|
بيوپلاستيكهاي ميكروبي
پلي هيدروكسي بوتيراتها پلي استرهايي هستند كه به شكل تودههاي مجزا در بسياري از باكتريها توليد و ذخيره ميگردند , اولين بار اين تودهها در سال 1888 به وسيله شخصي به نام بيجرنيك توسط ميكروسكوپ نوري معمولي مشاهده شد و ساختمان ان ابتدا در سال 1926 توسط لموين شناسايي شد. تا پايان دهه 60 ميلادي هيچ فايدهاي براي اين پليمرها شناخته نشده بود , در اواسط دهه 70 ميلادي با افزايش قيمت نفت , تحقيقات به منظور جايگزيني مواد پلاستيكي منجر به علاقهمندي دانشمندان به پلي هيدروكسي بوتيراتها گرديد , در سال 1976 دانشمندان توليد انبوه اين تركيبات را در طي فرمانتاسيون باكتريها بررسي نمودند , در سال 1993 شركت زنكا نتيجه تحقيقات دانشمندان بر روي توليد بيوپلاستيكها را از شركت ICI انگليس خريداري نمود و در سال 1996 شركت مونساتو امتياز توليد اين محصول را از شركت زنكا خريداري نمود و با نام تجاري بيوپل (Bio Pol) اين محصول را به بازار عرضه نمود , اين شركت سالانه 800 تن بيوپلاستيك توليد مينمود , اما در سال 1998 به توليد بيوپلاستيك خاتمه داد. بار ديگر در سال 1999 شركت پروكتر و گمبل (Procter & Gambel) و شركت متابوليك (Metabolix) در آمريكا توليد اين محصول را آغاز نمودند و هنوز نيز توليد آن ادامه دارد.
ساختمان فيزيكوشيميايي
در واقع عضو اصلي خانواده بيوپليمرهاي ميكروبي پلي هيدروكسي آلكوناتها هستند و انواع داراي وزن مولكولي پائينتر از همين خانواده را پلي هيدروكسي بوتيراتها تشكيل ميدهند , اين تركيب در بسياري از باكتري هاي گرم مثبت و گرم منفي به عنوان يك ماده غذايي در شرايط سخت ذخيره ميگردد و گاهي تا 90% وزن خشك سلول را در بر ميگيرد , ساختمان پلي هيدروكسي الكوناتها در شكل (1) نشان داده شده است.
در ساختمان شيميايي پلي هيدروكسي آلكوناتها شاخه R يك اسيد چرب است كه ميتواند از يك گروه ساده متيل تا يك گروه تري دسيل تغيير نمايد , گروه R ضرورتاً يك اسيد چرب اشباع نيست و گاهي مي تواند از يك تركيب آروماتيك غير اشباع , هالوژنه و حتي منومرهاي منشعب تشكيل شده باشد , تغيير در طول و تركيب زنجيرهاي جانبي اساس انشعاب و تقسيم بندي در خانواده پليمري پلي هيدروكسي آلكوناتها را تشكيل ميدهد و به طور وسيعي بر اساس اين تغييرات كاربرد آنها نيز تغيير ميكند , در صورتي كه زنجيره جانبي R كمتر از شش كربن داشته باشد پلي هيدروكسي آلكوناتها كوتاه زنجير [short-Chain-Length poly Hydroxy Alkonate (SCL PHA)] و در صورتي كه تعداد كربن هاي زنجيره R بين شش تا سيزده كربن باشد , پلي هيدروكسي الكوناتهاي با زنجيره متوسط [Medium-Chain-Length PHA (MCL PHA)] تشكيل ميشود.
وزن مولكولي پلي هيدروكسي آلكوناتها از 50000 تا 1000000 دالتون تغيير ميكند , وزن مولكولي پلي هيدروكسي بوتيرات و ديگر پلي هيدروكسي آلكوناتها به اندازه كافي بالا هست تا ويژگيهاي پليمرهاي امروزي نظير پلي پروپيلنها را داشته باشد. پلي هيدروكسي بوتيراتها در داخل سلول حالتي بي شكل و سيال دارند. به دليل شكنندگي , پلي هيدروكسي بوتيرات به فشار چندان مقاوم نيست. همچنين نقطه ذوب نسبتاً بالاي آن ( در حدود 170) نزديك به درجه حرارت تجزيه اين پليمر است و بنابراين توانايي فرآيند اين پليمر را كاهش ميدهد , بررسيهاي اوليه به منظور ساخت انواعي از اين پليمرها كه ايجاد تغيير بر روي آنها آسانتر باشد منجر به توليد (HB/HV)P گرديد كه تركيبي از هيدروكسي والرات (Hydroxy valerate) و هيدروكسي بوتيرات (Hydroxy butyrate) است و داراي سفتي و شكنندگي كمتري است , در مقابل اين تركيبات MCL PHA ها داراي خواص كريستالي كمتر از خواص كششي بيشتري برخوردارند.
