تولید پلیمرهای پایدار و زیست تخریب پذیر از ضایعات کشاورزی
ضایعات کشاورزی از منابع متنوعی من جمله تفاله انگور، تفاله گوجه فرنگی، آناناس، پرتقال و پوست لیمو، باگاس نیشکر، پوسته برنج، کاه گندم و روغن پالم به دست می آید که نسبت به سایر مواد اقتصادی تر و متداول تر هستند. پیش سازهای غنی از کربن در تولید بیوپلیمرها از طریق روش های میکروبی، بیوپلیمری و شیمیایی کاربرد دارند. سازمان خواربار و کشاورزی (FAO) تخمین می زند که 20 تا 30 درصد از میوه ها و سبزیجات بعنوان ضایعات در حین حمل و نقل پس از برداشت دور ریخته می شوند. توسعه بیوپلیمرها با توجه به مقیاس آلودگی محیطی جهانی که مستقیما با تولید پلاستیک های مصنوعی مانند پلی پروپیلن (PP) و پلی اتیلن ترفتالات (PET) مرتبط است، ضروری است. سالانه 400 میلیون تن پلاستیک مصنوعی در سطح جهان تولید می شود که کمتر از 9 درصد آن بازیافت می شود. خواص نوری، مکانیکی و شیمیایی مانند جذب اشعه ماوراء بنفش (UV)، استحکام کششی و نفوذ پذیری آن تحت تاثیر روش های سنتز قرار می گیرند. تولید بیوپلیمرها از منابع تجدید پذیر و سنتز میکروبی مقیاس پذیر آسان است و در مقایسه با روش های سنتز شیمیایی که متکی به تصفیه قلیایی و اسیدی با ترکیب کوپلیمر است، کمترین تاثیر را بر محیط زیست دارد. با وجود توسعه روش های سنتز پیشرفته و کاربرد بیوفیلم ها در بسته بندی هوشمند مواد غذایی، ساخت و ساز، شبکه های در هم نفوذ کننده و دارو، تولید تجاری به دلیل هزینه، اقتصاد تولید، طول عمر، نگرانی های زیست تخریب پذیری و دسترسی کافی به ضایعات کشاورزی محدود است. تکنیک های جدید و مقرون به صرفه به منظور تسهیل در تولید تجاری بیوپلیمرها و جایگزینی پلیمرهای مصنوعی بسیار ضروری هستند.
این مقاله به بررسی تولید بیوپلیمرها، پلیمرهای زیست تخریب پذیر و پلیمرهای تهیه شده از ضایعات کشاورزی مانند دانه های میوه، پوست میوه، پوست نارگیل، پوست سیب زمینی، هرس درخت پرتقال، کاه گندم، پودر پروتئین سویا ایزوله، الیاف روغن پالم، شکر پالم، نشاسته ذرت و پوسته برنج می پردازد که بعنوان منابع تجدید پذیر طبقه بندی می شوند. هدف از این مطالعه ارائه شواهد قطعی از این است که آیا بیوپلیمرها، پلیمرهای زیست تخریب پذیر و پلیمرهای تهیه شده از ضایعات کشاورزی کاملا زیست تخریب پذیر بوده یا فقط قابل کمپوست هستند. داده های تجربی نشان می دهد که پلیمرها با نرخ های متفاوتی در محیط کمپوست می شوند. بررسی مواد سبز مانند بیوپلاستیک ها با مشارکت مواد پلاستیک مصنوعی در آلودگی آنتروپوژنیک محیط زیست در هر چرخه از حیات، از سنتز مونومر گرفته تا دفع/ دفن زباله یا بازیافت، تایید شده است. با توجه به اینکه سالانه بیش از 400 میلیون تن زباله تولید می شود، نرخ فعلی تولید جهانی پلاستیک ناپایدار است. علاوه براین، انتظار می رود این میزان تا سال 2050 چهار برابر شود و همزمان ضایعات پلاستیکی زراعی هم افزایش یابد. ضایعات پلاستیکی کشاورزی از شبکه های شیدینگ، مالچینگ و ظروف آفت کش هم منشا می گیرند. حجم این ضایعات مطابق با تقاضای جهانی برای مواد غذایی کشت شده در محیط های کنترل شده نیز افزایش می یابد. مقدار ضایعات کشاورزی حاصل از زنجیره های مختلف تامین حدود 90 میلیون تن معادل نفت (MTOE) بود. با توجه به اینکه تنها بخش کوچکی از این ضایعات در تولید خوراک دامی، کود حیوانی و سایر فرآورده ها با ارزش افزوده استفاده می شود، پتانسیل تولید پلیمرهای زیست تخریب پذیر از ضایعات کشاورزی کاملا محسوس است. بازیافت زباله های پلاستیکی با استفاده از فناوری های امروزی چندان مطلوب نیست زیرا خطر نشت مواد شیمیایی سمی و مصنوعی مانند آنتی اکسیدان ها، نرم کننده ها و حتی تثبیت کننده ها وجود دارد.
