پرتال جامع ستاد توسعه زیست فناوری
۱۷ مرداد ۱۳۹۹

بیوپلاستیک؛ صنعتی رو به رشد

1991
0
دوشنبه, ۹ اردیبهشت ۱۳۹۸
سیمین مظاهری

پلاستیک های پتروشیمی ، یکی از بزرگترین اختراعات بشر هستند و به یک صنعت عمده و کالای ضروری در زندگی انسان تبدیل شده اندکه در برابر تجزیه شیمیایی و طبیعی مقاومند . رشد جمعیت انسانی و افزایش مصرف سالیانه ی پلاستیک باعث تجمع مقادیر زیادی از این زباله های غیر قابل تجزیه در محیط زیست شده و مشکلات زیست محیطی زیادی ایجاد کرده است .

امروزه پلاستیک ها کاربرد فراوانی در زمینه های گوناگون مانند پزشکی ، بسته بندی و ... دارند و به حدی استفاده از آن ها گسترش یافته که حذف این ماده را از صنعت ناممکن کرده ، بنابراین محققان علوم زیستی همواره در پی تولید پلاستیک های زیست تخریب پذیر از منابع تجدید شونده مثل سازواره ها و گیاهان به عنوان یک راه حل جایگزین می باشند

به طور کلی بیوپلاستیک ها از پلیمر های زیست تخریب پذیری که از منابع تجدید پذیر مانند پلی ساکارید ها (مثلا سلولز، نشاسته و کیتین)، چربی ها، روغن ها، پروتئین ها (مانند ژلاتین و گلوتن)، پلی استرهای گیاهی / میکروبی (پلی هیدروکسی آلکانیاها، مثلا پلی هیدروکسی بوتنوات ها) حاصل شدند، تولید می شوند و در طی فرایند تجزیه زیستی ، پلیمرها به اجزای ساده آنها شکسته شده و از طریق چرخه های عنصری مانند چرخه های کربن و نیتروژن به دی اکسید کربن، آب و زیست توده تحت شرایط هوازی و هیدروکربن ها، متان و زیست توده در شرایط بی هوازی تبدیل می شوند

 

اولین پلاستیک های زیست تخریب پذیر با منشا زیستی در سال 1862، توسط یک شیمیدان و مخترع، به نام Alexander Parkensine کشف شد.  این ماده از نیترات سلولز ساخته شده بود و به علت خاصیت انطباق پذیری زیادی که داشت مورد توجه عموم قرار گرفت اما به علت هزینه بالای تولید، تجاری نشد. پس از آن تا اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم تلاش های زیادی در زمینه تولید پلیمر های زیستی مختلف صورت گرفت از جمله  در سال های 1930- 1920PLA  و PHB دوتا از مهمترین ترکیباتی که امروزه در این صنعت بسیار پرکاربرد هستند توسط دو شیمیدان به نام های  Wallace Carothers و Maurice Lemoigne کشف شدند.

در این سال ها به علت فراوانی و ارزانی قیمت نفت، تولید بیوپلاستیک ها به طور جدی مورد توجه قرار نگرفت اما از دهه ی 50 ، به علت بحران نفتی و جنبش های محیط زیستی تولید بیوپلاستیک ها گسترش یافت و امروزه شرکت های Cargill و Dow Chemicals به عنوان تولید کنندگان پیشرو در صنعت تولید بیوپلاستیک PLA در ایالت متحده ی آمریکا معرفی می شوند و سالانه حدود 140000000 تن PLA تولید میکنند.

 

 

با توجه به انجمن بیوپلاستیک اروپا ، پلاستیک های قابل تجزیه شامل دو نوع هستند گروه اول پلاستیک هایی هستند که به طور ذاتی خاصیت تخریب پذیری دارند و به دلیل ساختمان شیمیایی خاصی که دارند به وسیله باکتری ها، آب یا آنزیم ها در طبیعت تخریب می شوند، مانند پلی لاکتیک اسید هایی که از اسید لاکتیک تولید می شوند. پیش بینی میشود این نوع پلاستیک ها، به علت برتری هایی که دارند ، در آینده به رقیب بسیار جدی برای پلاستیک های متداول امروزی بدل شوند .

