نقش پليمرهاي زيستي در صنايع آينده

[*mishi* 11,920]

اگر بگوييم اين روزها دنياي ما در حال تبديل شدن به جهاني پلاستيكي است، گزاف نگفته‌ايم.

با نگاهي به اطرافمان مي‌توانيم انبوهي از وسايل پلاستيكي را مشاهده كنيم. تقريبا در بيشتر صنايع كوچك و بزرگ امروز دنيا، نمونه‌هاي طلقي و پلاستيكي قطعات، وسايل و سازه‌ها اساس محصولات توليد شده را تشكيل مي‌دهند.

به بيان ديگر، هر محصولي را كه مصرف مي‌كنيم، از غذايي كه مي‌خوريم تا لوازم برقي به نحوي با پلاستيك سروكار دارد و حداقل در بسته‌بندي آن از اين مواد استفاده شده است. اين پلاستيك‌ها در كنار كارآمدي‌شان روزبه‌روز بيشتر گريبان ما انسان‌ها را با معضلات زيست‌محيطي كه به همراه آورده‌اند، مي‌فشارند؛ چراكه بيشتر پلاستيك‌هاي معمول در بازار از فرآورده‌هاي نفتي و زغال‌سنگ توليد شده و غيرقابل بازگشت به محيط هستند و تجزيه و برگشت به محيط آنها چندهزار سال طول مي‌كشد.

در چنين شرايطي، محققان علوم زيستي براي نجات ما از شر انبوه زباله‌هاي پلاستيك كه هر دقيقه هم بر حجمشان افزوده مي‌شود، گزينه‌اي مناسب‌تر از توليد پلاستيك‌هاي زيست‌تخريب‌پذير از منابع تجديدشونده مثل ريزسازواره‌ها و گياهان دست نيافتند. به اين ترتيب، دانش توليد پليمرهاي زيست‌تخريب با توسعه دامنه خود، در روند توليدات صنايع و محصولات مصرفي ما و در نتيجه در بهبود كيفيت زندگي در سرزميني كه حياتش بدون داشتن محيط زيستي زنده و سالم معنا ندارد، تحول بزرگي ايجاد خواهد كرد.

هديه بيوتكنولوژي به محيط‌زيست

آيا مي‌دانيد دليل اصلي زيست‌تخريب‌پذير نبودن پلاستيك‌هاي معمولي چيست؟ در واقع علت آن را بايد در طويل بودن طول مولكول پليمر و پيوند قوي بين مونومرهاي آن كه تجزيه‌شان توسط موجودات تجزيه‌كننده با مشكل مواجه مي‌شود، جستجو كرد.

شايد لازم باشد باز براي بسياري كه با واژه زيست‌تخريبپذيري آشنايي ندارند، بگوييم واژه زيست‌تخريب‌پذير ياBiodegradable به معني موادي است كه بسادگي توسط فعاليت موجودات زنده به زيرواحدهاي سازنده خود تجزيه شده و بنابراين در محيط باقي نمي‌مانند. استانداردهاي متعددي براي تعيين زيست‌تخريب‌پذيري يك محصول وجود دارد كه عمدتا به تجزيه 60 تا 90 درصد از محصول در مدت 2 تا 6 ماه محدود مي‌شود. اين استاندارد در كشورهاي مختلف متفاوت است. به اين ترتيب، دانشمندان با استفاده از علم بيوتكنولوژي، توانسته‌اند با استفاده از منابع طبيعي مختلف پلاستيك‌هايي را توليد كنند كه تجزيه آنها توسط تجزيه‌كنندگان طبيعي براحتي صورت مي‌گيرد. براي اين منظور و با هدف داشتن صنعتي در خدمت توسعه پايدار و حفظ زيست بوم‌هاي طبيعي، توليد نسل جديدي از مواد اوليه مورد نياز صنعت براساس فرآيندهاي طبيعي در دستور كار بسياري از كشورهاي پيشرفته قرار گرفته است. حتي دولت آمريكا در قالب برنامه‌اي بنا دارد تا سال 2010 توليد مواد زيستي را با استفاده از كشاورزي و با بهره‌برداري از انرژي خورشيدي با درآمد تقريبي 15 تا 20 ميليارد دلار انجام دهد. در اين ميان، توليد پليمرهاي زيستي توسط طيف وسيعي از موجودات زنده مثل گياهان، جانوران و باكتري‌ها جايگاه خاصي دارند.

