پلاستیک‌های زیستی، انواع و کاربردهای بیوپلاستیک

معرفی پلاستیک‌های زیستی

یکی از راه‌حل‌های ارائه شده برای حل مشکلات زیست محیطی، جایگزینی پلاستیک‌های نفتی با پلاستیک‌های زیستی است. پلاستیک‌های زیستی درواقع پلاستیک‌هایی هستند که از زیست‌توده‌هایی هم‌چون روغن و چربی گیاهان، نشاسته، ذرت و … تولید می‌شوند. میکروارگانیسم‌ها نیز می‌توانند در حضور برخی منابع، پلاستیک‌های زیستی را تولید کنند؛ اما نکته مهم در رابطه با این نوع از پلاستیک‌ها، توانایی تجدید پذیری آن‌هاست (11).

اما پلاستیک چیست؟

بر اساس تعریف دیکشنری Webster پلاستیک به هر نوع ترکیب آلی گفته می‌شود که از طریق پلیمریزاسیون ایجاد می‌شود، قابلیت شکل‌پذیری و قالب‌گیری را دارند و به اشکال مختلفی هم‌چون رشته و فیلم قابل‌تبدیل هستند. پلاستیک‌ها در دو گروه ترموستات و ترموپلاستیک طبقه‌بندی می‌شوند(5).

بخش عظیمی از دنیای امروز ما را پلاستیک‌ها اشغال کرده‌اند. پلاستیک‌ها سازه‌هایی هستند که به‌وسیله بشر تولیدشده‌اند و به طبیعت تعلق ندارند؛ بنابراین زباله‌های حاصل آن‌ها در طبیعت انباشت می‌شوند. تنها 9 درصد از پلاستیک‌ها بازیافت می‌شوند و اکثر آن‌ها موجب آلودگی محیط‌ زیست و نواحی دفع زباله می‌شوند. تجزیه شدن پلاستیک‌ها به 500 سال زمان نیاز دارد که در این حین مواد سمی نیز به زمین نفوذ می‌کنند. در هر دقیقه 12 کیسه پلاستیکی به طبیعت وارد می‌شود (1، 2).

پلاستیک‌ها توسعه قابل‌توجهی را از دهه 1940 آغاز کردند و کم‌کم جایگزین چوب، گِل، فلزات، شیشه و دیگر ترکیبات شدند(3). قیمت کم، دوام بالا، وزن کم، مقاوم بودن نسبت به تخریب، خواص مکانیکی و دمایی مناسب؛ پلاستیک‌ها را به انتخاب مناسبی برای بسیاری از کارها تبدیل کرده است. در نیمه دوم قرن بیستم پلاستیک‌ها به مهم‌ترین ابزار مورداستفاده در سراسر جهان تبدیل شدند (4، 5).

برای تولید پلاستیک‌ها از نفت خام که غیر‌تجدید پذیر است استفاده می‌شود. بر اساس گزارش‌ها روزانه 200000 بشکه‌ نفت فقط برای تولید پلاستیک‌های بسته‌بندی استفاده می‌شود. استفاده از این سوخت‌های بر پایه‌ی کربن موجب آزاد شدن حجم عظیمی از گازهای گلخانه‌ای در اتمسفر می‌شود که عواقبی هم‌چون گرم شدن زمین را در پی دارد (1، 6).

بحران‌ سوخت‌های فسیلی در دهه 70، نشر زیاد گازهای گلخانه‌ای و حمایت از محیط‌زیست موجب شد تا گروه جدیدی از پلاستیک‌ها بر روی کار بیایند(7، 8). این نوع پلاستیک‌ها که با عنوان پلاستیک‌های زیستی شناخته می‌شوند درواقع پدیده‌ی جدیدی نیستند و از دهه 1850 شناخته‌شده بودند. اولین پلاستیک‌های ساخته دست بشر که از نوع زیستی بودند در سال 1862 و تحت عنوان تجاری Parkesipne تولید شدند. در ساختار این پلاستیک‌ها از نیترات سلولز استفاده‌شده بود(9).

طبقه‌بندی پلاستیک‌های زیستی

تاریخچه‌ی پلاستیک‌های زیستی

1862– Alexander parkes اولین پلاستیک ساخته دست بشر را از ترکیبات سلولزی با نام parkesine تولید کرد. اساس این پلاستیک‌ها از مواد طبیعی بودند.

1897– Galalith به‌وسیله یک مخترع آلمانی تولید شد. این ترکیب یک نوع پلاستیک زیست‌تجزیه‌پذیر است که از کازئین شیر برای تولید آن استفاده شده است. این ترکیب به علت عدم شکل‌پذیری مناسب، کاربردهای تجاری محدودی داشت.

ساخت دکمه از Galalith

1907– Branden berger محصولی به نام سلفون را تولید کرد. این ساختار شامل صفحات شفافی بود که در ساخت آن از چوب، کتان، یا سلولز شاه‌دانه استفاده شده بود. Cellaphone یک برند تجاری شناخته شده است.

1926– Mariue lemoigne موفق شد پلی‌هیدروکسی‌بوتیرات (PHB) را از باکتری Bacillus megaterium جداسازی کند. این ترکیب اولین پلاستیک زیستی بود که از باکتری‌ها جداسازی شد.

دهه 1930– Henry ford آمریکایی از پلاسیتک‌های زیستی تولیدشده با دانه‌های سویا برای تولید بخشی از قطعات خودروهایش استفاده کرد! شرکت Ford بعد از جنگ جهانی دوم این کار را متوقف کرد.

1947– Rilsan که با عناوین پلی‌آمید 11 یا نایلون 11 نیز شناخته می‌شود، توسط شرکت Organico به‌عنوان یک اختراع به ثبت رسید. شرکت خودروسازی سیتروئن از این ترکیب برای خودروهای DS خود بهره برد. در حال حاضر حق این اختراع در اختیار شرکت Arkema است.

دهه‌های 1950 و 1960– W.R.Grace متوجه شد که می‌توان در ابعاد تجاری پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات و پلی‌هیدروکسی‌بوتیرات را به‌وسیله میکروب‌ها و باکتری‌ها تولید کرد؛ اما این کشف به علت قیمت پایین نفت خام در ادامه با شکست مواجه شد.