چرخه توليد توسط باكتريها
بيوسنتز پلي هيدروكسي بوتيرات از طريق سه واكنش آنزيمي صورت ميپذيرد. واكنش اول شامل تركيب دو مولكول استيل كوآنزيم A است كه به وسيله آنزيم بتاكتواسيل كوآنزيم A تيولاز انجام ميشود. واكنش دوم احياي استواستيل كوآنيزيم A به (R) هيدروكسي بوتيريل كوآنزيم A توسط استواستيل كوآنزيم A دهيدروژناز است. در پايان اين مولكول توسط آنزيم PHB سنتتاز پليمريزه ميگردد.
پلي هيدروكسي بوتيرات فقط يكي از انواع پلي هيدروكسي آلكوناتهاست كه به وسيله ميكروارگانيسمهاي مختلف توليد ميشود و به همين دليل مسيرهاي سنتز بسيار متفاوتي در سلول طي مي نمايد.
اما به طور كلي اكثر اين تغييرات مربوط به زنجيره R ميگردد و بنيان مولكول تقريباً دست نخورده باقي ميماند.
نكته قابل توجه اين است كه باكتريها معمولاص زماني به سوي ذخيره پلي هيدروكسي بوتيرات ميروند كه در شرايط سخت و كمبود غذايي قرار گرفته باشند. در واقع باكتريها گرانولهاي پلي هيدروكسي بوتيرات را به عنوان يك ذخيره غذايي براي خود جمع آوري ميكنند. ايجاد شرايط سخت در باكتريها با كاهش منابع ازت ,هوادهي و ديگر فاكتورهاي مؤثر در رشد محقق ميگردد كه باعث كاهش رشد باكتري ها نيز مي؛ردد و بازدهي توليد را نيز كاهش خواهد داد. اين موضوع نقطه حساسي در اقتصادي نمودن توليد است چرا كه با ايجاد شرايط سخت رشد باكتري محدود گرديده , ولي ذخيره PHB در سلول افزايش مييابد و با برطرف شدن شرايط سخت رشد باكتري زياد ميشود اما ذخيره PHB كاهش مييابد. امروزه با روشهاي مهندسي ژنتيك باكتريهايي ايجاد گرديده است كه تا حدود 70% وزن خشك آنها را ميتوان PHB تشكيل دهد. با استفاده از اين باكتريها ممكن است بتوان راه حل مناسبي براي مشكل مطرح شده يافت.
خواص و كاربرد
پلي هيدروكسي آلكونات مادهاي غير سمي , سازگار با محيط زيست و قابل تجزيه است كه ميتواند از منابع تجديد شونده توليد گردد. اين ماده درجه بالايي از پليمريزاسيون داشته , از شفافيت خوبي برخوردار بوده ودر آب غير محلول است. اين خصوصيات باعث ميگردد تا به خوبي قابل رقابت با پلاستيكهاي مشتق شده از مواد شيميايي نظير پلي پروپيلن باشد. پلي هيدروكسي آلكونات ها دامنه وسيعي از كاربردها را دارند. در ابتدا پلي هيدروكسي آلكوناتها به عنوان لايههاي بسته بندي كيسهها و ظروف بكار برده ميشد. پس از آن به عنوان پوشش براق كننده كاغذ مورد استفاده قرار گرفت. كاربردهاي ديگر اين ماده شامل , پلاستيك , تيغ اصلاح , ظروف آشپزخانه , پارچه , لوازم بهداشتي زنانه , ظروف لوازم آرايش , بطريهاي شامپو و ليوان است. علاوه بر خواص پلاستيك ذكر شده , پلي هيدروكسي آلكوناتها به دليل ساختمان شيميايي خاص ميتوانند به عنوان پيش سازهاي مناسبي به منظور توليد تركيبات فعال نوري به كار برده شوند. همچنين اين مواد به خاطر قابل تجزيه بودن ميتوانند به عنوان حاملهاي قابل تجزيه در طولاني مدت براي انتقال داروها به حاملهاي قابل تجزيه در طولاني مدت براي انتقال داروها به قسمتهاي خاصي از بدن در پزشكي مورد استفاده قرار گيرند. اين مواد به عنوان سازنده استخوان , جايگزين رگها و نخ بخيه نيز به كار برده شدهاند. كاربرد پزشكي اين مواد به دليل خواص تجزيه پذيري اكند در بافتهاي استريل , تا حدي محدود شده است. پلي هيدروكسي آلكوناتها در توليد مواد رنگي نيز به كاربرده شدهاند. اين مواد به دليل اين كه پس از تجزيه به طور خالص به هيدروكسي اسيدها
تجزيه ميشوند كاربردهاي ديگر نيز يافتهاند. براي مثال شركت مرك از اين ماده در تركيب برخي داروها نظير آنتي بيوتيكهاي بتالاكتام و داروهاي چشمي استفاده نموده است.
