پلاستیک های زیستی

اطرافمان انباشته از پلاستیک شده است. هر کاری که انجام می دهیم و هر محصولی را که مصرف می کنیم، از غذایی که می خوریم تا لوازم برقی به نحوی با پلاستیک سرو کار داشته و حداقل در بسته بندی آن از این مواد استفاده شده است.

در کشوری مثل استرالیا سالانه حدود یک میلیون تن پلاستیک تولید می شود که 40 درصد آن صرف مصارف داخلی می گردد. در همین کشور هر ساله حدود 6 میلیون بسته یا کیسه پلاستیکی مصرف می شود.

گرچه بسته بندی پلاستیکی با قیمتی نازل امکان حفاظت عالی از محصولات مختلف خصوصاً مواد غذایی را فراهم می کند ولی متاسفانه معضل بزرگ زیست محیطی حاصل از آن گریبانگیر بشریت شده است. اکثر پلاستیک های معمول در بازار از فرآورده های نفتی و ذغال سنگ تولید شده و غیر قابل بازگشت به محیط هستند و تجزیه آنها و برگشت به محیط چند هزار سال طول می کشد.

به منظور رفع این مشکل، محققان علوم زیستی در پی تولید پلاستیک های زیست تخریب پذیر از منابع تجدید شونده مثل ریزسازواره ها و گیاهان می باشند.

واژه زیست تخریب پذیر یا Biodegradable به معنی موادی است که بسادگی توسط فعالیت موجودات زنده به زیر واحدهای سازنده خود تجزیه شده و بنابراین در محیط باقی نمانند.

استانداردهای متعددی برای تعیین زیست تخریب پذیری یک محصول وجود دارد که عمدتاً به تجزیه 60 تا 90 درصد از محصول در مدت دو تا شش ماه محدود می گردد. این استاندارد در کشورهای مختلف متفاوت است.

اما دلیل اصلی زیست تخریب پذیر نبودن پلاستیک های معمول، طویل بودن طول مولکول پلیمر و پیوند قوی بین مونومرهای آن بوده که تجزیه آن را توسط موجودات تجزیه کننده با مشکل مواجه می کند.

نمونه بسته بندی با پلاستیک زیست تخریب پذیر

با این حال تولید پلاستیک ها با استفاده از منابع طبیعی مختلف، باعث سهولت تجزیه آنها توسط تجزیه­کنندگان طبیعی می گردد. برای این منظور و با هدف داشتن صنعتی در خدمت توسعه پایدار و حفظ زیست­بوم های طبیعی، تولید نسل جدیدی از مواد اولیه مورد نیاز صنعت بر اساس فرآیندهای طبیعی در دستور کار بسیاری از کشورهای پیشرفته قرار گرفته است.

به طور مثال دولت امریکا طی برنامه ای بنا دارد تا سال 2010، تولید مواد زیستی را با استفاده از کشاورزی و با بهره برداری از انرژی خورشید با درآمد تقریبی 15 تا 20 میلیارد دلار انجام دهد.

در این بین تولید پلیمرهای زیستی جایگاه خاصی دارند. تولید اینگونه پلیمرها توسط طیف وسیعی از موجودات زنده مثل گیاهان، جانوران و باکتری ها صورت می گیرد. چون این مواد اساس طبیعی دارند، بنابراین توسط سایر موجودات نیز مورد مصرف قرار می گیرند و تجزیه کنندگان از جمله مهم ترین این موجودات زنده در موضوع مورد بحث ما می باشند.

برای بهره برداری از این پلیمرها در صنعت دو موضوع باید مورد توجه قرار گیرد:

الف) دید محیط زیستی: این مواد باید سریعاً در محیط مورد تجزیه قرار گیرند، بافت خاک را بر هم نزنند و به راحتی با برنامه های مدیریت زباله و بازیافت مواد از محیط خارج شوند.

ب) دید صنعتی: این مواد باید خصوصیات مورد انتظار صنعت را از جمله دوام و کارایی را داشته باشند و از همه مهمتر، پس از برابری یا بهبود کیفیت نسبت به مواد معمول، قیمت تمام شده مناسبی داشته باشند.

در هر دو بخش، مخصوصاً بخش دوم، استفاده از مهندسی تولید مواد برای دستیابی  به اهداف مورد انتظار ضروری است.

همانطور که ذکر شد، تولید پلیمرهای تجدید شونده با بهره برداری از کشاورزی، یکی از روش های تولید صنعتی پایدار می باشد. برای این منظور دو روش اصلی وجود دارد:

نخست استخراج مستقیم پلیمرها از توده زیستی گیاه می باشد. پلیمرهایی که از این روش تولید می شوند عمدتاً شامل سلولز، نشاسته، انواع پروتئین ها، فیبرها و چربی های گیاهی می باشند که به عنوان شالوده مواد پلیمری و محصولات طبیعی کاربرد دارند.

دسته دیگر موادی هستند که پس از انجام فرآیندهایی مانند تخمیر و هیدرولیز می توانند به عنوان مونومر پلیمرهای مورد نیاز صنعت استفاده شوند.

مونومرهای زیستی همچنین می توانند توسط موجودات زنده نیز به پلیمر تبدیل شوند که مثال بارز آن پلی هیدروکسی آلکانوات ها می باشند.

باکتری ها از جمله موجوداتی هستند که این دسته از مواد را به صورت گرانول هایی در پیکره سلولی خود تولید می کنند. این باکتری به سهولت در محیط کشت رشد داده شده و محصول آن برداشت می شود.