1973– بحران نفت به علت عدم تولید نفت توسط کشورهای عربی در حمایت از فلسطین باعث شد تا قیمت نفت خام افزایش یابد. بعد از این بحران، توجه زیادی به پلاستیک‌های زیستی معطوف شد.

1975– گروهی از دانشمندان به کشف چگونگی تجزیه‌ی زیستی در طبیعت برآمدند؛ و در پایان تحقیقات خود با باکتری Flavobacterium مواجه شدند.

1979– انقلاب ایران و جنگ با عراق موجب شد تا کمبود قابل‌توجهی در نفت ایجاد شود و قیمت آن نیز افزایش یابد؛ و همانند شرایط بحران نفت، تحقیقات بر روی یافتن گزینه‌های جایگزین پلاستیک‌های نفتی معطوف شود.

1983– صنایع شیمیایی سلطنتی و یک شرکت سرمایه‌گذار محلی (Marlborough teeside management) اولین شرکت تولید پلاستیک زیستی را با نام Marlborough Biopolymers تأسیس کردند. آن‌ها محصولات خود را تحت عنوان biopol که توسط باکتری‌ها تولید شده بود عرضه کردند. از این محصول برای تولید رشته، پنل و تراشه استفاده شد.

1990– شرکت ایتالیایی Novament تأسیس شد و کم‌کم خود را به‌عنوان یک پیشتاز در عرصه پلاستیک‌های زیستی مطرح کرد.

1992-Chris Somerville بیان کرد گیاه Arabidopsis thaliana می‌تواند پلی‌هیدروکسی‌بوتیرات را تولید کند.

1996– شرکت Monsanto حق امتیاز تجاری biopol را از Zeneca خریداری کرد؛ و محصولات جدید را خود را با کمک گیاهان به‌ جای میکروب‌ها تولید کرد.

1997– شرکت صنایع شیمیایی Cragill & Dow با هدف تولید پلاستیک زیستی از ذرت کار خود را آغاز کرد. در سال 2001 شروع به تولید پلی‌لاکتیک‌اسید (PLA) کرد. این شرکت در سال 2005 نام خود را به Nature works تغییر داد. در حال حاضر عمده‌ترین تولید‌کننده PLA در جهان به شمار می‌آید.

2001– Reny lucas فرانسوی شرکت Algopack را با هدف تولید پلاستیک زیستی از جلبک دریایی تأسیس کرد. جلبک‌های دریایی به هیچ نوع کود یا علف‌کُشی نیاز ندارند. این نوع از پلاستیک‌های زیستی در طی 12 هفته به شکل زیستی در محیط خاکی می‌توانند تجزیه شوند. اگر هم در محیط‌های آبی باشند زمان این تجزیه به پنج ساعت تقلیل می‌یابد.

2018– Neste تولید صنعتی پلی‌پروپیلن زیستی (Bio-PP) را با هدف ایجاد لوازم منزل شرکت IKEA آغاز کرد. پلی‌پروپیلن بعد از پلی‌اتیلن بیشترین کاربرد را به‌عنوان پلاستیک در جهان دارد. میزان فروش جهانی آن به 145 میلیارد دلار می‌رسد. Neste به دنبال جایگزینی نوع زیستی پلی‌پروپیلن با نوع حاصل‌شده از سوخت‌های فسیلی است.

2018– project effective با هدف جایگزینی نایلون با نایلون زیستی آغاز شد.

2018– تولید نمونه‌ی اولیه از خودرویی که تماماً از پلاستیک‌های زیستی تولید شده است.

2018– اولین نوع از بسته‌بندی‌های تولید شده از میوه‌ها ایجاد شد(12).

انواع پلاستیک‌های زیستی

پلاستیک‌های زیستی را به روش‌های گوناگونی می‌توان تقسیم‌بندی کرد. در یکی از این تقسیم‌بندی‌ها، پلاستیک‌ها در سه گروه به شرح زیر قرار می‌گیرند.

1- با پایه‌ی زیستی که فاقد توانایی زیست‌تخریب‌پذیری هستند. مثل پلی‌اتیلن (PE)، پلی‌پروپیلن (PP) و پلی‌اتیلن‌ترفتالات (PET).
2- با پایه‌ی زیستی و توانایی زیست‌تخریب‌پذیری. مثل پلی‌لاکتیک‌اسید (PLA)، پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات (PHA) و پلی‌بوتیلن‌سوکسینات (PBS).
3- با پایه‌ی سوخت‌های فسیلی و توانایی زیست‌تخریب‌پذیری. مثل پلی‌بوتینل آدیپات ترفتالات (PBAT).

تقسیم‌بندی پلاستیک‌های زیستی

ترکیباتی که دارای پایه‌ی زیستی هستند از منابع زیستی قابل بازیافتی هم‌چون روغن و چربی‌های گیاهی، نشاسته نخودفرنگی و میکروب‌ها به دست می‌آیند؛ اما پلاستیک‌های نفتی از نفت خام به‌عنوان منبع تولیدی‌شان استفاده می‌شود(13).

پلاستیک‌های زیستی را می‌توان بر اساس نوع منبع زیستی تولیدکننده‌ی آن‌ها نیز تقسیم کرد، که در این تقسیم‌بندی پلاستیک‌های نشاسته‌ای، پلاستیک‌های سلولزی، پلاسیتک‌های پروتئینی، پلی‌لاکتیک‌اسید، پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات‌ها، پلی‌آمید 11، پلی‌اتیلن‌های زیستی و پلیمرهای لیپیدی قرار می‌گیرند.