 

پليمرهاي زيستي، خوشايند صنايع

مساله آن است كه استفاده از پليمرهاي زيست‌تخريب از 2 بعد بايد مورد تاييد صنايع قرار بگيرند؛ يكي از ديد محيط‌زيستي است؛ يعني اين مواد بايد بسرعت در محيط مورد تجزيه قرار گيرند، بافت خاك را برهم نزنند و براحتي با برنامه‌هاي مديريت زباله و بازيافت مواد از محيط خارج شوند. ديگري، از ديد صنعتي است؛ به اين معنا كه مواد بايد خصوصيات مورد انتظار صنعت را از جمله دوام و كارايي داشته باشد و از همه مهم‌تر، پس از برابري يا بهبود كيفيت نسبت به مواد معمول، قيمت تمام شده مناسبي داشته باشد. البته در هر دو بخش، بخصوص بخش دوم، استفاده از مهندسي توليد مواد براي دستيابي به اهداف مورد انتظار ضروري است.

البته بدون شك توليد پليمرهاي تجديدشونده با بهره‌برداري از كشاورزي، يكي از روش‌هاي توليد صنعتي پايدار است. براي اين منظور 2 روش اصلي وجود دارد كه شامل استخراج مستقيم پليمرها از توده زيستي گياه است كه شامل سلولز، نشاسته، انواع پروتئين‌ها، فيبرها و چربي‌هاي گياهي مي‌شود. دسته ديگر هم موادي هستند كه پس از فرآيندهايي مانند تخمير و هيدروليز مي‌توانند به عنوان مونومر پليمرهاي مورد نياز صنعت استفاده شوند.

تولد پلاستيك‌هاي سبز

در واقع تولد پليمرهاي گياهي از سال 1970 و در زمان بحران نفت آغاز شد. در آن زمان كشورهاي پيشرفته از جمله آمريكا، به فكر توليد موادي جهت صنايع بسته‌بندي افتادند كه وابسته به مواد نفتي و فسيلي نباشند. بنابراين پليمرهاي گياهي با تركيباتي چون سيب‌زميني، ذرت و گندم را مورد آزمايش قرار دادند. اين پليمرهاي هيدروكربني داراي خواص ضعيف پليمري هستند كه با تغيير و اصلاح آنها مي‌توان به شرايط پليمرهاي نفتي رسيد. با توجه به روند روزافزون استفاده مردم دنيا از ظروف يك‌بار مصرف پلاستيك و كلا پلاستيك‌هاي ساخته شده از مواد نفتي و عمر 300 ساله اين مواد بعد از دفن در خاك، آنها متوجه شدند بعد از مدت كوتاهي كره زمين را يك پوسته پلاستيك احاطه خواهد كرد و تاثيرات كوتاه‌مدتي چون سرطان‌زايي و بلندمدتي چون تغييرات ژني براي نسل‌هاي بعدي به همراه خواهد داشت.

بدون شك كاربرد وسيع از پليمرهاي گياهي، توسعه‌اي عمده در بخش كشاورزي به وجود مي‌آورد و اين اثر ثانويه‌اي است كه خيلي از كشورها، آن را مطرح مي‌كنند. يكي ديگر از مزيت‌هايي كه اين نوع پليمرها دارند، عدم وابستگي آنها به منابع نفتي و تاثيرناپذيري آنها از نوسانات قيمت اين منابع است. مسلما قيمت پليمرهاي نفتي به تبع افزايش و يا كاهش قيمت نفت دستخوش نوسانات زيادي مي‌شود و اين مساله براي توليدكنندگان مشكل ايجاد مي‌كند. تجزيه شدن پليمرهاي گياهي نه‌تنها ايجاد آلودگي نمي‌كند؛ بلكه باعث حاصلخيزي خاك هم مي‌شود. از سوي ديگر انرژي كمتري براي توليد پليمرهاي گياهي نياز است؛ چراكه براي توليد اين مواد، نيازي به دماي بالاي 190 درجه نيست و اين پليمرها در دماي حدود 130 درجه توليد مي‌شوند. اين اختلاف 60 درجه‌اي سالانه موجب صرفه‌جويي مالي زيادي مي‌شود. البته توليد پليمرهاي گياهي در آمريكا، اروپا و ژاپن طي6 سال اخير افزايش يافته است و حتي كالاهاي تبليغاتي در المپيك 2008 چين كه المپيك سبز ناميده شده، از پليمرهاي گياهي توليد شده بود.

 

كارخانه‌اي اقتصادي در توليد پلاستيك‌ها

علاوه بر روش‌هاي معمول استخراج پليمرها از گياهان و فرآيندهاي تخميري، مونومرهاي زيستي همچنين مي‌توانند توسط موجودات زنده نيز به پليمر تبديل شوند كه مثال بارز آن پلي‌هيدروكسي آلكانوات‌ها هستند. باكتري‌ها از جمله موجوداتي هستند كه اين دسته از مواد را به صورت گرانول‌هايي در پيكره سلولي خود توليد مي‌كنند. اين باكتري بسهولت در محيط كشت رشد داده شده و محصول آن برداشت مي‌شود.

