|
بيوپلاست ها و شيمي سبز
راه حلي براي حذف آلودگيهاي محيط زيست
از پلاستيك هاي غير قابل تجزيه
هدف بيوتكنولوژي محيطي افزايش تحمل فرآيندهاي توليدي محيط اطراف ماست كه با استفاده از به كارگيري سيستمهاي بيولوژيك صورت ميپذيرد. اگر چه دامنه بازيافت مواد با توسعه هاي اخير در زمينه بازيافت گياهي پيشرفت خوبي داشته است , اما اخيراً حركت بيوتكنولوژي محيطي از كوشش در بازيافت مواد به سمت كوشش در تغيير مراحل توليد مواد به عنوان يك راه جايگزين آغاز شده است. هر ساله چيزي در حدود 6 10*100 تن از انواع مواد پلاستيكي به محيط وارد ميشود كه منبع ايجاد مشكلات فزايندهاي شده است. سه راه حل بازيافت حرارتي , بازيافت معمولي و تهيه كمپوست راههايي است كه براي حل مشكلات آلودگي پلاستيكها پيشنهاد ميگردد. اما امروزه سعي ميگردد تا به جاي حل مشكل پلاستيكها از طريق بازيافت , انواع پلاستيكهاي سازگار با محيط توليد گردد كه عمدتاً شامل بيوپلاستيكها ميگردد. يكي از اين بيوپلاستيكها , پلاستيكهاي توليد شده توسط ميكروبهاست كه هم به خوبي قابل تجزيه در محيط است و هم به دليل ساختمان شيميايي خاصي كه دارد داراي كاربردهاي بسيار وسيعي در زمينههاي مختلف صنايع غذايي , دارويي و شيميايي گرديده است و به نظر ميرسد در آيندهاي نه چندان دور به خوبي جايگزين پلاستيكهاي امروزي خواهد گرديد.
ديگر براي شيميدانها , افزايش توليد و كاهش قيمت محصولات مختلف با توجه به محدوديتهاي ايجاد شده در زمينه ضايعات و سميت محصولات از طرف ادرات محيط زيست و سازمان هاي مربوطه چندان اقتصادي و يا در دسترس نيست , بنابراين محدوديتهاي ايجاد شده به دليل ايجاد آلودگي باعث گرديده است تا دانشمندان نگاهي جديد به شيمي داشته باشند. به اين معني كه علاوه بر توجه به بازدهي و قيمت بايد سلامتي انسان و صدمات محيطي نيز در واكنش ها و فرآيندهاي مورد استفاده جهت توليد محصولاتدر طول مدت ساخت و پس از ساخت در نظر گرفته شود. اين جوهر و بنيان شيمي سبز است, در دامنه شيمي سبز , تحقيقات سنتز مواد آلي جديد در چند سال اخير با تحقيقات بيوتكنولوژي كه به واسطه آن مواد شيميايي به وسيله سيستم هاي بيولوژيك توليد ميگردد همراه شده است. بيوكاتاليز كه در واقع توليد يك ماده به وسيله سلولهاي زنده است و بيوترانسفرميشن , كه تبديل يك ماده به ماده ديگر است و به وسيله سلول كامل و يا آنزيمهاي جدا شده از آن انجام ميشود , ميتواند مزاياي بسياري در مقايسه با سنتز شيميايي مواد آلي داشته باشد. فرآيندهاي بيولوژيك ابزار بسيار قدرتمندي براي تبديل و يا توليد مواد است و علاوه بر اين , فرايندهاي بيولوژيك در مقايسه با فرآيندهاي سنتز شيميايي مواد آلي بسيار با محيط سازگارند. بنابراين بيوتكنولوژي يك ابزار ضروري براي توليد مواد شيميايي , پليمرها و مواد دارويي است و اهميت آن نيز در آينده افزايش خواهد يافت.
بيوتكنولوژي از بازيافت مواد تا توليد مواد
هدف بيوتكنولوژي محيطي افزايش تحمل فرآيندهاي توليدي به وسيله محيط اطراف ماست كه با استفاده از به كارگيري سيستمهاي بيولوژيك صورت ميپذيرد. در گذشته بيوتكنولوژي محيطي اساساً ( با پاكسازي آبها و خاكهاي آلوده ) بر روي استراتژيهاي بازيافت مواد متمركز بود.