پلاستیک‌های نشاسته‌ای

پلاستیک‌های نشاسته‌ای می‌توانند به چند طریق از نشاسته تولید شوند. پلیمرهای حاصل‌شده از نشاسته‌ی خالص، پلیمرهای حاصل‌شده از نشاسته تخمیر شده، پلیمرهای حاصل‌شده از نشاسته تخریب‌شده، پلیمرهای حاصل‌شده از نشاسته تغییریافته (گروه OH جایگزین گروه‌های استری یا اتری می‌شود) و پلیمرهای حاصل‌شده از ترکیبی از چند نوع ترکیب نشاسته‌ای(14) از انواع متفاوت این نوع پلیمرها هستند. این ساختارها اغلب با سایر پلی‌استرهای تجزیه‌پذیر ترکیب می‌شوند تا برای کاربردهای صنعتی مناسب شوند. از جمله این ساختارهای مخلوط می‌توان به نشاسته/ پلی‌لاکتیک‌اسید(15)، نشاسته/ پلی‌کاپرولاکتون(16) و نشاسته/ Ecoflex (پلی‌بوتیلن‌آریپات همراه با ترفتالات)(17) اشاره کرد.

بخش عمده‌ای از کاربرد این نوع پلیمرها مربوط به صنایع بسته‌بندی (75 درصد) است و بقیه مصرف آن به صنایع کشاورزی اختصاص می‌یابد. یکی از کاربردهای منحصر ‌به‌ فرد این ترکیبات به ‌عنوان پرکننده تایر خودروها است که منجر به کم شدن صدا، اصطکاک و مصرف سوخت می‌شود(14).

برخی از انواع پلاستیک‌های نشاسته‌ای توانایی تجزیه‌پذیری در طبیعت را ندارند اما چون میزان کربن کمتری را آزاد می‌کنند، نسبت به پلاستیک‌های رایج برتری دارند(11).

پلاستیک‌‌های سلولزی

پلیمرهای سلولزی در اثر تغییرات شیمیایی در سلولز ایجاد می‌شوند. سلولز ساختاری شبیه به نشاسته دارد و فقط به لحاظ نوع پیوند گلیکوزیدی‌شان از هم متمایز می‌شوند. سلولز در مقابل هیدرولیز شدن از مقاومت بالایی برخوردار است زیرا دارای پیوندهای هیدروژنی قوی است. این نوع از پلاستیک‌های زیستی عمدتاً از سلولز استر (سلولز‌استات+نیتروسلولز) یا مشتقات‌شان مثل سلولوئید تولید می‌شوند (11، 14).

ساختمان پلیمرهای سلولزی

ازجمله تولیدکنندگان عمده این نوع پلیمرها می‌توان به شرکت‌های زیر اشاره کرد(14):

(Muzzucchelli (Bioceta
(FKUR (Biograde
(Albis (Cellidir
(IFA (Fasal
(Eastman (Tenite

پلاستیک‌های پروتئینی

پلاستیک‌های پروتئینی از 1930 برای کارهای متفاوتی هم‌چون تولید پوشش‌ها و سورفکتنت‌ها مورد استفاده قرار می‌گرفتند. بر اساس منبع تولیدی‌شان، این نوع پلیمرها در دو گروه گیاهی و جانوری طبقه‌بندی می‌شوند(10). این نوع از پلاستیک‌های زیستی عمدتاً از منابع پروتئینی هم‌‌چون گلوتن گندم یا کازئین تولید می‌شوند. این نوع از پلاستیک‌ها از خواص زیست‌تجزیه‌پذیری مناسبی برخوردار هستند(18).

پلی‌لاکتیک‌اسید (PLA)

در تولید پلی‌لاکتیک‌اسید (PLA) از نشاسته‌ی ذرت (در امریکا)، ریشه یا نشاسته‌ی تاپیوکا (در آسیا) و نیشکر(در سایر نقاط جهان) استفاده می‌شود. برای تهیه این محصول با نشاسته ذرت ابتدا مغز ذرت‌ها در سولفور دی‌اکسید و آب داغ غوطه‌ور می‌شود و اجزای آن شامل نشاسته، پروتئین و الیاف از هم تفکیک می‌شوند و روغن نیز جدا می‌شود. نشاسته‌ی ذرت دارای مولکول‌های کربن زنجیره بلندی است که مشابه آن را می‌توان در پلاستیک‌های نفتی نیز یافت (13).

فرایند تولید PLA از ذرت

برای تولید PLA به 6/1 کیلوگرم ماده قندی نیاز است؛ این در حالی است که برای تولید سایر پلاسیتک‌ها به مقادیر بیشتری از قندها نیاز است(9).

تجزیه‌ی زیستی PLA در دمایی بالاتر از دمای T_G که 58 درجه سانتی‌گراد است اتفاق می‌افتد. حضور میکروارگانیسم‌ها، رطوبت و دمای بالا لازم است تا تجزیه‌ی PLA در بازه‌ی زمانی 45 الی 90 روز اتفاق بیافتد. در دمای اتاق و محیط‌های فاقد شرایط ایجاد کمپوست، این پلیمر چه به لحاظ فیزیکی و چه شیمیایی همانند پلاستیک‌های تجاری تجزیه‌پذیر نیست(14).

PLA دارای ویژگی‌های مشابهی با پلی‌اتیلن، پلی‌استایرن (PS) و پلی‌پروپیلن (PP) می‌باشد. شرکت Minnesota-based Nature Works LLC بزرگترین شرکت تولیدکننده‌ی PLA با نام تجاری Ingeo است(2). از دیگر شرکت‌های مهم تولیدکننده این محصول می‌توان به Mitsui و Misumi Biomaterial اشاره کرد.

ساختار شیمیایی PLA

این پلیمر از خواص مکانیکی، دمایی و تجزیه‌پذیری خوبی برخوردار است و به همین دلیل کاربردهای متعددی دارد. PLA به علت برخورداری از زیست‌سازگاری مناسب، کاربرد بالایی در پزشکی و داروسازی دارد.

از جمله محصولات تولیدی با PLA می‌توان به فیلم‌های بسته‌بندی با ضخامت کمتر از 40 میکرون، پوشش‌های سخت مناسب و نامناسب برای مواد غذایی، ظروف فومی و لوازم آشپزخانه اشاره کرد(13، 14).