نبود فرایندهای بازیافت آسان، مقیاس پذیر و زیست سازگار میزان بازیافت زباله های پلاستیکی در سراسر جهان را تحت تاثیر قرار داده است؛ به طوری که تنها 9 درصد از آنها بازیافت می شوند. این نکته که زباله های پلاستیکی محیط زیست را تهدید می کنند، بسیار فراتر از عدم دسترسی به روش های بازیافت مناسب است؛ به طوری که سنتز کامپوزیت های پلیمری زیست سازگار تحت تاثیر روش های سنتز نامناسب قرار گرفته است. نرخ تولید پلاستیک غیر قابل تجزیه و دفن زباله همراه با رشد سریع جمعیت جهانی نشان می دهد که مدل سنتی بازیافت زباله که متکی بر استخراج مواد خام، تولید، استفاده و دفع بود، در قرن 21 و فراتر از آن قابل اجرا نیست. حامیان محیط زیست از اتخاذ رویکرد جدیدی در تولید حمایت کرده اند که تضمین می کند محصولات قابل استفاده امروزی منابع و موادی برای توسعه فرآورده های آتی فراهم می کنند و آن را می توان از طریق شناخت کسب و کارهای مدون دوره ای به دست آورد که تعاونی های کشاورزی، پارک های کشاورزی، ساختارهای پشتیبانی، پالایشگاه های زیست محیطی، طرح های بیوگاز و افزایش چرخه کارآفرینی ادغام می کند.
این مقاله به بررسی دانش جدیدی در مورد تولید بیوپلیمرها، پلیمرهای زیست تخریب پذیر و پلیمرهای تهیه شده از ضایعات زراعی تجدید پذیر مانند تفاله انگور و گوجه فرنگی، عصاره چای سبز، روغن های ضروری، کورکومین، پوست نارگیل، ضایعات گیاهی، پوسته برنج، پوست میوه، عصاره دانه گریپ فروت، ضایعات سبزیجات، نشاسته ذرت و گندم، پسماند شهری می پردازد. پایداری یک معیار اولیه است که بر انتخاب پیش ساز (نوع پسماند کشاورزی) تاثیر می گذارد. تولید بیوپلیمرهای تجاری به میزان بالایی از ضایعات کشاورزی نیاز دارد که با توجه به اینکه ضایعات در سطوح خانگی و خرده فروشی رخ می دهند و هیچ مکانیزمی برای دسته بندی و دفع زباله ها وجود ندارد، یک چالش مهم محسوب می شود. علاوه براین، ضایعات کشاورزی متنوعی در سراسر جهان وجود دارد که خواص مکانیکی و نوری پلیمرهای توسعه یافته را تحت تاثیر قرار می دهد. پوست میوه و پوست نارگیل به ترتیب در مناطق گرمسیری، نیمه گرمسیری و مناطق ساحلی بسیار یافت می شود. همچنین ضایعات تفاله انگور هم در مناطقی مانند ایتالیا به وفور یافت می شود. نحوه دسترسی به این ضایعات میزان تولید را تحت تاثیر قرار می دهد. محدودیت دیگر برای این کار، عدم دسترسی به روش های سنتز آسان و مقیاس پذیر است. روش های جدید بر مدل های لابراتوار متکی هستند که در مقیاس تجاری تعریف نشده اند. روش های تجاری شامل ترکیب کوپلیمر و سنتز شیمیایی هستند و منجر به تشکیل بیوفیلم ها و بیوپلاستیک ها می شوند که 100 درصد زیست تخریب پذیر نیستند. بهبود خواص مکانیکی شامل ازدیاد طول در حین شکست، توانایی تجزیه حرارتی (در پایان تصفیه) و اثرات زیست محیطی من جمله ردپای کربن و سمیّت زیست محیطی است. اثرات نامطلوب افزودنی های شیمیایی، تثبیت کننده ها و آغازگرهای نوری با توسعه افزودنی های آنتی اکسیدانی تهیه شده از ضایعات کشاورزی مانند عصاره هسته انبه، عصاره چای سبز، پروتو کاتکویک اسید و عصاره هسته انگور بهبود یافته اند. روش های سنتز محدود هزینه ها و قابلیت بیوپلاستیک ها را برای رقابت مطلوب با پلیمرهای مصنوعی در بازار تحت تاثیر قرار می دهند. هزینه تولید تا حد زیادی بیان می کند که چرا سهم بازار جهانی پلاستیک های زیستی کمتر از 1 درصد است. پایان چرخه حیات مفید و تصفیه از دیگر نگرانی های نوظهور در این مسیر محسوب می شوند؛ بیوپلیمرهای طبیعی مستعد نفوذ پذیری بالای آب و فاقد استحکام مکانیکی مناسب هستند. داپینگ سطحی، اختلاط با پلیمرهای تجاری و تشکیل کامپوزیت های پلیمری استحکام مکانیکی را بهبود بخشیده و سرعت تجزیه زیستی را کاهش می دهد. وضعیت فعلی تحقیق و توسعه در تولید بیوپلاستیک ها پیش بینی کنندۀ آینده این پلاستیک ها و کمک به استحکام آنها در سطح جهانی است. پیشرفت در تولید بیوفیلم ها از طریق فناوری الکتروریسی/ الکترواسپری، غلظت سلولز فیبریل شده نانو و تقویت با سلولز به بهبود تقاضا برای بیوفیلم ها در صنعت بسته بندی کمک کرده است. کاربرد بیوپلیمرها در صنتع ساختمان و کشاورزی منوط به میزان دسترسی به روش های سنتز است که بین مقاومت کششی و خمشی، زیست تخریب پذیری و تاثیرات اکولوژیکی تعادل برقرار می کند.