رهیافت دیگر جداسازی ژن های درگیر در این فرآیند و انتقال آن به گیاهان می باشد که پروژه هایی در این زمینه از جمله انتقال ژن های باکتریایی تولید PHA به ذرت انجام شده است.

نکته ای که نباید از نظر دور داشت این است که علی رغم قیمت بالاتر تولید پلاستیک های زیست تخریب پذیر، چه بسا قیمت واقعی آنها بسیار کمتر از پلاستیک های سنتی باشد؛ چرا که بهای تخریب محیط زیست و هزینه بازیافت پس از تولید هیچ گاه مورد محاسبه قرار نمی گیرد.

در ادامه مبحث، تولید پلاستیک های زیست تخریب پذیر PHA به طور اختصاصی مورد بررسی قرار می گیرد.

تقریباً تمامی پلاستیک‌های معمول در بازار از محصولات پتروشیمی که غیر قابل برگشت به محیط می‌باشند، به دست می‌آیند. راه‌حل جایگزین برای این منظور، بهره‌برداری از باکتری های خاکزی مانند Ralstonia eutrophus می‌باشد که تا ۸۰ درصد از توده زیستی خود قادر به انباشتن پلیمرهای غیر سمی و تجزیه‌پذیر پلی هیدروکسی آلکانوات (PHA) هستند.

PHA ها عموماً از زیرواحد بتاهیدروکسی آلکانوات و به واسطه مسیری ساده با ۳ آنزیم از استیل-کوآنزیم A ساخته شده و معروف‌ترین آنها پلی هیدروکسی بوتیرات (PHB) می‌باشد.

در خلال دهه ۸۰ میلادی شرکت انگلیسی ICI فرآیند تخمیری را طراحی و اجرا کرد که از آن طریق PHB و سایر PHA ها را با استفاده از کشت E.coli تراریخته که ژن‌های تولید PHA را از باکتری‌های تولید کننده این پلیمرهای دریافت کرده بود، تولید می‌کرد.

متاسفانه هزینه تولید این پلاستیک‌های زیست تخریب پذیر، تقریباً ۱۰ برابر هزینه تولید پلاستیک‌های معمولی بود.

با وجود مزایای بی‌شمار زیست محیطی این پلاستیک‌ها مثل تجزیه کامل آنها در خاک طی چند ماه، هزینه بالای تولید آنها، باعث اقتصادی نبودن تولید تجارتی در مقیاس صنعتی بود.

با این وجود بازار کوچک و پرسودی برای این محصولات ایجاد شد و از پلاستیک‌های زیست تخریب پذیر برای ساخت بافت های مصنوعی بهره‌برداری گردید. با وارد کردن این پلاستیک ها در بدن، آنها به تدریج تجزیه شده و بدن بافت طبیعی را در قالب پلاستیک وارد شده دوباره‌سازی می‌کند. در این کاربرد تخصصی پزشکی، قیمت اینگونه محصولات زیستی قابل مقایسه با کاربردهای کم ارزش اقتصادی پلاستیک در صنایع اسباب بازی، تولید خودکار و کیف نمی‌باشد.

هزینه تولید PHA ها با تولید آنها در گیاهان تراریخته و کشت وسیع در زمینهای کشاورزی، به نحو قابل ملاحظه‌ای کاهش خواهد یافت. این موضوع باعث شد که شرکت مونسانتو در اواسط دهه ۹۰ میلادی امتیاز تولید PHA را از شرکت ICI کسب نماید و به انتقال ژن های باکتری به گیاه منداب بپردازد. مهیا کردن شرایط برای تجمع PHA ها در پلاستید به جای سیتوسل، امکان برداشت محصول پلیمری را از برگ و دانه ایجاد کرد.

مهمترین مشکل لاینحل باقی مانده در بخش فنی این پروژه، نحوه استخراج این پلیمر از بافت های گیاهی با روشی کم هزینه و کارآمد می‌باشد.

مشکل دیگر در زمینه PHB می‌باشد که در حقیقت مهم‌ترین گروه از PHA ها بوده ولی متاسفانه شکننده بوده و در نتیجه برای بسیاری از کاربردها مناسب نمی‌باشد. بهترین پلاستیک‌های زیست تخریب پذیر، کوپلیمرهای پلی هیدروکسی بوتیرات با سایر PHA ها مثل پلی هیدروکسی والرات می‌باشند. تولید اینگونه کوپلیمرها در گیاهان تراریخت بسیار سخت تر از تولید پلیمرهای تک مونومر می‌باشد. در سال ۲۰۰۱ این مشکلات به همراه مسایل مالی شرکت مونسانتو باعث شد تا این شرکت، امتیاز تولید PHA تراریخت را به شرکت Metabolix واگذار کند.

شرکت Metabolix در قالب یک پروژه مشارکتی با وزارت انرژی آمریکا به ارزش تقریبی 8/14 میلیون دلار، برای تولید PHA در گیاهان تراریخته تا پایان دهه ۲۰۱۰ میلادی تلاش می‌کند.

گروه های دیگری نیز برای تولید PHA در گیاهانی مثل نخل روغنی تلاش می‌کنند.

باید منتظر بود تا سرانجام شاهد تولید اقتصادی این محصولات دوستدار محیط زیست در آینده‌ای نزدیک بود.

به نقل از وبلاگ بیوتکنولوژی http://kasra13.persianblog.com

1. Hand book of Plant Biotechnology (2004), Paul Christou and Haraly Klee, WILEY.
2. PHA production, from bacteria to plants (1999), Valentine et al., Int J Biol Macromol 25: 303-6.
3. Bacteria and other biological systems for polyester production (1998), Steinbuchel and Fuchtenbusch, Trends Biotechnol 16: 419-27