محصولات تولیدی از PLA

A) فیلم‌های بسته‌بندی با ضخامت کمتر از 40 میکرون B) پوشش‌های سخت مناسب برای مواد غذایی C) پوشش‌های سخت غیرقابل استفاده برای مواد غذایی D) ظروف فومی E) لوازم آشپزخانه

پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات (PHA)

پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات‌ها (PHAs) پلی‌استرهای خطی هستند که توسط میکروارگانیسم‌ها و در حضور مقادیر بالای کربن و کمبود عناصری هم‌چون نیتروژن، اکسیژن و فسفر تولید می‌شوند. PHAs به‌ عنوان اجسام داخل سلولی هستند که معمولاً 0.2 الی 0.5 میکرومتر اندازه دارند و در سیتوپلاسم و یا غشاء سیتوپلاسمی قرارگرفته‌اند. آرکی‌باکتری‌ها، باکتری‌های گرم منفی و گرم مثبت و سیانوباکتری‌ها توانایی تولید PHA را دارا هستند(7، 19).

پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات‌ها می‌توانند به‌صورت هموپلیمر (پلی‌هیدروکسی‌بوتیرات) و یا هتروپلیمر (پلی‌هیدروکسی‌بوتیرات+پلی‌هیدروکسی‌والرات) باشند، که بسته به اینکه کدام نوع میکروارگانیسم و نوع مواد اولیه مورد استفاده قرار بگیرد، نوع محصول متفاوت است. بیش از 150 نوع مونومر مختلف در ایجاد خانواده بزرگ PHA شرکت می‌کنند. مهم‌ترین گروه این خانواده، پلی‌هیدروکسی‌بوتیرات‌ها (PHBs) هستند.

این ساختارها از توانایی زیست‌تجزیه‌پذیری خوبی برخوردار هستند. به ‌طور گسترده در صنایع پزشکی به کار گرفته می‌شوند؛ هم‌چنین برای تولید ظروف یک‌بارمصرف نیز به کار گرفته می‌شوند.

این ترکیبات در مقادیر کم و با قیمت بالا در دسترس هستند. برخی از عمده‌ترین تولیدکنندگان این ترکیبات، شرکت‌هایی زیر هستند(2، 14):

Tellest (metabolix)
Tiana biologic material (cina)
Meridian (P‌&‌G technology)

پلی‌هیدروکسی‌بوتیرات (PHB)

پلی‌هیدروکسی‌بوتیرات پلیمر زیستی است که توسطمیکروارگانیسم‌ها و در شرایط خاصی تولید می‌شود. در تولید این ساختارها از ترکیباتی هم‌چون گلوکز، نشاسته ذرت و یا پساب استفاده می‌شود. خواص PHB بسیار مشابه پروپیلن که برای تولید پلاستیک‌های تجاری استفاده می‌شود است(11).

گرانول‌های (P(3HB از ۷/۹۷ درصد پلی‌هیدروکسی‌بوتیرات، 87/1 درصد پروتئین و 46/0 درصد لیپید تشکیل‌شده‌اند. این اجسام داخل‌سلولی دارای یک هسته آب‌گریز هستند که توسط غشاء فسفولیپیدی تک‌لایه‌ای احاطه شده‌ است(21). پلیمر PHB اولین بار در سال 1926 در باکتری‌ Bacillus magatrium توسط Maurice Lemoigne شناسایی شد.

پلی‌آمید 11

پلی‌آمید 11 از پلیمرهای زیستی است که برای تولید آن‌ها از نفت طبیعی استفاده می‌شود. این ترکیب نمی‌تواند در طبیعت تجزیه شود. ازجمله کاربردهای گسترده این ترکیبات می‌توان به تولید لوله‌های سوختی خودرو، لوله‌های کیسه هوا، لوله‌های منعطف نفت و گاز، کفش‌های ورزشی و اجزای وسایل الکترونیک اشاره کرد(11، 22).

پلی‌اتیلن‌های زیستی

از پلی‌اتیلن زیستی با عنوان پلیمر قابل بازیافت نیز یاد می‌شود. پایه‌ی اصلی این ترکیبات اتیلن است که از اتانول مشتق شده‌ است. خود اتانول می‌تواند از تخمیر برخی از مواد کشاورزی هم‌چون نیشکر، چغندرقند و گندم تولید شود.

ساختار پلی‌اتیلن

این ترکیبات در چرخه طبیعت نمی‌توانند تجزیه شوند، اما امکان بازیافت آن‌ها وجود دارد(11، 13)

پلی‌اتیلن‌های زیستی

پلیمرهای لیپیدی

گروه دیگری از پلاستیک‌های زیستی، پلیمرهای لیپیدی هستند که از چربی و روغن‌های گیاهی و جانوری مشتق می‌شوند(23). پلی‌استرها (24)، رزین‌های اپوکسی (25) و پلی‌اورتان (26، 27) از جمله این ساختارها به شمار می‌آیند.

ساختار شیمیایی پلی‌استر

ساختار شیمیایی اپوکسی رزین

ساختار شیمیایی پلی‌اورتان

کاربردهای پلاستیک‌های زیستی

پلاستیک‌های زیست‌تجزیه‌پذیر دارای کاربردهای تجاری متنوعی هستند. بر اساس برخی از آمار بیان می‌شود که سهم صنعت بسته‌بندی و تولید ظروف آشپزخانه در این بازار بیش از بقیه موارد است.

صنعت بسته‌بندی

پلاسیتک‌های زیستی در صنعت بسته‌بندی کاربرد گسترده‌ای دارند. در مورد بسته‌بندی مواد غذایی از پلاستیک‌هایی استفاده می‌شود که علاوه بر حفظ کیفیت غذا، آن را از آلودگی‌های محیطی نیز مصون بدارد.

کاربرد پلاستیک‌های زیستی در صنعت بسته‌بندی

تولید کیسه‌های پلاستیکی

این کیسه‌های زیست‌تجزیه‌پذیر از موادی ساخته شده‌اند که در محیط می‌توانند تجزیه یا به کمپوست تبدیل شوند. سه نوع از کیسه‌های زیست‌تجزیه‌پذیر وجود دارد. 1- کیسه‌های ساخته شده از نوعی رزین که حاوی نشاسته، پلی‌اتیلن و فلزات سنگین (کادمیوم، سرب و بریلیوم) است؛ 2-حاوی ترکیبی از نشاسته و پلیمرهای زیست‌تجزیه‌پذیری هم‌چون PLA می‌باشند؛ 3- کیسه‌های زیست‌تجزیه‌پذیر OXO که به‌ سرعت تجزیه می‌شوند.