در اين خصوص، جداسازي ژن‌هاي باكتريايي و انتقال آن به گياهان از پروژه‌هايي است كه اجرا شده است. نكته ديگر در توليد اقتصادي پلاستيك‌هاي زيست‌تخريب‌پذير، بهره‌برداري از باكتري‌هاي خاكزي است كه قادرند تا 80 درصد از توده زيستي خود را به انباشتن پليمرهاي غيرسمي و تجزيه‌پذير پلي‌هيدروكسي آلكانوات‌()PHA اختصاص دهند.

با وارد كردن اين پلاستيك‌ها به بدن، آنها بتدريج تجزيه شده و بدن بافت طبيعي را در قالب پلاستيك وارد شده دوباره‌سازي مي‌كند. در اين كاربرد تخصصي پزشكي، قيمت اين گونه محصولات زيستي قابل مقايسه با كاربردهاي كم‌ارزش اقتصادي پلاستيك در صنايع اسباب‌بازي، توليد خودكار و كيف نيست. به اين ترتيب هزينه توليد PHA ها با توليد آنها در گياهان اصلاح ژنتيك شده و كشت وسيع در زمين‌هاي كشاورزي، به نحو قابل ملاحظه‌اي كاهش خواهد يافت. مهم‌ترين مشكل لاينحل باقيمانده در بخش فني اين پروژه، چگونگي استخراج اين پليمر از بافت‌هاي گياهي با روشي كم‌هزينه و كارآمد است. به اين ترتيب بايد منتظر بود تا در آينده‌اي نزديك، اين محصولات دوستدار محيط‌زيست به توليد برسد.

بطري‌هايي كه ناپديد مي‌شوند

شايد برايتان جالب باشد بدانيد كه آخرين دستاوردهاي محققان، مربوط به توليد بطري‌هاي پلاستيكي است كه 4 ماه پس از دور انداخته شدن، از بين مي‌روند. در واقع دانشمندان با تركيب و اصلاح نوعي پليمرهاي زيستي، طبيعي و بر پايه نفت قصد دارند تركيب بهينه‌اي بسازند كه در توليد پوشش‌هاي نازك كشاورزي، بطري و وسايل انتقال دارو و زيست‌پزشكي و موارد ديگر استفاده مي‌شود. اگرچه در حال حاضر برخي شركت‌ها پليمرهاي زيست‌تجزيه‌پذير را به فروش مي‌رسانند؛ اما اين محصولات اغلب گران هستند و براي استفاده در كاربردهاي خاص، كيفيت پاييني دارند. به همين دليل، گروهي از پژوهشگران در حال بررسي چگونگي استفاده از افزودني‌هاي زيستي مانند نشاسته و سلولز، به منظور كاهش هزينه‌هاي اين محصولات هستند.

البته امروزه ديگر محدوديتي براي نوع كالا وجود ندارد و با پليمرهاي گياهي انواع قطعات ساخته مي‌شوند، طوري كه در اروپا آنقدر در اين زمينه محصولات متنوع توليد شده است كه حتي قطعه‌اي كه براي كاشت توپ گلف در زمين قرار مي‌دهند، ديگر بيرون نمي‌آورند و خود به خود در زمين مي‌پوسد و جذب خاك مي‌شود. مثال ديگر كيسه‌هاي پلاستيك بيمارستاني است كه دفن آنها آلودگي‌زاست. در حال حاضر اين نايلون‌ها را با استفاده از پليمرهاي گياهي توليد مي‌كنند و حلاليت آن را در آب افزايش مي‌دهند. با اين روش كيسه‌ها همراه لباس داخل لباسشويي قرار مي‌گيرد و پس از10 دقيقه در آب حل مي‌شوند.

 

پليمر زيستي جايگزين پوشش شيميايي

طي سال‌هاي اخير، صنايع توليد پليمرهاي زيستي هم از پيشرفت‌هاي حيرت‌برانگيز علم نانو بي‌بهره نمانده‌اند. قضيه از اين قرار است كه يك شركت اروپايي محصولي با تركيب پليمر زيستي نانويي، دوستدار محيط زيست توليد كرده كه قرار است در بسته‌‌بندي كاغذ هيدروفوبيك و مقوا، جايگزين پوشش‌هاي شيميايي مومي‌‌شكل شود.

