene extra tulajdonságokkal „felturbózni” a csomagolást, hiszen csak addig van szükségünk erre, amíg a terméket hazavisszük?
– Ennél azért többről van szó a csoma­go­­ló­anyagok esetében. Mind nagyobb igény mutatkozik például arra, hogy – bizo­nyos termékek esetén – a csomagolóanyag antibakteriális tulajdonságú legyen, ami azért fontos, mert így több napon és több országon át tartó utazás ideje alatt megakadályozható a benne lévő termék megfertőződése. Elvileg arra is lehetőség van, hogy a csoma­golóanyagba ültetett érzékelők segítségével azt is ellenőrizni lehet, hogy a terméket szállítás közben nem nyitották-e ki, illetve, hogy nem romlott-e az áru. A papírt mágnesezhetjük, vezetőképessé tehetjük, a következő pillanatban pedig ismét szigetelővé változtathatjuk. Ezekkel a tulajdonságokkal olyan területeken is alkalmazható csomagolóanyagként a papír, ahol eddig nem.

Az utóbb említett lehetőségek már a gyakorlatban is léteznek, vagy csupán a kutatók fantáziája élénkebb az átlagosnál?
– Ezek a fejlesztések laboratóriumi „ujjgyakorlatok” egyelőre, de külföldön a katonaság érdeklődik az ilyen termékek iránt.

A soproni egyetemen hagyománya van a nanotechnológiai kutatásoknak, vagy ön hozta be ezt a területet az intézménybe?
– Én szorgalmaztam, hogy a Nyugat-ma­gyarországi Egyetemen is legyenek ilyen jellegű papíripari kutatások. Mintegy hét éve, egy külföldi előadáson hallottam erről a kutatási irányról. Attól kezdve fokozatosan építettük fel intézményünkben ezt a kutatási területet.

Mi kell ahhoz, hogy a nulláról indulva, néhány év alatt eredményeket felmutató kutatóműhely alakuljon ki egy egyetemen?
– A szükséges tudást könyvekből, szakcikkekből gyűjtöttük össze, de elengedhetetlen az a gyakorlati tapasztalat, amit az Egyesült Államokban, Finnországban, a távol-keleti országokban és más helyeken szereztem, szereztünk. Olyan központokban jártunk, ahol a legmagasabb szinten művelik ezt a területet. Érdekes problémákkal tértünk haza, olyanokkal, amelyek megoldása egyre több kollégát érdekelt. Mára kialakult Sopronban az a bizonyos kritikus tömeg, ami a hatékony kutatómunka feltétele. Nem túlzás, ha azt állítom, hogy a papír alapú csomagolóanyagokon túl a faiparban rejlő egyéb nanotechnológiai kutatások is sokakat érdekelnek a soproni egyetemen. Az intézeti kollégák mellett külföldi és hazai diákokkal dolgozunk együtt, illetve külföldi szakmai műhelyekkel is folyamatosan tartjuk a kapcsolatot.

A magyar papíripart érdeklik a nanotechnológiai fejlesztések, vagy megelégszenek a hagyományos technológiák alkalmazásával?
– Itthon, egészen a közelmúltig, nem volt ismert ez a módszer. Két-három évbe telt, mire minden hazai érdekelthez eljutottunk és megismertettük velük a nanotechnológia nyújtotta lehetőségeket. A hazai papíripar a hullámlemez termékek előállítása és az újrafeldolgozásban erős, ami számunkra előnyös, hiszen ez a technológia nagyon jól illeszthető a papír alapú csomagolóanyagok újrahasznosításába. Az talán a szakmán túl is ismert tény, hogy bizonyos számú újrahasznosítás után a cellulózrostok olyannyira töredezetté válnak, hogy azokból már nagyon nehéz vagy lehetetlen újrapapírt gyártani. Nanotechnológiai eljárással ugyanakkor még az ilyen elaprózódott cellulózból is tudunk magas hozzáadott értékű papírt készíteni.