کیسه‌های پلاستیکی زیست‌تجزیه‌پذیر

کاربرد پلاستیک‌های زیستی در لوازم منزل

امروزه بسیاری از لوازم منزل و آشپزخانه به‌جای تولید از پلی‌اتیلن و پلی‌اولفین، از پلاستیک‌های زیست‌تجزیه‌پذیر تولید می‌شوند. لوازم آشپزخانه، وسایل دستشویی و حمام، جالباسی و … ازجمله محصولاتی هستند که از پلاستیک‌های زیستی تولید می‌شوند. برای مثال جالباسی‌های شرکت The United Color Of Benetton به‌ طور 100 درصد قابلیت بازیافت دارند.

جالباسی‌های شرکت The United Color Of Benetton

کاربرد پلاستیک‌های زیستی در کشاورزی و باغبانی

تولید مالچ‌های کشاورزی، محفظه‌های دانه و تورهای زیست‌تجزیه‌پذیر از جمله کاربردهای پلاستیک‌های زیستی در کشاورزی است. مالچ‌ لایه‌ای محافظ است که بر روی سطح خاک قرار می‌گیرد و دانه‌ها را نسبت به تغییرات آب‌وهوا محافظت می‌کند. هم‌چنین با حفظ رطوبت دانه و افزایش دمای خاک به جوانه‌زدن دانه‌ها در فصل بهار کمک می‌کند. محفظه‌های دانه نیز بعد از جوانه‌زدن و ریشه‌کردن دانه‌ها تجزیه می‌شوند. در پروش قارچ از تورهای زیست‌تجزیه‌پذیر استفاده می‌شود.

کاربرد پلاستیک‌های زیستی در ابزار پزشکی

نخ‌های بخیه که از پلیمرهای غیرسمی تولید می‌شوند ازجمله مهم‌ترین کاربردهای پلیمرهای زیستی در صنعت پزشکی به ‌شمار می‌آید. این نخ‌ها به‌ راحتی استریل می‌شوند و تا زمانی که بافت کاملاً ترمیم شود آن را محکم حفظ می‌کنند. در پایان هم به ‌آسانی در بدن متابولیزه می‌شوند. در تولید این نخ‌ها از لاکتیک یا گلیکولیک‌اسید استفاده می‌شود.

تولید پین‌های ارتوپدی، استنت‌ها و ایمپلنت‌های دندان‌پزشکی از دیگر کاربرد پلاستیک‌های زیستی در صنعت پزشکی است.

پین‌های ارتوپدی

پلیمرهای زیست‌تجزیه‌پذیر PolyActive و OctoDEX، دو نوع جدید از سامانه‌های انتقال دارویی هستند که توسط شرکت OctoPlus ارائه شده‌اند.

ساختمان PolyActive

کاربرد پلاستیک‌های زیستی در صنعت الکترونیک

پلاستیک‌ها بخش وسیعی از مصارف در صنعت الکترونیک را به خود اختصاص می‌دهند. علت این امر، مقاومت، سختی، سبکی و انعطاف‌پذیری این ترکیبات است.

لوله‌های محافظ، تخته‌های مدار، صفحه‌کلید و نشانگر کامپیوتر؛ از جمله استفاده‌های گسترده‌ی پلاستیک در این صنعت است.

کاربرد پلاستیک‌های زیستی در صنعت خودروسازی

صنعت خودروسازی به دنبال یافتن راهی است تا بتواند میزان نشر گازهای گلخانه‌ای و مصرف سوخت را از طریق کم کردن وزن خودروها کاهش دهد. به همین دلیل به استفاده از پلاستیک‌های زیستی روی آورده است. پلاستیک‌های زیستی در این ‌بین علاوه بر داشتن ویژگی‌های پلاستیک‌های معمول، تأثیرات منفی کمتری را بر روی طبیعت می‌گذارند.

اولین کاربرد تجاری از پلاستیک‌ زیستی، استفاده از Sorona EP PTT در دریچه‌های هوای خودرو تویوتا پیروس بود.

دریچه‌ی هوای خودروی تویوتا پیروس ساخته‌شده از Sorona EP PTT

شرکت تویوتا در طیف وسیعی از محصولات خود از پلاستیک‌هایی استفاده می‌کند که برای ساخت آن‌ها از ترکیبات گیاهی استفاده شده است (28).

خواص پلاستیک‌های زیستی

در مطالعات انجام‌شده پلاستیک‌های به‌دست‌آمده از نفت خام با پلاستیک‌های زیستی به لحاظ مختلف مورد بررسی قرارگرفته‌اند. پلاستیک‌های زیستی با توانایی تجدیدپذیری، مقاومت بالا، میزان نشر گاز کربن‌دی‌اکسید کم‌تر، عدم نیاز به سوخت‌های فسیلی برای تولید و توانایی تجزیه کامل در طبیعت می‌توانند به‌ عنوان جایگزین مناسبی برای تولید انواع محصولات پلاستیکی به کار گرفته شوند تا محیط‌زیست کمتر تحت تأثیر قرار بگیرد (5).

تجزیه شدن پلاستیک‌های زیستی

نحوه تجزیه و برگشت به چرخه طبیعی پلاستیک‌های زیستی به چندین شکل می‌تواند اتفاق بیافتد: تجزیه‌پذیری (Degradable)، تجزیه‌پذیری زیستی (Biodegradable) و قابل‌تبدیل به کمپوست (Compostable).

تجزیه‌پذیری

همه‌ی پلاستیک‌ها حتی پلاستیک‌های نفتی نیز می‌توانند تجزیه شوند؛ اما قطعه‌قطعه شدن یا تبدیل به پودر شدن همیشه به معنای تجزیه‌ی کامل و برگشت به چرخه طبیعت نیست. پلاستیک‌های تجاری هزاران سال طول می‌کشد تا به قطعات کوچکتر تبدیل و تجزیه شوند؛ اما پلاستیک‌های زیستی در زمانی بسیار کمتر در شرایط عادی محیط یا شرایطی خاص هم‌چون محیط‌های ایجاد کمپوست تجزیه می‌شوند (2، 5).

