بیوپلیمرهای زیست تخریب پذیر در محیط زیست
پلیمرهای زیست تخریب پذیر به گونه ای طراحی شده اند که با ماندن در محیط زیست تجزیه می شوند. پیشرفت قابل ملاحظه ای در توسعه فرایندهای عملی و محصولات از پلیمرهایی مانند نشاسته، سلولز و اسید لاکتیک حاصل شده است. ضرورت ایجاد پلیمرهای زیست تخریب پذیر محلول در آب بعنوان جایگزینی برای محصولاتی مانند شوینده ها و لوازم آرایشی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با این حال، مصرف کنندگان تاکنون ارزش کمتری برای این مواد قائل شده اند و صنعت را مجبور به رقابت رو در رو براساس عملکرد محصولات مشابه موجود کرده اند. علاوه براین، هنوز زیرساخت مناسبی برای دفع مواد زیست تخریب پذیر وجود ندارد.
پلیمرهای معمولی مانند پلی اتیلن و پلی پروپیلن تا مدت طولانی در محیط زیست باقی می مانند. این پلیمرها که عمر طولانی دارند، برای ساخت پلاستیک هایی با مصرف کوتاه مدت به کار رفته و سپس دور انداخته می شوند مناسب نیست. همچنین، پلاستیک ها اغلب با مواد غذایی یا سایر مواد بیولوژیکی آلوده می شوند و بازیافت فیزیکی این مواد را غیرممکن می سازد. اما پلیمرهای زیست تخریب پذیر (BPs) که در محیط های فعال زیستی قرار می گیرند، با فعالیت آنزیمی میکروارگانیسم هایی مانند باکتری ها، قارچ ها و جلبک ها تجزیه می شوند. زنجیره های پلیمری آنها ممکن است توسط فرایندهای غیرآنزیمی مانند هیدرولیز شیمیایی شکسته شوند. BP ها اغلب از فرآوری CO₂ گیاهان در اتمسفر به دست می آیند و با تجزیه زیستی به CO₂ و CH₄، آب، زیست توده، مادۀ هیومیک و سایر مواد طبیعی تبدیل می شوند. بنابراین، با توجه به شکل زیر BP ها به طور طبیعی با فرایندهای بیولوژیکی بازیافت می شوند.
شکل 1:
مصرف جهانی پلیمرهای زیست تخریب پذیر از 14 میلیون کیلوگرم در سال 1996 به حدود 68 میلیون کیلوگرم در سال 2001 افزایش یافته است. بازارهای هدف آنها شامل مواد بسته بندی (کیسه زباله، فوم، ظرف غذا، فیلم بسته بندی، کاغذ چندلایه)، منسوجات بی بافت یکبار مصرف (پارچه های هوشمند)، محصولات بهداشتی (ورقه های پشت پوشک، سواب های پنبه ای)، کالاهای مصرفی (ظروف فست فود، کارتن تخم مرغ، دسته تیغ، اسباب بازی) و ابزار کشاورزی (فیلم های مالچ و گلدان ها) می شوند. با این حال، تجاری سازی BP به دلیل رقابت با پلاستیک های کالایی که برای مشتریان ارزان قیمت و پرمصرف هستند، با مشکل مواجه می شود. همچنین، زیرساختی برای دفع آنها در محیط زیست فعال بایستی ایجاد شود که به سرمایه گذاری نیاز دارد. بدون وجودِ شبکۀ گسترده ای از کمپوست و سایر تأسیسات تبدیل زیستی که علاوه بر کمپوست، سایر ترکیبات شیمیایی ارزشمند را تولید می کنند؛ BP ها و سایر مواد دور ریختنی زیستی (غذا یا کاغذ) در خاک دفن می شوند. بر همین اساس، در اینجا به بیان پیشرفت، چالش های فنی و اجتماعی، و مزایای زیست محیطی BP ها می پردازیم. با توجه به شکل زیر، برخی از بیوپلیمرهای زیست تخریب پذیر امیدوارکننده را بیان می کنیم که یا در حال توسعه هستند و یا در آستانۀ ورود به بازار.