گروه دیگر از این پلاستیک های قابل تجزیه آمیزه هایی هستند که در آن­ها یک ماده تخریب پذیر(مانند نشاسته) به یک پلاستیک متداول (مثل پلی اتیلن) اضافه شده و سرعت تخریب پلاستیک را افزایش میدهد. البته این نوع پلاستیک ها با اینکه کمک زیادی به کاهش زباله های پلاستیکی کرده اند، جایگاه چندان محکمی ندارند زیرا در انها  همچنان از پلاستیک های متداول تخریب ناپذیر استفاده شده و استفاده ی بیش از اندازه از مواد تخریب پذیر باعث تضعیف ویژگی های پلاستیک میشود.

پلیمرهای بیوسنتیک لازم برای ساخت پلاستیک های زیست تخریب پذیر می تواند از روش های گوناگون با و ترکیبات مونومری متفاوت تولید شود. برخی از آن ها به طور مستقیم از توده ی زیستی گیاه می شوند و عمدتا شامل سلولز ، نشاسته،انواع پروتئین ها فیبر و چربی های گیاهی هستند و به عنوان شالوده ی مواد پلیمری و محصولات طبیعی کاربرد دارند

دسته ی دیگر موادی هستند که پس از انجام فرآیند هایی مانند تخمیر و هیدرولیز میتوانند به عنوان مونومر های مورد نیاز صنعت استفاده شوند. مهم ترین مثال این نوع از پلاستیک ها PLA و PGA ها هستند که به ترتیب از مونومر های اسید لاکتیک و ، آیدیر اسید گلیکولیک حاصل از تخمیر نشاسته حاصل شده اند . سالانه تولید PLA رو به افزایش است و آمریکا و ژاپن بزرگترین تولید کنندگان PLA در جهان هستند .

پلیمر های زیستی همچنین می توانند از مونومرهای پتروشیمی سنتز شوند این گروه از پلی استرهای آلیفاتیک، مانند پلی وینیل (PVOH) پلیمرهای خاصی هستند که اتصالات ضعیفی دارند و نسبت به آنزیم هایی که سبب تجزیه زنجیره های پلیمری میشوند آسیب پذیرند . این ترکیبات بسیار گران تر از پلاستیک های پتروشیمی معمول هستند بنابراین استفاده ی محدودی در صنعت دارند و و اغلب به صورت ترکیبی در کنار نشاسته، سلولز و یا کوپلیمرها استفاده می شوند.

اما مهم ترین ترکیبات زیستی که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته اند، مونومر های زیستی هستند که توسط موجودات زنده به پلیمر تبدیل می شوند؛ باکتری ها از جمله موجوداتی هستند که این دسته از مواد را به صورت گرانول هایی در پیکره ی سلولی خود تولید میکنند

PHA ها از جمله مهم ترین ترکیباتی هستند که توسط برخی میکروب ها مانند Alcaligenes، Eutrophus و Cyanobacteria تولید می شوند که تا 80% از توده ی زیستی خود قادر به انباشتن پلیمر های غیر سمی و تجزیه پذیر پلی هیدروکسی آلکانوآت(PHA) هستند. .  PHA  ها عموما از زیرواحد های بتا هیدروکسی آلکان.آت و به واسطه ی مسیری ساده با 3 آنزیم از استیل کوآنزیم آ ساخته شده و معروف ترین آنها پلی هیدروکسی بوتیرات PHB   میباشد.