تجزیه‌پذیری زیستی

تجزیه‌ی زیستی شامل تغییرات شیمیایی و فیزیکی در ساختار پلیمر مربوطه است که این تغییرات نتیجه تأثیرات هماهنگ تجزیه‌ی غیر زیستی (مثل تجزیه‌ی مکانیکی، تجزیه‌ی نوری، تجزیه‌ی شیمیایی و یا تجزیه‌ی اکسیداتیو گرمایی) و تجزیه‌ی زیستی (مثل فعالیت قارچ‌ها و باکتری‌ها) است.

دو فاکتور مهم در تجزیه‌ی زیستی، شرایط محیطی و خواص پلیمر است. عوامل محیطی عبارتند از: دما، رطوبت، pH، جمیعت میکروبی و اختصاصیت آنزیمی. اما خواص پلیمر شامل خواص شیمیایی، پایداری زنجیره، وزن مولکولی، میزان کریستالی بودن و ترکیب کوپلیمرها می‌باشد (29).

تجزیه‌ی زیستی در محیط‌های مختلفی می‌تواند اتفاق بیفتد که در هر کدام از این محیط‌ها، عوامل میکروبی مختلفی در تجزیه دخیل هستند.

عوامل میکروبی دخیل در تجزیه‌ی زیستی

بر اساس استانداردهای ISO 14855 یا ISO14852 و ISO14851؛ تجزیه‌ی زیستی زمانی قابل ‌قبول است که میزان تجزیه در طی 6 ماه به 90 درصد برسد (30).

مراحل فرایند تجزیه زیستی

فرایند تجزیه زیستی دارای 4 مرحله می‌باشد:

تخریب زیستی: ترکیبات پلیمر ابتدا به قطعات کوچکتر شکسته می‌شوند که ناشی از فعالیت موجودات تجزیه‌کننده مثل میکروارگانیسم‌ها و تجزیه‌ی غیر زیستی است.

دپلیمریزه شدن: این مرحله شامل جدا شدن زنجیره‌های پلیمر به قطعات کوچکتر مثل مونومرها، دیامرها و الیگومرها است؛ که در حضور آنزیم‌های داخل‌سلولی و خارج‌سلولی دپلیمریزاسیون اتفاق می‌‌افتد.

جذب: این مرحله شامل جابجایی مولکول‌های ایجادشده در طول غشاء سیتوپلاسمی است که موجب تولید متابولیت‌ها، وزیکول‌های ذخیره‌ای توده‌ی زیستی و انرژی در داخل سلول‌های میکروبی می‌شود.

معدنی شدن: در این مرحله متابولیت‌های ساده و پیچیده و محصولاتشان مثل کربن‌دی‌اکسید، نیتروژن، متان و آب به محیط خارج‌سلولی آزاد می‌شوند(29).

قابل‌تبدیل به کمپوست

به موادی قابل‌تبدیل به کمپوست می‌گویند که در شرایط تشکیل کمپوست به اجزای مختلفی تبدیل می‌شوند. شرایط ایجاد کمپوست صنعتی شامل دمای بالا (60-55 درجه سانتی‌گراد)، حضور رطوبت (50 الی 60 درصد RH) و اکسیژن می‌باشد. در طی فرایند ایجاد کمپوست، مواد زائد آلی به کربن‌دی‌اکسید، آب، توده‌‌ی زیستی و گرما تبدیل می‌شوند.(2، 14)

بازگشت به چرخه‌ی طبیعت پلاستیک‌های زیستی

پلاستیک‌های تجاری برای تولید به سوخت‌های فسیلی وابسته هستند. این منابع علاوه بر عدم تجدیدپذیری به محیط‌زیست نیز صدمه می‌زنند؛ اما پلاستیک‌های زیستی از زیست‌توده‌هایی هم‌چون درختان، سبزیجات و حتی مواد زائد ساخته می‌شوند. به ‌علاوه این ترکیبات کاملاً تجزیه می‌شوند. هم‌چنین این ترکیبات در طی تولید و تجزیه میزان نشر کربن‌دی‌اکسید پایینی دارند (31).

سمیت کم پلاستیک‌های زیستی

برخی از پلاستیک‌ها در اثر تجزیه می‌توانند مواد شیمیایی مضری را وارد محیط‌های آبی کنند و به ‌این‌ترتیب بر روی گیاهان، جانوران، انسان و به‌ طورکلی چرخه‌ی غذایی اثر بگذارند. پلاستیک‌های زیستی در طی تجزیه شدن به ترکیباتی شکسته می‌شوند که توسط زمین قابل‌ جذب است و به محیط آسیبی نمی‌رسانند (32).

جنبه‌های منفی پلاستیک‌های زیستی

اگرچه که پلاستیک‌های زیستی نسبت به پلاستیک‌های نفتی عمدتاً به ‌عنوان دوست‌دار طبیعت شناخته می‌شوند؛ اما آیا این ادعا صد در صد قابل تأیید است؟

عواملی هم‌چون بهره گرفتن از زمین، حشره‌کش‌ها و علف‌کش‌ها، مصرف انرژی و آب، نشر گازهای گلخانه‌ای و متان، زیست‌تجزیه‌پذیری و بازیافت، ازجمله مواردی است که برای درست بودن تأثیر مثبت پلاستیک‌های زیستی باید بررسی شود.

پلاستیک‌های زیستی توانایی تجزیه‌پذیری زیستی دارند که یک ویژگی مهم و منحصر به ‌فرد برای آن‌ها به ‌حساب می‌آید؛ اما گاهی این نوع پلاستیک‌ها به مناطق دفع زباله منتقل می‌شوند که ممکن است در طی فرایندهای تجزیه موجب آزادسازی متان شوند که 23 بار خطرناک‌تر از کربن‌دی‌اکسید است (11).