پلي هيدروكسي آلكوناتها همچنين در ساخت بشكههاي پلاستيك نيز كاربرد دارند. به هر حال به نظر ميرسد اين مواد به دليل ساختمان ويژه خود كاربردهاي بسيار وسيعي خواهند داشت و هم اكنون محدوديت اصلي قيمت اين مواد است كه تا حدي گرانتر از مواد مشابه نفتي است.
قابليت تجزيه
خصوصيت اصلي كه پلي هيدروكسي الكوناتها را از پلاستيكهاي توليد شده از مواد نفتي متمايز ميكند , قابليت تجزيه اين مواد است , اين مواد در معرض خاك , هوا و آب به راحتي تجزيه ميگردند. ( شكل 3) به طور كلي تجزيه مواد به چند عامل مانند فعاليت ميكروبي محيط , سطح تماس ماده با محيط , ميزان رطوبت , درجه حرارت , pH و وزن مولكولي بستگي دارد و براي پلي آلكوناتها به نظر ميرسد نوع زنجيره جانبي (R) و درجه پليمريزاسيون نيز اهميت داشته باشد. همچنين مشخص شده است طبيعت واحدهاي مونومري نيز بر روي اين تجزيه اثر زيادي دارد , پليمرهاي پلي هيدروكسي بوتيرات نسبت به ديگر پليمرهاي اين خانواده نظير پلي هيدروكسي آلكوناتها و كوپليمر هيدروكسي بوتيرات – هيدروكسي والرات P(3HB-3HV) راحتر تجزيه ميگردد. ميكروارگانيزمها آنزيمهايي ترشح ميكنند كه اين پليمرها را به واحدهاي سازنده آنها كه هيدروكسي اسيد ناميده ميشود , تجزيه ميكنند و از آنها به عنوان منبع كربن براي خود استفاده ميكنند.
اولين آنزيم مؤثر در اين امر آنزيم PHB دپليمراز است و مطالعات نشان داده است اين آنزيم يك نوع هيدرولاز است تجزيه بيولوژيك پلي هيدروكسي آلكوناتها در شرايط هوازي منجر به توليد آب و دي اكسيدكربن ميگردد , در حاليكه تجزيه غير هوازي اين ماده موجب توليد متان و دي اكسيدكربن ميشود , پلي هيدروكسي آلكوناتها در دامنه وسيعي از درجه حرارت و رطوبت ميتواند كمپوست و به كود بيولوژيك تبديل شود. براي مثال , در دماي حدود 60 و رطوبت حدود 55% نيز تجزيه بيولوژيك آن ادامه مييابد. همچنين گزارشها نشان ميدهد پلي هيدروكسي آلكوناتها در محيطهاي آبي نيز حتي در دماي 6 پس از حدود 250 روز كاملاً تجزيه ميشوند. به اين ترتيب در صورت جايگزيني اين مواد به جاي پلاستيكهاي امروزي هيچگونه نگراني در زمينه تجزيه اين مواد در محيطهاي آبي و خاكي وجود ندارد.
قابليت توليد صنعتي
عامل اصلي در توليد صنعتي مواد قابليت رقابت را نظر قيمت و كيفيت است. قيمت محصولات به قيمت تمام شده مواد اوليه , بازدهي توليد و بازدهي در مراحل استخراج , فرمولاسيون و بسته بندي بستگي دارد. اين امر در مورد پلي هيدروكسي آلكوناتها نيز كاملاً صادق است و شامل درصد وزن پلي هيدروكسي آلكوناتها نسبت به وزن كل سلول و به طور كلي بازدهي وزني پليمرها نسبت به حجم محيط توليد مورد استفاده در واحد زمان ميگردد. كاربردهاي صنعتي و مصارف وسيع پلي هيدروكسي آلكوناتها به دليل قيمت تمام شده بالاي آنها محدود گرديده است. قيمت هر كيلوگرم پلي هيدروكسي آلكونات توليد شده با استفاده از ميكروارگانيسمهاي معمولي در حدود 16 دلار است كه تقريباً 18 برابر بيشتر از گرانترين پلي پروپيلنهاي نفتي است.
امروزه با استفاده از مهندسي ژنتيك توليد اين ماده را در باكتريها به مقدار بالايي افزايش دادهاند و به نظر ميرسد استفاده از اين باكتريها ميتواند قيمت اين محصولات را تا حدود 4 دلار در هر كيلوگرم كاهش دهد كه به قيمت ديگر پلاستيكهاي تجزيه شوند نظير پلي لاكتيك اسيد نزديك خواهد شد. به نظر ميرسد , رسيدن به قيمت توليد حدود 5-3 دلار براي هر كيلوگرم , ميتواند توليد اقتصادي اين محصول را تضمين نمايد.
اما در حال حاضر سه موضوع اين امر را تحت شعاع خود قرار داده است. اول اينكه شرايط رشد خاص مورد نياز براي سنتز اين مواد ( كه معمولاً شرايط غذايي نامتعادل بوده و باعث كاهش رشد ميگردد ) بازدهي توليد را كاهش ميدهد. دوم اينكه بازدهي توليد از مواد اوليه ارزان قيمت نظير ملاس و يا آب پنير پائين است و معمولاً بايد از مواد گران قيمت به عنوان محيط كشت استفاده نمود و سوم آنكه هزينه استخراج و برداشت اين پليمرها از توده سلولي نيز نسبتاً بالاست , به نظر ميرسد در صورت يافتن راه حلي براي سه موضوع بالا قيمت تمام شده محصول به خوبي كاهش يابد.
امروزه به دليل اين كه توليد اين تركيبات توسط باكتري ها گران تمام ميشود , محققان به دنبال راههاي ديگري براي توليد بيوپليمرها هستند. يكي از اين راهها استفاده از گياهان دستكاري ژنيتك شده است. در واقع ژنهاي توليد هيدروكسي آلكونات از طريق روشهاي مهندسي ژنتيك به گياهان منتقل ميگردد و كشت اين گياهان موجب توليد اقتصادي و صنعتي اين بيوپليمرها خواهد شد. در صورت تحقق اين امر و رسيدن وزن بيوپلاستيك به حدود 40% -20% وزن خشك گياه به نظر ميرسد قيمت هر كيلو بيوپليمر به حدود 5-2 دلار كاهش يابد و در اين صورت قابل رقابت با پليمرهاي شيميايي خواهد بود. در حالي كه هم اكنون بيشترين بازدهي به دست آمده در حدود 14% وزن خشك برگ گياه است. دانههاي روغني هدف خوبي براي انجام اين عمل هستند و هم اكنون كار بر روي آنها در حال انجام است.
نتيجه گيري
هم اكنون بيش از 16 پلي استر بيولوژيك متفاوت با خواص پلاستيكي وجود دارد و اين تعداد با استفاده از روشهاي مهندسي ژنتيك و مهندسي محيط كشت هر روزه در حال افزايش است. ايجاد پلي استرهاي جديد با استفاده از ميكروبهاي دستكاري ژنتيكي شده , نشان ميدهد محدوديتهاي موجود نظير استفاده از محيطهاي كشت خاص براي توليد نمي تواند از اقتصادي شدن توليد اين مواد جلوگيري كند. همچنين بايد در نظر گرفت بيوپلاستيكهاي بسيار متفاوت ديگري با ساختارها , خواص و كاربردهاي متفاوت در اثر ادامه روش هاي مهندسي ژنتيك به دست خواهد آمد , اما به هر حال براي جايگزيني بيوپلاستي كلها به جاي پلاستيكهاي غير قابل تجزيه امروزي كوششهاي زيادي لازم است و بنابراين , آينده بيوپلاستيكها به ادامه تلاشها در زمينه كاهش قيمت توليد بستگي خواهد داشت.
در هر صورت ميتوان بيوپلاستيكها را به دليل ويژگيهاي خاص و كاربردهاي بيوتكنولوژيك وسيع , تركيباتي با آينده بسيار اطمينان بخش قلمداد نمود.
با تشکر از آقای حسام صفدری
|