Milyen konkrét fejlesztések folynak jelenleg Sopronban?
– Egyik fő kutatásunk arra irányul, hogy újrahasznosított papírból miként tudunk értékes terméket előállítani. Ennek érdekében egy általunk kidolgozott módszer segítségével, a papírban lévő egyedi cellulózrostokat molekuláris réteggel vonjuk be, így két rost között nagyobb kötőerőt tudunk létrehozni. Ezzel tartósabb közöttük a kapcsolat. Az újrahasznosított, de már töredezett rostokat több cikluson keresztül tudjuk megőrizni, mint eddig. Kevesebb cellulóztörmeléket veszítünk, ami azzal a pozitív következménnyel is jár, hogy kevesebb papír alapanyagra lesz szükség. Eddig általában ötször-hétszer lehetett egy papírt feldolgozni, a mi módszerünkkel akár tízszer is újrahasznosítható ugyanaz az anyag. Az általunk továbbfejlesztett rétegképzéses eljárást az 1990-es években dolgozták ki, ezt a módszert hosszú időn keresztül a gyógyszeriparban alkalmazták, mert ezzel a hatóanyagok felszívódását lehetett befolyásolni. Egy másik, jelen pillanatban is folyó kutatásunk, ami a cellulózrostokhoz kapcsolódik: a nanokristályos cellulóz előállítása és érzékelőként, illetve rendezett vékonyfilmkészítésre való felhasználása. Kutatásaink révén kapcsolatba kerültünk a Nemzetbiztonsági Szakszolgálat illetékeseivel is, akikkel biztonsági elemek papírrostokon történő elhelyezésének lehetőségét vizsgáltuk. Ma már rutinszerűnek tekintjük a rostok belsejében található üregek nanoanyagokkal való kitöltését is.

Az újrapapírral kapcsolatban általános gond, hogy minél többször hasznosítunk egy anyagot, a végtermék annál kevésbé lesz esztétikus. Ezen a problémán is segíthet a nanotechnológia?
– A molekuláris réteggel módosított rostok felületén a festékek megkötése is optimálisabb, szebb nyomatokat lehet elérni, a hagyományos eljárással feldolgozott papírokhoz képest. Fejlesztéseink alapján elmondható, hogy ez a bevonat a rostok felületén nem kizárólag a papírgyártás során képezhető, hanem már meglévő papírokon is alkalmazható, ami javítja azok felületi tulajdonságait.

Mennyivel drágítja a na­no­tech­nológiás beavatkozás a csomagolóanyagot?
– Számításaink szerint 15-20 százalékkal kerül többe, de ha azt nézzük, hogy az alapanyag többször hasznosítható s a feldolgozás során kevesebb energiát és vizet igényel az eljárás, akkor már megéri ez a módszer.

Csak újrapapírral fog­lal­koz­nak Sopronban?
– A csomagolóiparban a másik nanotechnológiás irány a biológiai úton lebomló természetes alapanyagú polimerek, azaz biopolimerek hátrányos tulajdonságainak a javítása nanoméretű adalékanyagokkal.
A biopolimerek legnagyobb felhasználó piaca a csomagolóipar. Készülhetnek ebből az anyagból reklámfeliratos zacskók, hordozótáskák, élelmiszer-csomagolások, élelmiszertartók – például zöldségek, gyümölcsök, pékáruk, tojás, tejtermékek csomagolására –, üdítőitalos és ásványvizes palackok. Ha biopolimerről beszélünk, akkor elsősorban a politejsavra (PLA) kell gondolni, amely a tejsav polimerizációjával keletkező, biológiai úton lebomló anyag. Ebből palackot, tányért, evőeszközt is készíthetünk. A tejsav mindannyiunk számára ismert, hiszen intenzív testmozgás után ennek az anyagnak a feldúsulása okozza az izomláz nevű kellemetlenséget. A csomagolóanyag-ipar számára készített politejsavat egyébként – fermentációs eljárással – kukoricából állítják elő…

Ami etikai problémát is felvethet. Hiszen környezetvédők, emberjogi aktivisták szerint kétséges, hogy szabad-e szántóföldi növényeket ilyen célra felhasználni ahelyett, hogy állattakarmányozásra használnák fel a kukoricát?
– Én is azon a véleményen vagyok, hogy csak a felesleget lehet ipari célokra hasznosítani, illetve olyan mezőgazdasági területeket bevonni a növények termesztésébe, amelyek korábban parlagon hevertek. De le kell szögezni: hazánkban nem állítanak elő kukoricából politejsavat. Ide granulátum formájában Kínából, illetve az Egyesült Államokból érkezik. A politejsav-granulátumot itthon dolgozzák fel. Mi az előnyeit látjuk ennek a komposztálható anyagnak, illetve azokat a hátrányokat, amelyeket ki kell küszöbölni. A PLA-ból készült csomagolóanyagoknak ugyanis rossz az aroma- és gázzáró képessége, nem megfelelő a szilárdsága és rideg. Nanoméretű anyagokkal – agyagásvány-őrleménnyel vagy nanokristályos cellulózzal – azonban kiküszöbölhetjük ezeket a hátrányos tulajdonságokat. A mi eredményeink azt mutatják, hogy a cellulózkristállyal „feldúsított” politejsav tulajdonságai előnyösen megváltoznak.