بازار پلاستیک‌های زیستی

بر اساس آخرین آمارها در سال 2017، میزان تولید جهانی پلاستیک‌های زیستی به 2/05 میلیون تن در سال رسیده است. مهم‌ترین مشتقات این نوع پلاستیک‌ها در بازار PLA و PHA می‌باشند. PLA به علت کارایی بالا و خواص منحصر به ‌فردی که دارد، به‌عنوان جایگزین مناسبی برای پلی‌استیرن (PS) و پلی‌پروپیلن (PP) در بسیاری از کاربردها شناخته می‌شود. یکی از محصولات مهم در بازار تجاری پلاستیک‌های زیستی را PHA به خود اختصاص می‌دهند. PHA نیز به علت توانایی تجزیه‌پذیری کامل و خواص گسترده فیزیکی کاربردهای گسترده‌ای دارد (33).

داستان تولید تجاری PHA از دهه 1950 میلادی آغاز شد. Zeneca چندین تن کوپلیمر PHA تحت نام تجاری biopol را تولید کرد. در دهه 1990، Zeneca بریتانیا پلی‌هیدروکسی‌بوتیرات همراه با پلی‌هیدروکسی‌والرات را در سطح ابتدایی و با استفاده از تخمیر باکتریایی در حضور مخلوط گلوکز و پروپیونیک اسید تولید کرد.

در 1996 Zeneca، حق تجاری biopol را به Monsanto فروخت و این شرکت تحقیقات را برای تولید PHA با محصولات تغییر ژنتیکی داده‌شده ادامه داد. این شرکت تولید تجاری biopol را با حضور 20 درصد مونومر هیدروکسی‌والرات از طریق فرایند تخمیر انجام داد اما این پروژه در 1999 متوقف شد.

شرکت بعدی Metabolix بود که حق امتیاز را در سال 2001 خریداری کرد. این شرکت در سال 2007 با Archer Daniels Midland

(ADM) قرار‌دادی را امضا کرد و PHAs را تحت نام تجاری Mirel تولید کرد. Metabolix در سال 2010 اعلام کرد که موفق شده است تا با کمک مهندسی ژنتیک تنباکویی را که توانایی تولید PHA دارد تولید کند (20).

سهم انواع پلاستیک‌های زیستی در تولید محصولات

همان‌طور که پیش‌تر بیان شد، پلاستیک‌های زیستی در بخش‌های مختلف ازجمله صنعت بسته‌بندی و مواد غذایی، صنایع الکترونیک، کشاورزی و باغبانی، صنایع خودروسازی و پزشکی کاربردهای گسترده‌ای دارند. بر اساس آخرین آمار در سال 2017 صنعت بسته‌بندی با تولید 2/1 میلیون تن (60 درصد) بیشترین سهم را در بازار پلاستیک‌های زیستی دارد.

ظرفیت تولید جهانی پلاستیک‌های زیستی در جهان

ظرفیت‌های تولید پلاستیک‌های زیستی در نقاط مختلف جهان متفاوت است و بیشترین سهم تولید و مصرف این ترکیبات شامل اروپا و به‌ خصوص کشور فرانسه است.

برای تولید پلاستیک‌های زیستی عمدتاً از محصولات طبیعی استفاده می‌شود. برای کشت این محصولات به زمین‌های کشاورزی نیاز است. بر اساس آخرین آمار در سال 2017 سهم زمین‌هایی که برای تولید محصولات پلاستیکی زیستی زیر کشت می‌رود 82 میلیون هکتار است که فقط 0/02 درصد از زمین‌های کشاورزی را تشکیل می‌دهد؛ که این آمار به ‌طور واضح نشان می‌دهد که تولید پلاستیک‌های زیستی هیچ تأثیر مستقیمی بر روی تولید مواد غذایی موردنیاز بشر ندارد (33).

زمین‌های مورد استفاده برای پلاستیک‌های زیستی در سال 2017 و 2022

چندین عامل بر روی گسترش رشد پلاستیک‌های زیستی در بازار مؤثرند، ازجمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: ظرفیت پایین تولید، تناسب شبکه‌های توزیع و تولید مواد غذایی با پلاستیک‌های نفتی، امکان تغییر بازیابی زیستی به بازیابی گرمایی و هزینه‌ی بالای تولید این محصولات که سرمایه‌گذاران کم‌تری را جذب می‌کند (10).

هزینه‌ی تولید پلاستیک‌های زیستی

به ‌طورکلی پلاستیک‌های زیستی نسبت به پلاستیک‌های نفتی از قیمت بالاتری برخوردارند. البته میزان چگالی پلاستیک‌های زیستی بیشتر است.

قیمت پلاستیک‌های زیستی در بازار

 

قیمت پلاستیک‌های نفتی در بازار

قیمت پلاستیک‌های نفتی به قیمت نفت خام وابسته است و با آن تغییر می‌کند؛ اما قیمت پلاستیک‌های زیستی به علت اینکه به قیمت توده‌ی زیستی مورد استفاده بستگی دارد از ثبات بیشتری برخوردار است. اگر قیمت نفت خام بالا باشد هزینه‌ی تولیدی یک پلاستیک نفتی مثل PS از PLA بالاتر خواهد بود؛ اما امروزه با وجود پایین بودن قیمت نفت خام، قیمت تمام‌شده‌ی PLA در بازار امریکا به قیمت پلی‌استیرن (PS) و پلی‌اتیلن‌ترفتالات (PET) بسیار نزدیک شده است.

عوامل دیگری هم بهد‌جز منبع اولیه در تعیین قیمت نهایی محصول می‌توانند مؤثر باشند؛ مثلاً دمای پایین مورد نیاز برای پردازش، پایداری بالای توده‌های زیستی مورد استفاده و آسیب رساندن کمتر به محیط‌زیست. این عوامل در کنار هم می‌توانند هزینه‌ی بالاتر تولید پلاستیک‌های زیستی را توجیه کنند و امکان رقابت را برای این نوع پلاستیک‌ها با پلاستیک‌های نفتی فراهم کنند (34).