در بسياري از موارد , نشان داده شده باكتريها قادر به تجزيه بسياري از اين آلوده كنندههاي محيطي هستند. اما به هر حال پايداري اين مواد در محيط نشان داد تجزيه بيولوژيك راه جايگزين كاملاً مؤثري نيست. بنابراين , كوشش هاي اخير بر روي بازيافت گياهي ( استفاده از گياهان سبز در بازيافت مواد به عنوان يك راه جايگزين ) متمركز شده است. اگر چه دامنه بازيافت مواد با توسعههاي اخير در زمينه بازيافت گياهي پيشرفت خوبي داشته است, اما اخيراً حركت بيوتكنولوژي محيطي از كوشش در بازيافت مواد به سمت كوشش در تغيير مراحل توليد مواد به عنوان يك راه جايگزين آغاز شده است.
يك مثال كه ميتواند اين حركت را توضيح دهد صنايع توليد كاغذ است , پاكسازي مركب كاغذهاي بازيافت به وسيله حلال , توليد خمير چوب و براق سازي با كلر همگي موادي زائد و آسيب زننده به محيط ايجاد ميكنند. در گذشته , تحقيقات بر روي از بين بردن سمي بودن اين ضايعات بيولوژيك متمركز بود , اما اخيراً تحقيقات بر روي مراحل اوليه توليد كاغذ به اهدف توليد آنزيمهاي جديد شبيه گزيلاناز كه ليگنين موجود در چوب را در طي فرآيند توليد خمير كاغذ تجزيه ميكند و سلولاز كه فيبرهاي چوب موجود در خمير كاغذ را تجزيه ميكند و ديگر طرحهايي كه از توليد مواد سمي جلوگيري ميكند. متمركز شده است. بيوتكنولوژي علاوه بر پاكسازي صنايعي كه داراي مواد خام بيولوژيك هستند , شروع به جايگزيني مواد جديدي به جاي مواد قديمي پتروشيمي نظير پليمرهاي قابل تجزيه نموده است.
همانگونه كه اين مثال نشان ميدهد و همانگونه كه محققان صنعت براي سالها اميدوار بودهاند , بيوتكنولوژي ميتواند تحقيقات جديدي در زمينه صنايع دارويي نيز پيشنهاد نمايد.
با استفاده از منابع قابل تجديد و غير سمي , آنزيمها و ارگانيسم هاي مهندسي ژنتيك شده ممكن است به زودي موادي توليد شود كه جايگزين كاغذ و پلاستيك هاي امروزي گردد.
در دنياي امروز تقريباً ميتوان گفت پليمرها فراوان ترين خانواده مولكولهاي آلي در سطح بيوسفر زمين هستند , پليمرهاي كمپلكس شبيه ليگنين و ذغال سنگ به ترتيب در حدود 6 10*700000 و6 10*835000 تن وجود دارد و به علاوه در حدود6 10*40000 تن سلولز و 6 10*20000 تن ليگنين هر ساله توليد مي گردد. در مقابل اين مقادير , توليد تقريباً
6 10*100 تن در سال از انواع مواد پلاستيكي مقدار نسبتاً پائيني است , به هر حال هرچند توليد سالانه پلاستيكها در مقايسه ديگر پليمرها بسيار پائين است. اما اين مواد منبع ايجاد مشكلات فزايندهاي شدهاند. چون همه پلاستيكها به منظور كاربردهاي كوتاه مدت مورد استفاده قرار ميگيرند , در افزايش ضايعات و مواد زائد محيطي بسيار مؤثرند. هر ساله صدها هزار تن پلاستيك به داخل درياها ريخته و در اقيانوس انباشته ميشوند و چندين برابر همين مقدار در محيطهاي خشك دفن ميگردد. دفن كردن در زمين به عنوان يك راه موثر در اروپا مورد استفاده قرار گرفت اما امروزه ظرفيت زمين براي دفن اينگونه زبالهها محدود شده است.