Miért van szükség PLA-ra?
– A tradicionális műanyagok nagyon lassan bomlanak le, azaz nagyon hosszú időn át szennyezik a környezetet. A PLA-ból készült műanyag termékek azonban komposztálhatók, s – a talajban lévő mikroorganizmusoknak köszönhetően – négy héten belül lebomlanak. Kedvező tulajdonságai okán egyre emelkedik a PLA-termékek aránya. Sopronban most egy olyan PLA-fólia előállításán dolgozunk, amely tulajdonságaiban a hagyományos polietilénfóliák tulajdonságait közelíti meg. Ennek az ára jelenleg kétszerese a hagyományos fóliákénak, ám mi azon vagyunk, hogy belátható időn belül versenyképes árú termékkel jelentkezzünk. Jóllehet nem a mi fejlesztésünk, de nagyon fontos megemlíteni, hogy politejsavból a humángyógyászatban használható anyagokat készítenek. Ilyen például a belső varratoknál alkalmazott PLA-fonal, amely a seb gyógyulásával párhuzamosan lebomlik. Ugyanebből az anyagból csontrögzítő csavarok készülnek, amelyek szintén felszívódnak, azaz az ilyen csavarok alkalmazásánál – ellentétben a platinacsavarok kiemeléséhez – nincs szükség újabb műtétre.

A nanotechnológia más formában is megjelenik a csomagolóiparban?
– Különböző miniatürizált szenzorokat készítenek, hogy minél több információt nyerhessünk az adott termék állapotáról. Minél többet tud egy csomagolás, annál könnyebben eladható a benne rejlő termék is.

Hol, kik hasznosítják a soproni eredményeket?
– Reméljük, hogy itthon, Magyarországon. Az Első Magyar Csomagolástechnikai Klaszter projekttársasága: a Biopackpro Kft. elindította az Új piac – Új verseny – Tisztább világ elnevezésű projektet, amelyben egyetemünknek is aktív szerepe van.
A projekt célja, hogy a világviszonylatban is újdonságnak számító, környezetbarát, természetes biopolimer alapanyagú csomagolóanyagok gyártása és forgalmazása érdekében végezzen kutatási és fejlesztési feladatokat. További célja, hogy a hazai tudásanyag, a piaci tapasztalattal rendelkező vállalkozások közreműködésével és piaci ismereteinek felhasználásával hasznosuljon, munkahelyeket teremtsen, valamint hozzájáruljon a környezeti ártalmak csökkentéséhez, a hulladékgazdálkodás hatékonyságának javításához.
A soproni kutatások, kísérletek célja az, hogy az általunk kifejlesztett újdonságokból folyamatosan, ipari méretekben alkalmas ter­mékek készüljenek.

Saját termékeiket ajánlják az ipari partnereknek, vagy a partnerek megrendeléseinek tesznek eleget?
– Mint minden magára adó kutatóhely, mi is élünk mindkét lehetőséggel. Ha az ipar valamit nem tud megoldani, a segítségünket kérik, de előfordul, hogy mi fordulunk hozzájuk kérdésekkel. Céljaink elérése érdekében központi forrásra is pályázunk, ebben az évben a Gazdasági Operatív Program egyik pályázati kiírására jelentkezünk, illetve európai uniós pénzeket is szeretnénk elnyerni.

Biztonságos a nanotechnológia csomagolóipari alkalmazása?
– A cellulóz nanokristályoknak az élő szervezetre gyakorolt hatását finn kutatócsoport elemezte, és nem tártak fel káros következményeket. Ez egy természetes anyag, amit akár élelmiszer-ipari alapanyagokba is betehetünk. Erős túlzással: ehető csomagolóanyagról beszélünk. A nanoméretű adalékanyagokat – például az antibakteriális hatású cinket és ezüstrészecskéket – megpróbáljuk zöldkémiai eljárással, azaz minél kisebb energiaráfordítással és minél kisebb hulladékképződéssel előállítani. A nanotechnológiai erőfeszítések, a sokak által környezetszennyezőnek tartott papíripar „zöldítését” is szolgálják.

Kutatásvezetőként, -szervezőként mit szeretne még elérni az egyetemen?
– Olyan tudásbázis létrehozása az álmom, amellyel ki tudjuk szolgálni az ipari partnerek különféle igényeit a cellulóz, a papír, a rost és a bioműanyagok területén, s amellyel önálló, a piacon is eladható nanotechnológiás termékeket állítunk elő. Azt sem tartom elképzelhetetlennek, hogy belátható időn belül a csomagolóanyag-gyártás nanotechnológiai fejlesztőközpontjaként emlegetik világszerte Sopront.•

 
Innotéka