اين محصول براحتي قابل تجزيه و بازيافت است و معايب امولسيون‌هاي موم‌‌شكل را ندارد. شركت توليدكننده اين محصول، فرآورده جديد را به عنوان جايگزين رقابتي و زيست ‌محيطي براي امولسيون‌‌هاي موم‌ شكلي توليد كرده است. توليد پليمرهاي زيستي نانويي نتيجه يك برنامه تحقيقاتي دو ساله است و با وجود نداشتن معايب امولسيون‌هاي موم‌ شكل، يك پوشش ضدآب بسيار كارآمد است. از سوي ديگر، اين پليمر زيستي، به ‌دليل خصوصيات ذاتي، تاثيري منفي بر چرخه بازيافت يا تجزيه زيستي بسته‌بندي ندارد. اجزاي سازنده اين پليمر زيستي از گياهان گرفته مي‌شود، در حالي كه امولسيون‌هاي موم ‌شكل از مواد شيميايي نفتي ساخته مي‌شوند و در زمينه اصلاح سطحي كاغذ و مقوا نيز مزاياي مهمي دارند.

 

دستيابي به دانش فني استفاده از پليمر گياهي

گفته مي‌شود ايران پنجمين كشور دارنده فناوري به‌كارگيري پليمرهاي گياهي توليد شده از نشاسته ذرت براي استفاده در صنايع بسته‌بندي مواد غذايي، پزشكي و كشاورزي است. كشورهاي آمريكا، آلمان، انگلستان و ايتاليا از اين فناوري استفاده كرده‌اند و اكنون از فاز بسته‌بندي گذشته‌اند و وارد توليد گلدان‌هاي نشاء و توليد روكش داروهاي هوشمند و لوازم يك بار مصرف پزشكي شده‌اند. اين پليمرها از سال 2002 در آمريكا و اروپا با هدف حفظ محيط زيست و عدم وابستگي به نفت توسعه پيدا كرده است و به دليل حجم مصرف و استفاده از آن در توليدات كشورها به اين فناوري روي آوردند. از آنجا كه در كشور ما 570 هزار تن در سال ظروف يك بار مصرف توليد مي‌شود كه حدود 300 تا 500 سال زمان مي‌برد تا پس از 2 بار بازيافت به طبيعت بازگردند، توليد ظروف يك بار مصرف توليد شده از پليمرهاي گياهي نشاسته ذرت كه در مدت حداكثر 6 ماه به خاك بازمي‌گردند مي‌تواند قدم بزرگي در حمايت از محيط‌زيست تلقي شود.

از سوي ديگر، امروزه يكي از عمده‌ترين كاربرد‌هاي پليمرهاي زيستي در حوزه‌هاي درماني است. نمونه جالب آن طرحي است كه پژوهشگران ايراني بر اساس آن توانسته‌اند به توليد نوعي پليمر زيست سازگار و تخريب‌پذير براي درمان سريع و غيرتهاجمي ضايعات غضروفي نائل آيند. در واقع محققان دانشگاه صنعتي اميركبير با بهبود خواص و اصلاح روش ساخت نوعي پليمر زيستي (بيوپليمر) كه نوعي هيدروژل طبيعي است و قابليت تزريق دارد، مي‌توانند آن را براحتي و بدون عمل جراحي باز، در محل مورد نظر براي ‌ترميم غضروف تزريق كنند. زمان كوتاه بسته شدن ژل (كمتر از يك دقيقه) امكان تزريق و پر كردن فضاهاي سه‌بعدي بدون نياز به قالب‌سازي و جراحي و همچنين ارزاني و كارآمدي از برتري‌هاي درمان با اين نوع پليمر‌هاي جديد به شمار مي‌روند.

 

شايد فردا سبز باشد!

كاربرد پليمرهاي زيستي پديده‌اي است كه بتازگي گسترش يافته است، گرچه جنبه‌هاي زيست‌محيطي به‌كارگيري اين الياف، نخستين دليل توجه به كاربردهاي صنعتي اين مواد بود، كاربردهاي آينده اين الياف بر پايه برتري‌ها و ويژگي‌هاي فني آنها خواهد بود. مسلما شركت‌هاي توليدكننده اين نوع پليمرها تلاش مي‌كنند كارايي اين مواد افزايش يابد و فاصله آنها با مواد سنتزي بسيار كمتر شود. كشت الياف براي اهداف صنعتي، توسعه روش‌هاي آماده‌سازي الياف را تداوم بخشيده و روش‌هاي نوين ساخت، در آينده ويژگي‌هاي اين الياف را بيشتر بهبود خواهند داد. به نظر مي‌رسد امكان به كارگيري اين الياف در قطعات بيروني خودرو، در آينده طرفداران فراواني پيدا كند. به‌علاوه الگو گرفتن از اصول طراحي طبيعت، نقش مهمي در كاربردهاي صنعتي محصولات طبيعي در آينده ايفا خواهد كرد. با اين حال بايد ببينيم آيا سير تحولات دوستدار محيط‌زيست مي‌تواند در آينده نسبت به اقدامات تخريبي بشر پيشي بگيرد يا خير... .

 

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام