بیوپلاستیکدیدگاهمدیریت فناوری

نقش پلاستیک‌های زیستی در اقتصاد زیستی مدور

تجمع زباله‌های پلاستیکی نیاز جهانی را به سمت پلاستیک‌های زیستی و تجدیدپذیر سوق داده است. این نوع از پلاستیک‌ها بخشی از اقتصاد رو به گسترش و دوار زیستی محسوب می‌شود.


پلاستیک‌های زیستی جایگزین و راه‌حل مناسبی برای پلاستیک و زباله‌های ناشی از آن است. زباله‌های پلاستیکی پیامدهای زیست‌محیطی زیادی به دنبال دارند. به‌عنوان نمونه، مجموع پلاستیک تولید شده تا سال 2015 در سراسر جهان از 8/3 میلیارد تن عبور کرد که در نتیجه‌ی آن، مقدار 6/3 میلیارد تن پسماند پلاستیکی ایجاد شده است. این حجم از پلاستیک، نصف نیاز سالانه جهان را به انرژی در خود ذخیره دارد. 21 درصد از حجم زباله‌های پلاستیکی تا آن زمان بازیافت یا سوزانده شد. اما، 79 درصد دیگر در زمین دفن یا در طبیعت رها شده است.

فراگیر نشدن پلاستیک‌های زیستی آسیب‌های جدی به طبیعت وارد کرده است. زباله‌دان بزرگ اقیانوس آرام، یکی از نمونه‌های بارز این آسیب به شمار می‌آید. بسیاری از زباله‌های پلاستیکی ابعاد میلی‌متری دارند. بلعیدن این ذرات توسط موجودات زنده، آلاینده‌های پلاستیکی را وارد زنجیره غذایی انسان می‌کند. این ذرات حتی در نمونه‌های نمک، عسل، قند و آب بسته‌بندی‌شده دیده شده است. این موارد بخشی از پیامدهای استفاده نکردن از جایگزین مناسب (مثل پلاستیک‌های زیستی) برای آلاینده‌های پلاستیکی محسوب می‌شود.

پلاستیک‌های زیستی جایگزین مناسبی به‌جای پلاستیک‌های نفتی هستند. این محصولات زیستی در مدت زمان چند ماه تا یک سال به‌طور کامل به دی‌اکسیدکربن تجزیه شده و آلودگی از خود باقی نمی‌گذارند. علاوه بر این، می‌توان در راستای جذب و ذخیره‌سازی کربن، پلاستیک‌های زیستیِ غیر قابل تخریب تولید و از آن برای لوله‌کشی آب و فاضلاب شهری، ساختمان‌سازی و پوشش جاده‌ها استفاده کرد.

برای مقابله با آلاینده‌های پلاستیکی، لازم است از پلاستیک‌های زیستی حمایت بیشتری شود. سرمایه‌گذاری امریکا، اروپا و چین در حوزه سوخت فسیلی، ممکن است تولید پلاستیک‌های نفتی را برای چندین دهه ادامه دهد؛ مگر این‌که قوانین مناسب و حمایت‌کننده برای تولید پلاستیک‌های زیستی وضع شود. اعلامیه چین مبنی بر اینکه از دسامبر 2017 دیگر زباله‌های پلاستیکی را برای بازیافت از دیگر کشور‌ها قبول نمی‌کند، باعث شده است نیاز بشتری برای تولید پلاستیک‌های زیستی شکل گیرد.

پلاستیک‌های زیستی

در حال حاضر بیشتر پلاستیک‌های زیستی با استفاده از محصولات زراعی کشاورزی تولید می‌شود. این روش، بین تولید غذا و پلاستیک رقابت ایجاد می‌کند. بنابراین، نسل جدید پلاستیک‌های زیستی با استفاده از ریزجلبک‌ها تولید می‌شود. این جلبک‌ها را می‌توان در زمین‌های بی‌استفاده و کویری کشت داد. علاوه بر این، جلبک‌ها قادرند در آب‌های شور و پساب‌ها رشد کنند و نیاز مصرف آب شیرین را برای تولید پلاستیک‌های زیستی کاهش می‌دهد.

پلاستیک‌های زیستی که با استفاده از جلبک‌ها تولید می‌شوند، زیست تخریب‌پذیر هستند. تولید این محصولات می‌تواند به‌صورت پخش و غیر متمرکز انجام و در بازارهای محلی استفاده شود. با اجرای طرح‌های به این شکل، می‌توان تولید پایدار این نوع از پلاستیک‌ها را تضمین کرد.