 در خلال دهه ی 80 میلادی شرکت انگلیسی ICI  فرایند تخمیری را طراحی و اجرا کرد که از آن طریق PHB   و سایر  PHA  هارا با استفاده از کشت تراریخته ی  E.coli   که ژن های تولید PHA   را از باکتری های تولید کننده این پلیمر ها دریافت کرده بود تولید میکرد متاسفانه هزینه ی تولید این پلاستیک های زیست تخریب پذیر تقریبا 10 برابر هزینه تولید پلاستیک های معمولی بود با وجود مزایای بی شمار زیست محیطی این پلاستیک ها مثل تجزیه کامل آنها در خاک طی چندماه، هزینه ی بالای تولید آن ها از لحاظ اقتصادی اصلا به صرفه نبود بنابراین از ان ها اغلب در صنعت پزشکی برای تولید بافت مصنوعی بهره براداری گردید به این صورت که با وارد کردن این پلاستیک ها در بدن آن ها به تدریج تجزیه شده و بدن بافت طبیعی را در قالب پلاستیک وارد شده دوباره بازسازی می کند.

هزینه تولید PHA   ها با تولید آنها در گیاهان تراریخته و کشت وسیع در زمین های کشاورزی به نحو قابل ملاحظه ای کاهش خواهد یافت این موضوع باعث شد که شرکت مونستانتو در اواسط دهه ی 90 میلادی امتیاز تولید PHA  را از شرکت ICI کسب نماید و به انتقال ژن های باکتری به گیاهان بپردازد. مهمترین مشکل لاینحل باقی مانده در بخش فنی این پروژه ، نحوه استخراج این پلیمر از بافت های گیاهی با روشی کم هزینه و کارآمد میباشد. مشکل دیگر در زمینه PHB می باشد که در حقیقت مهمترین گروه از PHA  ها بوده ولی متاسفانه شکننده است و در نتیجه برای بسیاری از کاربرد ها مناسب نیست .

اولین شرکت ایرانی فعالیت خود را در زمینه تولید پلیمرهای زیست تخریب پذیر بر پایه گیاهی (نشاسته ذرت) و کیسه های زیست تخریب پذیر پایه گیاهی از سال 1390 آغاز نمود و در حال حاضر با به کارگیری آخرین تکنولوژی های صنعت پلیمر و ماشین آلات مدرن روز، تامین کننده کیسه های خرید زیست تخریب پذیر تمامی میادین میوه و تره بار شهر تهران، فروشگاه‌های زنجیره ای و کیسه های زباله تجزیه پذیر مناطق شهرداری می باشد.

امروزه پلاستیک ها در تولید انواع فراورده های صنعتی، از صنعت خودرو سازی گرفته تا دنیای پزشکی ، بسیار کاربردی هستند و تنها در ایران به طور متوسط سالانه قریب به 000/600 تن پلاستیک مصرف می شود . اما این مواد به عنوان زباله های مقاوم به تجزیه میکروبی ، چالش های زیست محیطی پیچیده ای به وجود آورده اند . استفاده از پلیمر های صنعتی باعث به وجود آمدن مشکلاتی از قبیل دفن پسماند های جامد و همچنین گرم شدن کره ی زمین می شود . تا کنون تعداد زیادی از پلاستیک های میکروبی نیز در جهان تولید گردیده اما تولید آنها به علت عواملی چون بالا بودن قیمت سوبسترا و محصول دهی کم به صورت محدود انجام گرفته و باعث شده تا این گروه از پلیمر ها نتوانند با سایر پلاستیک ها رقابت داشته باشند.

بر اساس یکی از مطالعات انجام گرفته هزینه قابل توجه مواد اولیه علت اصلی بالا بودن قیمت پلاستیک های قابل تجزیه در مقایسه با پلاستیک های معمولی عنوان گردیده است . با توجه به قابلیت بازیابی اکثر پلیمرها، میتوان مواد پلاستیکی را پس از مصرف و دور انداختن مجددا طی فرایند بازیافت مورد استفاده قرار داد .

 

برچسب:

نظرات