براي بر طرف كردن اين مشكل سه راه به منظور كاهش ضايعات جامد مورد بررسي و مطالعه قرار گرفته است. بازيافت مواد , كه چندان مفيد نيست چون به مرور باعث كاهش كيفيت پلاستيك ميگردد. بازيافت حرارتي , كه هم اكنون در بسياري كشورها در حال انجام است و تهيه كمپوست , بازيافت حرارتي و بازيافت معمولي روش دفن زبالهها را مردود نمود اما به هر حال استدلالاتي وجود دارد كه نشان ميدهد بازيافت ضايعات , همانگونه كه اكنون انجام ميشود عمل قابل تحميل نيست. بنابراين با توجه به اينكه در عمل , بازيافت پليمرها غير عملي يا غير ممكن است روش كمپوست پليمرها ممكن است يك انتخاب مناسب باشد. مواد به منظور كمپوست شيميايي آنها بتواند به وسيله فعاليتهاي بيولوژيك تغيير كند و به اجزاي اوليه و يا محصولات ديگر تبديل شود. بنابراين تجزيه بيولوژيك براي مصرف ضايعات زماني به واقعيت ميپيوندد كه بيوپليمرهاي قابل تجزيه جديد در دسترس باشد. اما اگر چه پليمرهاي قابل تجزيه مزايايي اساسي در مقايسه با پلاستيكهاي امروزي نظير قابليت تجزيه بيولوژيك و توليد از مواد قابل تجديد در طبيعت دارند , اما هنوز نواقصي نيز وجود دارد , يكي از دلايل اصلي كه كاربرد اين پليمرها را محدود ساخته است , قيمت بالاي آنهاست , يكي از موارد ديگري كه به خوبي روشن است به هم نخوردن چرخه متعادل زيستي با ورود اين تركيبات است , يعني توليد گازهاي گلخانهاي در زمان تجزيه به جز دي اكسيدكربن كه فعاليت آنها خنثي باشد و سالها بعد موجب ايجاد اشكالات متعدد نگردد. در هر صورت چون ارزيابي بسياري از اين پليمرهاي قابل تجزيه هنوز در ابتداي راه است , به نظر ميرسد تحقيقات بيشتر احتمالاً راهكارهايي جهت برطرف نمودن اين مشكلات آورد. مهمترين پليمرهاي قابل تجزيه , پليمرهاي طبيعي و مشتقات آنها ( نشاسته و استات سلولز ) , پليمرهاي سنتتيك (پلي لاكتيك اسيد و پلي گليكوليك اسيد ) و پلي استرهاي ميكروبي ( پلي هيدروكسي آلكوناتها) هستند.
نشاسته يك منبع غذايي است كه در گياهان ذخيره ميگردد , يك پليمر از د-گلوكز است و به شكل خطي (آميلوز) و شاخه دار ( آميلوپكتين ) در طبيعت مشاهده ميشود. ويژگي اصلي نشاسته خاصيت آبدوستي ( هيدروفيلي) آن است كه باعث محدوديت كاربرد آن ميگردد. براي كاهش حساسيت نشاسته به آب اين ماده را با تركيبات آبگريز تركيب مينمايند. نشاسته به راحتي به صورت بيولوژيك قابل تجزيه است در حالي كه پس از تركيب با مواد آبگريز تجزيه بيولوژيك آن در مقايسه با پليمر خالص نشاسته بسيار سخت ميگردد. امروزه كاربرد كليدي اين بيوپليمر در زمينه بسته بنديهاي پزشكي و غذايي است. ديگر بيوپليمر طبيعي كه به صورت صنعتي در دسترس است , استات سلولز است , استات سلولز ( مولكولهاي د-گلوكز كه از طريق پيوندهاي گليكوزيدي (4و1) به هم متصل شدهاند ) پلي ساكاريد تغيير يافتهاي است كه از طريق واكنش اسيد استيك با خمير چوب ايجاد ميگردد. قابليت تجزيه آن به ميزان گروههاي استات وارد شده در زنجيره گلوكز بستگي دارد و هرچه اين گروه ها بيشتر باشد قابليت تجزيه بيولوژيك كمتر ميگردد. كاربرد اين مواد در نوارهاي قابل انعطاف و نوار چسبها است.
پلي لاكتيك اسيد (PLA) نيز يك پليمر سنتتيك است كه از طريق پليمريزاسيون اسيد لاكتيك توليد ميگردد و بر اثر دما تغيير شكل ميدهد. كاربرد اين ماده نيز عمدتاً در زمينههاي پزشكي است. پلي گليكوليك اسيد نيز يك پلي اسير ساده است كه از پليمريزاسيون گليكوليك اسيد توليد ميشود. اگر چه پلي لاكتيك اسيد و پلي گليكوليك اسيد قابليت تجزيه بيولوژيك دارند اما هنوز مشخص نشده است در طبيعت به طور كامل متلاشي ميگردند يا نه , اين پليمرها عمدتاً در صنايع پزشكي مورد مصرف قرار ميگيرند.
پلي هيدروكسي آلكونات ها كه در واقع پلي استرهاي ميكروبي هستند يكي از گروههاي اصلي پلاستيك هاي قابل تجزيه بيولوژيك هستند كه بيشترين تحقيقات بر روي آنها انجام شده است.
با تشکر از آقای حسام صفدری
|