جمع بندی مقاله پلاستیک‌های زیستی

آگاهی جوامع نسبت به حفظ محیط‌زیست و افزایش نگرانی‌ها در مورد زباله‌های پلاستیکی موجب آغاز سرمایه‌گذاری برای تولید پلاستیک‌های زیستی شده است. مزیت‌ پلاستیک‌های زیستی هم‌چون تجزیه‌پذیری ۱۰۰ درصدی، قابلیت تولید از ترکیبات زیستی، امکان بازیافت و استفاده مجدد، کمپوست‌پذیر بودن بدون ‌اینکه ترکیبات سمی تولید کند؛ در کنار امکان تولید محصولات متعدد تجاری این‌ ترکیبات زیستی را بسیار برجسته کرده است. پلاستیک‌های زیستی نشر کربن‌دی‌اکسید را در هنگام تولید و تجزیه محدود می‌کنند.

پلاستیک‌های زیستی بدون شک تنها راه‌حل برای حل مشکلات ایجاد شده از پلاستیک‌ها نیستند؛ اما گامی مهم در جهت پیش‌برد هدف حفاظت از محیط‌زیست به‌ شمار می‌آید.

منابع مقاله پلاستیک‌های زیستی

1. Bioplastics and biodegradable plastics [Internet]. 2018.
2. The truth about bioplastics [Internet]. Earth Institute, Columbia University. 2017.
3. Europe(EuPC) P. Plastics-the Facts 2013. An analysis of European latest plastics production, demand and waste data. 2013.
4. Hamieh A, Olama Z, Holail H. Microbial production of polyhydroxybutyrate, a biodegradable plastic using agro-industrial waste products. Global Advanced Research Journal of Microbiology. 2013;2(3):54-64.
5. Pathak S, Sneha C, Mathew BB. Bioplastics: Its timeline based scenario & challenges. Journal of Polymer and Biopolymer Physics Chemistry. 2014;2(4):84-90.
6. Chen YJ. Bioplastics and their role in achieving global sustainability. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research. 2014;6(1):226-31.
7. Miyasaka H, Akiyama H, Okuhata H, Tanaka S, Onizuka T. Polyhydroxyalkanoate (PHA) production from Carbon dioxide by recombinant cyanobacteria: INTECH Open Access Publisher; 2013.
8. Bioplastics E. What are bioplastics. 2016.
9. Reddy RL, Reddy VS, Gupta GA. Study of bio-plastics as green and sustainable alternative to plastics. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. 2013;3(5):76-81.
10. Song J, Kay M, Coles R. Bioplastics. Food and Beverage Packaging Technology. 2011:295-319.
11. wikipedia. Bioplastic
12. The History and Most Important Innovations of Bioplastics [Internet]. 2018.
13. Zhou_Huijuan. Physico-chemical Properties of Bioplastics and its Application for Fresh-cut Fruits Packaging. 2016.
14. Bocchini S. Biodegradable plastics from renewable resources. 2017.
15. Khalid S, Yu L, Meng L, Liu H, Ali A, Chen L. Poly (lactic acid)/starch composites: Effect of microstructure and morphology of starch granules on performance. Journal of Applied Polymer Science. 2017;134(46):45504.
16. Starch based Bioplastic Manufacturers and Suppliers [Internet]. June 27, 2010.
17. BASF announces major bioplastics production expansion [Internet]. 2008.
18. Song J, Murphy R, Narayan R, Davies G. Biodegradable and compostable alternatives to conventional plastics. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences. 2009;364(1526):2127-39.
19. Sudesh K, Abe H, Doi Y. Synthesis, structure and properties of polyhydroxyalkanoates: biological polyesters. Progess in Polymer Science. 2000.
20. Avérous L, Pollet E. Biodegradable polymers.  Environmental Silicate Nano-Biocomposites: Springer; 2012. p. 13-39.
21. Abed RMM, Dobretsov S, Sudesh K. Applications of cyanobacteria in biotechnology. Journal of Applied Microbiology. 2009;106(1):1-12.
22. Nylon 11 [Internet]. 2018.
23. Meier MA, Metzger JO, Schubert US. Plant oil renewable resources as green alternatives in polymer science. Chemical Society Reviews. 2007;36(11):1788-802.
24. Can E, Küsefoğlu S, Wool R. Rigid, thermosetting liquid molding resins from renewable resources. I. Synthesis and polymerization of soy oil monoglyceride maleates. Journal of applied polymer science. 2001;81(1):69-77.
25. Stemmelen M, Pessel F, Lapinte V, Caillol S, Habas JP, Robin JJ. A fully biobased epoxy resin from vegetable oils: From the synthesis of the precursors by thiol‐ene reaction to the study of the final material. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry. 2011;49(11):2434-44.
26. Floros M, Hojabri L, Abraham E, Jose J, Thomas S, Pothan L, et al. Enhancement of thermal stability, strength and extensibility of lipid-based polyurethanes with cellulose-based nanofibers. Polymer degradation and stability. 2012;97(10):1970-8.
27. Pillai PK, Floros MC, Narine SS. Elastomers from renewable metathesized palm oil polyols. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2017;5(7):5793-9.
28. Arboleda GA, Montilla CE, Villada HS. Efecto de la concentración de anhídrido maléico en películas de almidón termoplástico y ácido poliláctico. Agronomía Colombiana. 2016;34(1Supl):S118-S20.
29. Javadi A, Pilla S, Gong S, Turng LS. Biobased and Biodegradable PHBV Based Polymer Blends and Biocomposites: Properties and Applications. Handbook of Bioplastics and Biocomposites Engineering Applications. 2011:372-96.
30. Bastioli C. Handbook of biodegradable polymers: iSmithers Rapra Publishing; 2005.
31. Porta R, Di Pierro P, Sorrentino A, Mariniello L. Promising perspectives for transglutaminase in “bioplastics” production. J Biotechnol Biomaterial. 2011;1:1-4.
32. Witt U, Einig T, Yamamoto M, Kleeberg I, Deckwer W-D, Müller R-J. Biodegradation of aliphatic–aromatic copolyesters: evaluation of the final biodegradability and ecotoxicological impact of degradation intermediates. Chemosphere. 2001;44(2):289-99.
33. Bioplastics E. Bioplastics market data 2017. 2017.
34. Van den Oever M, Molenveld K, van der Zee M, Bos H. Bio-based and biodegradable plastics: facts and figures: focus on food packaging in the Netherlands: Wageningen Food & Biobased Research; 2017.