پیچیدگی مولکول‌های گیاهی و باکتریایی، طیف متنوعی از انواع پلیمرها را برای تولید پلاستیک‌های زیستی در دسترس قرار می‌دهد. در شکل 1 گروه‌های اصلی این پلاستیک‌ها آمده است. این گروه‌ها انواع پلاستیک‌های با بنیان نشاسته، پلی هیدروکسی آلکانوات (PHAs)، پلی لاکتیک اسید (PLA)، سلولوز، پلی اتیلن و پلی ونیل کلراید (PVC) تجدیدپذیر و همچنین پلیمرهای با بنیان پروتئینی را شامل می‌شود. شکل 1، مونومر و پلیمر‌های طبیعی برای تولید پلاستیک‌های زیستی، مثال‌هایی از فرآیند تبدیل و ویژگی و کاربرد این پلاستیک‌ها را نشان می‌دهد.

شکل 1- گروه‌های اصلی پلاستیک‌های زیستی
شکل 1- گروه‌های اصلی پلاستیک‌های زیستی

با استفاده از روش‌ها و افزودنی‌های مختلف می‌توان انواع پلاستیک‌های زیستی با ویژگی‌های متفاوت تولید کرد. مشتق‌سازی، استفاده از انواع روان‌کننده‌ها (plasticizer)، پایدار کننده‌ها، پر کننده‌ها، بهبود دهنده‌های فرآیندی و رنگ‌ها از جمله مواردی است که می‌تواند ویژگی پلاستیک‌ها (نقطه ذوب، چگالی، طول عمر، زیست تخریب‌پذیری، مقاومت به پرتو فرابنفش، شفافیت و …) را تحت تأثیر قرار دهد.

شکل 1 تخریب‌پذیری پلاستیک‌های زیستی را در آب، خاک و سامانه‌های صنعتی کمپوست (کنترل‌شده‌ترین حالت برای تخریب پلاستیک‌های زیستی بر حسب دما، رطوبت و ترکیب میکروبی) نشان می‌دهد. دقیق‌ترین دستورالعمل‌ها در مورد تخریب این نوع پلاستیک‌ها برای سامانه‌های کمپوست صنعتی وضع شده است. این دستورالعمل‌ها زمان لازم برای تخریب، درصد دی‌اکسیدکربن منتشر شده و باقی‌مانده‌های سمی را تعریف می‌کند (شکل 2).

شکل 2- برخی استانداردها برای تجزیه پلاستیک های زیستی
شکل 2- برخی استانداردها برای تجزیه پلاستیک های زیستی

پلاستیک‌های زیستیِ غیر قابل تخریب

با استفاده از پلاستیک‌های زیستی می‌توان در راستای جذب و ذخیره دی‌اکسیدکربن که یک معضل جدی است، گام مهمی برداشت. علاوه بر این، با استفاده از این پلاستیک‌ها می‌توان زیرساخت‌های پایدارتری (سامانه توزیع آب شهری و لوله کشی فاضلاب، استفاده در مواد ساختمانی و سقف و پوشش جاده‌ها) ایجاد کرد. جایگزینی مواد اولیه پتروشیمی با نمونه‌های زیستی، مثل پلی اتیلن زیستی، می‌تواند کمک شایانی برای همه‌گیر شدن پلاستیک‌های زیستی داشته باشد.

پلاستیک‌های زیستی تخریب‌پذیر و استانداردهای زیست تخریب‌پذیری

با کمک پلاستیک‌های زیستی تخریب‌پذیر می‌توان محصولاتی با حداقل تأثیر منفی روی طبیعت تولید کرد. از لحاظ نظری، زیست تخریب‌پذیری این پلاستیک‌ها قابل کنترل است. از این رو، تدوین استانداردهای ملی و بین‌المللی برای این محصولات یک نیاز جدی برای طراحی فرآیند و پایداری صنایع نوظهور پلاستیک‌های زیستی محسوب می‌شود.

فرآیند قانون‌گذاری برای تخریب پلاستیک‌های زیستی با توسعه‌ استانداردهای لازم برای سامانه‌های صنعتی کمپوست آغاز شده است (شکل 2 الف)؛ اما برای تخریب گسترده این محصولات در طبیعت، باید روی تخریب در کمپوست‌های خانگی و همچنین تخریب در آب و خاک توجه کافی ایجاد شود.

پیشرفت پلاستیک‌های زیستی باید به گونه‌ای باشد که این محصولات در سامانه‌های کمپوست صنعتی، خانگی و محیط‌های آبی و خاک به دی‌اکسیدکربن و آب تخریب شود. علاوه بر این، تخریب این محصولات هیچ محصول جانبی سمی از خود بر جای نگذارد (شکل 2 ب).

یکی از بهترین زمینه‌ها برای استفاده از پلاستیک‌های زیستی، صنایع بسته‌بندی مواد غذایی است. پلاستیک‌های پتروشیمی، مثل پلی اتیلن تر فتالات (PET) که در بسته‌بندی آب، ظرف و بشقاب‌های غذا استفاده می‌شود، بیش از 90 سال در طبیعت تخریب می‌ماند (جدول 1). علاوه بر این، نرخ 20 درصدی برای بازیافت جهانی پلاستیک شرایط فعلی را بدتر می‌کند.

جدول 1- پلاستیک‌های مرسوم و ویژگی‌های آن‌ها

رزین اندازه تخمینی بازار و قیمت واحد کاربردها تخریب در خاک مرطوب (سال) تعویض نشاسته نمونه تعویض PHA نمونه تعویض PLA نمونه
PET 34/7 میلیارد یورو بطری نوشابه، ظرف غذا، بشقاب، پوسته 27 تا 93 بسته‌بندی انعطاف‌پذیر پوسته بطری با عمر کوتاه
1/05 یورو بر کیلوگرم
HDPE 124/6 میلیارد یورو بطری (شوینده)، کیسه، مخازن حمل و نقل کمتر از 700 بسته‌بندی انعطاف‌پذیر بسته‌بندی بطری شامپو
1/21 یورو بر کیلوگرم
PVC 50/6تا76/4 میلیارد یورو لوله، قاب پنجره، نرده، محصولات پزشکی کمتر از 32 پوسته‌های بسته‌بندی کفپوش وینیل سلفون
1/59 یورو بر کیلوگرم
LDPE 52/5 میلیارد یورو اسباب‌بازی، بطری‌ها فشردنی، چسب، پوسته‌های کششی کمتر از 32 بسته‌بندی بسته‌بندی پوشش‌دهی
1/12 یورو بر کیلوگرم
PP 61/4 میلیارد یورو ظروف، بطری، پلاستیک بادوام کمتر از 100 بسته‌بندی بسته‌بندی قوطی ماست
0/90 یورو بر کیلوگرم
PS 3/93 میلیار یورو ظروف، اسباب‌بازی، محصولات پزشکی، عایق‌بندی کمتر از 32 پرکننده سبک داربست پزشکی عایق‌بندی
0/57 یورو بر کیلوگرم
بقیه موارد متغیر اکریلیک، نایلون، تفلون، پلی کربنات متغیر جایگزینی پلی متیل متاکریلات (اکریلیک) جایگزینی پلی بوتیلن آدیپات ترفتالات (PBAT) جایگزینی پلی کربنات

قابلیت کنترل طول عمر برای پلاستیک‌های زیستی مزیت بارز این محصولات نسبت به مواد پتروشیمی است. به‌عنوان مثال، بطری‌های آب را می‌توان با طول عمر 2 تا 3 سال و امکان تخریب در شرایط خاص طراحی کرد (شکل 2).

 با توجه به اینکه نصف پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر در دنیا برای مواد بسته‌بندی استفاده می‌شود، تمرکز روی حوزه پلاستیک‌های زیستی بازار مناسبی را در آینده تجربه می‌کند. با این حال، برای ایجاد رقابت در بازار پلاستیک‌های زیستی، پیشرفت زیست‌فناوری و فرآیندهای تولید اهمیت زیادی دارد. قیمت بازار برای پلاستیک‌های زیستی متداول و برخی مواد اولیه در جدول 2 آمده است.

پیشرفت صنایع پلاستیک‌های زیستی

صنایع پلاستیک‌های زیستی پیشرفت‌های مرحله‌ای داشته است. در مرحله اول، تمرکز این صنایع روی جایگزینی مواد اولیه پتروشیمی‌ها با مونومر و پلیمرهای گیاهی گذاشته شد. این مرحله برای اثبات اقتصادی بودن فرآیندهای تولید و نشان دادن امکان تأمین محصولاتِ آماده‌ ورود به بازار انجام گرفت.

در مرحله اول، بیشتر پلاستیک‌های زیستی از گیاهان (باقی‌مانده محصولات زراعی) تولید و به صورت ترکیب با محصولات پتروشیمی به بازار عرضه شد (شکل 1). در این محصولات، زیست تخریب‌پذیری به نسبت بهبود یافت؛ اما، عدم تخریب کامل و تولید محصولات جانبی سمی (مثل ذرات میکرونی پلاستیکی) چالش حل نشده‌ این محصولات به شمار می‌رفت.

در مرحله دوم، مفهوم استفاده از مونومر و پلیمرهای زیستی برای تولید پلاستیک‌های زیستی و تأمین نیاز بازار، سنگ بنای مهمی را برای حل مشکل پلاستیک‌های پتروشیمی ایجاد کرد. وابستگی به نفت، انتشار دی‌اکسیدکربن، ماندن طولانی‌مدت در طبیعت و تولید محصولات جانبی خطرناک (مثل ذرات میکرونی پلاستیکی)، ازجمله چالش‌هایی است که با پلاستیک‌های زیستی حل می‌شود.

یافتن منابع و روش‌های جدید برای تولید پلاستیک‌های زیستی بر اساس محدوده گسترده‌تری از شیمی (شکل 1)، فرصت گسترش، تنوع و افزایش حجم تولید را ایجاد کرده است. بر این اساس می‌توان محصولات زیستی با کیفیت مشابه یا بهتر از نمونه‌های پتروشیمی تولید کرد (جدول 1).

جدول 2- قیمت پلاستیک‌های زیستی و مواد اولیه (2018)

پلاستیک زیستی قیمت تقریبی (یورو بر کیلوگرم)
نشاسته ذرت 0/34
اتانول 0/39
لاکتیک اسید 1/14
خمیر کاغذ حل شده و رنگ‌بری نشده 1/26
دانه سویا (پروتئین جدا شده) 2/02
پلی لاکتیک اسید 1/72
پلی هیدروکسی آلکانوات 2/49

تنوع در پلاستیک‌های زیستی این امکان را فراهم می‌آورد که با ترکیب نمونه‌های مختلف، محصولاتی با خواص مورد نیاز بازار (مثل خواص ضد اشعه فرابنفش و سازگاری زیستی) و 100 درصد طبیعی ارائه کرد.

پیشرفت صنایع پلاستیک‌های زیستی و افزایش تقاضا برای این محصولات، نیاز این صنایع را برای تأمین مواد اولیه از گیاهان افزایش داد. افزایش وابستگی به محصولات کشاورزی و جنگل‌ها می‌تواند تعادل طبیعی چرخه کربن (مثل حاصل‌خیزی) را در خاک بر هم زند. بنابراین، در مرحله سوم نسل جدید سامانه‌های مبتنی بر ریزجلبک و سیانوباکتری برای اقتصاد مدور پلاستیک‌های زیستی ایجاد شده است. این سامانه‌ها علاوه بر جذب کربن، مزیت‌هایی مثل امکان تولید در زمین‌های بی‌استفاده و آب‌های شور و پساب را با خود همراه دارند.

تبدیل زیست‌توده به متان برای تولید پلاستیک‌های زیستی

زیست‌توده را می‌توان به روش‌های مختلف به پلاستیک‌های زیستی تبدیل کرد. فوتوسنتز در سلول‌های سیانوباکتری (شکل 3 الف)، ریزجلبک (شکل 3 ب) و گیاهی دی‌اکسیدکربن را به مولکول‌های زیستی (زیست‌توده) تبدیل می‌کند. تبدیل این زیست‌توده‌ها به متان با کمک فرآیند تخمیری، ساده‌ترین روش برای تولید پلاستیک‌های زیستی به‌شمار می‌رود (شکل 3 ج). چرا که روش‌های شیمیایی زیادی برای تبدیل متان به پیش‌ماده‌ تولید پلاستیک‌های زیستی وجود دارد.

متان را می‌توان به پیش‌ماده‌ تولید پلاستیک‌های زیستی مثل PHAs، لاکتیک اسید، اتانول و پروتئین‌ها تبدیل کرد. مزیت این روش، کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری و هزینه‌های اجرای فرآیند است. البته، در تبدیل زیست‌توده به متان برای تولید پلاستیک‌های زیستی، باید مولکول‌های پیش‌ماده‌ پلاستیک دوباره سنتز شوند. سنتز دوباره‌ی این مولکول‌ها یکی از ایراد‌های این روش به شمار می‌آید. با این حال، استفاده از متان روش مؤثر و تجدیدپذیری برای تولید پلاستیک‌های زیستی محسوب می‌شود.

رویکرد پالایشگاه زیستی برای تولید پلاستیک‌های زیستی

یک راه‌حل جایگزین برای تولید پلاستیک‌های زیستی، جداسازی مولکول‌های زیستی از زیست‌توده در پالایشگاه زیستی است (شکل 3). توسعه فرآیندهای شکستن مکانیکی سلول و مایع‌سازی هیدروترمال می‌تواند مولکول‌های زیستی موجود در سلول (مثل پروتئین، لیپید، کربوهیدرات، نوکلئیک اسید سلولوز و دیگر موارد) را به‌آرامی خارج سازد. از این مولکول‌ها می‌توان برای تولید انواع پلاستیک‌های زیستی استفاده کرد (شکل 1).

برای تولید پلاستیک‌های زیستی با رویکرد پالایشگاه زیستی باید توجیه اقتصادی وجود داشته باشد. انتظار می‌رود با تولید محصولات جانبی خالص، ارزش این فرآیندها به واقعیت نزدیک شود. به‌عنوان نمونه از سیانوباکتری‌ها می‌توان موادی مثل پلی هیدروکسی بوتیرات، خوراک دام، رنگ‌دانه‌ها، متان و کود را به‌عنوان محصول جانبی تولید کرد.

برای تولید پلاستیک‌های زیستی در پالایشگاه‌های زیستی، توجیح اقتصادی زمانی امکان‌پذیر است که تمرکز روی تولید روان‌کننده‌ها و لاکتیک اسید باشد؛ چرا که این مواد محصولات با ارزشی به‌شمار می‌آیند. تولید انواع پلاستیک‌های زیستی از یک منبع باعث جبران هزینه‌های سرمایه‌گذاری می‌شود. در کنار این موارد، مطالعات دقیق فنی- اقتصادی لازم است تا با بهبود فرآیندها و توسعه مدل اقتصادی، احتمال ضرر افزایش مقیاس را کاهش دهد.

رده‌های سلولی جهش‌یافته برای تولید پلاستیک‌های زیستی

سیانوباکتری‌های جهش‌یافته می‌توانند نور را مستقیم به پلاستیک‌های زیستی مثل PHA تبدیل کنند. انتظار می‌رود با پیشرفت فناوری کریسپر بتوان عملکرد ریزجلبک‌ها را برای جذب بهتر نور و همچنین بهینه‌سازی مسیرهای سنتز مولکول‌های شیمیایی خاص مهندسی کرد. با پیشرفت‌های مهندسی ژنتیک، تولید پیش‌ماده پلاستیک‌های زیستی بهبود یافته و امکان تولید محصولات با خواص فیزیکی و شیمیایی متنوع ایجاد می‌شود. علاوه بر این، سلول‌های جهش‌یافته ریزجلبک و سیانوباکتری در سامانه‌های بسته کشت‌شده و توان بعد از تولیدِ محصول آن‌ها را از بین برد. به این ترتیب نگرانی‌های مربوط به میکروارگانیسم‌های جهش‌یافته (GMO) کاهش می‌یابد.

در هر صورت، تولید بسیاری از پلاستیک‌های زیستی در حال حاضر نمی‌تواند با پلاستیک‌های تولیدی پتروشیمی رقابت کند. لازم است در کنار پیشرفت‌های فناوری، قوانین حمایتی برای این محصولات زیستی وضع شود. به این ترتیب می‌توان آینده‌ روشنی را برای اقتصاد زیستی مدور و مبتنی برا پلاستیک‌های زیستی تصور کرد.

منبع
Trends in plant science
برچسب‌ها
نمایش بیشتر

یونس عبداللهی مفرد

فارغ التحصیل کارشناسی مهندسی شیمی و ارشد بیوتکنولوژی هستم. تخصصی روی تولید آنزیم و همچنین اسپیرولینا کار می‌کنم. غیر از این، برای اینکه بروز باشم و ببینم بقیه حوزه‌ها چندچند هستند، جدیدترین اخبار و مقالات زیست‌فناوری را دنبال می کنم.

نوشته‌های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

× پنـج = 40

دکمه بازگشت به بالا
بستن