شکل 2:
توسعه BP ها به بهترین وجه در "سبز شدن" شیمی صنعتی کاربرد دارد. در سال های آتی، توسعه آنها با سه عامل پیش می رود: نیاز به استخراج کربن بیشتر برای فرایندهای شیمیایی از مواد تجدیدپذیر به جای ذخایر نفت، توسعه فرایندهای شیمیایی پاک تر و جلوگیری از ایجاد اختلال در اکوسیستم. فرصت های کلیدی برای ساخت BP از محصولات تجدیدپذیر سالانه و پسماندهای کشاورزی و صنعتی وجود دارد. تولید مونومر و پلیرها با آنزیم ها، میکروب ها یا گیاهان روشی پاک تر و ایمن تر برای انجام شیمی است. پیشرفت های مهندسی ژنتیک مسیرهای متابولیک میکروب هایی را به وجود آورده است که مواد اولیه ارزان قیمت (مانند ملاس، نشاسته و چربی های زائد) را به طور اثربخشی به بلوک های ساختمانی BP (مانند اسید لاکتیک) تبدیل می کنند. شبیه سازی و بیان ژن ها در گیاهان امکانات جدیدی را برای استفاده از فتوسنتز به منظور سنتز مستقیم پلیمرها در گیاهان ایجاد کرده است. این فناوری های قدرتمند و به توسعه مداوم مسیرهای بیولوژیکی مقرون به صرفه برای طیف وسیعی از مواد شیمیایی من جمله مونومرها و پلیمرها را امکان پذیر می سازد. یکی از مزایای مهم منابع تغذیۀ تجدیدپذیر، در مقایسه با نفت، کاهش حجم CO₂ مشتق شده از سوخت فسیلی است. بعنوان مثال، حجم تولید PLA در سال 2020 حدود 3.6 میلیارد کیلوگرم در سال خواهد بود. اگر این پلیمرها جایگزین مقدار معادلی از پلیمرها با پایۀ سوخت فسیلی شوند، سالانه 192 تریلیون بیتو سوخت فسیلی صرفه جویی می شود و در نتیجه، انتشار CO₂ به میزان 10 میلیون تن کاهش می یابد.
پلیمرهای زیست تخریب پذیر تنها زمانی مقید هستند که بتوانند کاملآ تجزیه شوند. پلیمرهای محلول در آب معمولآ وارد تأسیسات تصفیه فاضلاب می شوند و زیرساخت چنین تجهیزاتی به راحتی در همه کشورهای صنعتی وجود دارد. این تجهیزات زیست فعالی را افزایش می دهند که به سرعت BP های محلول در آب را تجزیه می کند. در مقابل، زیرساخت سیستم های فعال زیستی برای دفع BP های غیرمحلول در آب عملکرد پایین تری دارند. بدون چنین زیرساخت هایی، بیومتریال قابل مصرف ارزشمند مانند مواد غذایی و زباله های جامد (30-25 درصد از کل زباله های جامد شهری) اغلب در محیط های دفن زباله خشک دفن می شوند. تنها راهکار منطقی تبدیل زباله های زیستی به کمپوست ارزشمند، مواد واسطه شیمیایی و انرژی استفاده از فرایندهای هوازی و بی هوازی است. وجودِ شبکه گسترده ای از کمپوست سازی پیچیده و سایر امکانات تبدیل زیستی برای پردازش مجدد BP ها و سایر زباله های زیستی برای سلامت آیندۀ اکوسیستم ما ضرورت دارد. با توجه به ملاحظات اقتصادی و زیست محیطی، تجاری سازی BP ها در بازار محصولات با عمر نسبتآ کوتاه ادامه خواهد یافت. با این حال، لازم به ذکر است که پلیمرهای زیست تخریب پذیر می توانند مقاومت بالایی در برابر فرایندهای تجزیه داشته باشند. این تصورات غلط مبنی بر اینکه پلیمرهای زیست تخریب پذیر نمی توانند برای اقلام چندمنظوره عمر طولانی داشته باشند، بایستی مورد بررسی قرار بگیرد.
