بیوپلاستیک

بیوپلاستیک چیست؟

پلاستیک زیستی، که همچنین به عنوان پلاستیک مبتنی بر مواد زیستی شناخته می‌شود، به نوعی از مواد پلاستیکی اطلاق می‌شود که از منابع زیست توده تجدید پذیر مانند گیاهان، زباله‌های کشاورزی یا میکروارگانیسم‌ها به دست می‌آید.

برخلاف پلاستیک‌های معمول که معمولاً از سوخت‌های فسیلی مانند نفت به دست می‌آیند، پلاستیک‌های زیستی با استفاده از فرآیندهای بیولوژیکی یا منابع طبیعی تولید می‌شوند.

انواع بیوپلاستیک

پلاستیک‌های زیستی:

این مواد از منابع گیاهی تجدیدپذیر مانند ذرت، نیشکر، گندم یا نشاسته سیب زمینی تولید می‌شوند؛ مزیت اصلی پلاستیک‌های زیستی این است که وابستگی به منابع سوخت‌های فسیلی محدود را کاهش می‌دهند و ردپای کربن کمتری نسبت به پلاستیک‌های معمولی دارند.

پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر:

پلاستیک‌هایی هستند که می‌توانند به طور طبیعی تحت شرایط خاص، معمولاً از طریق عملکرد میکروارگانیسم‌ها، به اجزای غیرسمی تجزیه شوند و به آب، دی اکسید کربن و زیست توده تبدیل شوند.

پلاستیک‌های زیست تخریب پذیر اغلب در تولید ظروف یکبار مصرف برای کاهش اثرات زیست محیطی و کاهش ضایعات استفاده می‌شوند.

باید به این نکته توجه کرد که همه پلاستیک‌های زیستی تجزیه‌پذیر نیستند و همه پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر از منابع تجدیدپذیر ساخته نمی‌شوند.

برخی از پلاستیک‌های زیستی ممکن است برای مدت طولانی در محیط باقی بمانند، در حالی که برخی از پلاستیک‌های معمولی، تحت شرایط خاص، ممکن است در طول زمان تجزیه شوند.

پلاستیک‌های زیستی به دلیل پتانسیل آنها در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و همچنین پتانسیل آنها برای کاهش انباشت زباله‌های پلاستیکی در محیط، به عنوان جایگزین پایدارتری برای پلاستیک‌های معمول مورد توجه و محبوبیت قرار گرفته‌اند.

تاریخچه بیوپلاستیک

تاریخچه پلاستیک‌های زیستی به چندین دهه قبل برمی‌گردد؛ با شروع تلاش‌های اولیه تحقیق و توسعه با هدف یافتن جایگزین‌ مناسب برای پلاستیک‌های مبتنی بر نفت. در ادامه مروری کوتاه در خصوص نقاط عطف کلیدی در تاریخ پلاستیک‌های زیستی می‌کنیم:

1. تحقیقات اولیه (قرن 19 – اوایل قرن 20):

مفهوم پلاستیک‌های زیستی در اوایل قرن نوزدهم ظهور کرد و محققان مواد طبیعی مانند سلولز را به‌ عنوان جایگزین‌ بالقوه برای پلاستیک‌های مصنوعی بررسی کردند؛ در اوایل قرن بیستم، محققان شروع به آزمایش با مواد زیست تخریب پذیر مانند پلاستیک کازئین “casein plastics”، مشتق شده از پروتئین‌های شیر و سایر مواد گیاهی کردند.

2. باکلیت و پلاستیک های اولیه (1907):

باکلیت، یک پلاستیک مصنوعی مشتق شده از فنل و فرمالدئید است، این ماده یکی از اولین پلاستیک‌های مصنوعی بود که توسط شیمیدان بلژیکی، لئو هندریک باکلند “Leo Hendrik Baekeland” در سال 1907 ایجاد شد؛ با این که باکلیت یک بیوپلاستیک نبود، نقطه عطف مهمی در توسعه مواد پلاستیکی بود.

3. پلی لاکتیک اسید (1930) (PLA):

در دهه 1930، والاس کاروترز “Wallace Carothers” ، شیمیدان آمریکایی، برای اولین بار پلیمر پلی لاکتیک اسید (PLA) را از منابع تجدیدپذیر مانند نشاسته ذرت و نیشکر تولید کرد.

4. پلاستیک های زیستی مبتنی بر نشاسته (1970-1980):

در طول دهه‌های 1970 و 1980، تلاش‌ها برای تولید پلاستیک‌های زیستی از منابع تجدیدپذیر تشدید شد. پلاستیک‌های زیستی مبتنی بر نشاسته، مشتق شده از ذرت، سیب زمینی یا تاپیوکا، از جمله محصولات پلاستیکی زیست تخریب پذیر اولیه بودند که در این دوره معرفی شدند.

5. پلی هیدروکسی آلکانوات ها (PHA) (دهه 1980) :

پلی هیدروکسی آلکانوات ها (PHA) گروهی از پلاستیک های زیستی هستند که به طور طبیعی توسط باکتری ها از طریق تخمیر قندها یا لیپیدها تولید می‌شوند. در دهه 1980، محققان شروع به بررسی پتانسیل PHA به عنوان یک ماده پلاستیکی زیست تخریب پذیر و تجدید پذیر کردند؛ این ماده به دلیل تطبیق پذیری و توانایی تجزیه در محیط‌های مختلف مورد توجه قرار گرفته است.

6. تجاری سازی PLA (دهه 1990 – 2000) :

در دهه 1990 و اوایل دهه 2000، پیشرفت در بیوتکنولوژی و تکنیک‌های پردازش پلیمر، تجاری سازی PLA  را تسهیل کرد. شرکت‌ها شروع به تولید محصولات مبتنی بر PLA، مانند مواد بسته بندی، کارد و چنگال یکبار مصرف و ظروف غذا کردند.

7. پیشرفت‌ها و گسترش مدرن (دهه 2000 – اکنون) :

در سال‌های اخیر، پلاستیک‌های زیستی رشد و تنوع قابل توجهی را تجربه کرده‌اند. نوآوری‌ها در فناوری منجر به توسعه مواد بیوپلاستیک جدید با خواص، عملکرد و مقرون به صرفه‌تر شدن شده است.

تاریخچه پلاستیک‌های زیستی نشان‌دهنده تلاش‌های مداوم برای یافتن جایگزین‌های پایدار برای پلاستیک‌های معمولی و کاهش اثرات زیست‌محیطی آن‌ها است. با ادامه پیشرفت فناوری و تحقیقات، انتظار می رود پلاستیک‌های زیستی نقش مهمی در ایجاد آینده ای پایدارتر و سازگار با محیط زیست داشته باشند.

ویژگی‌های بارز بیوپلاستیک

پلاستیک‌های زیستی دارای چندین ویژگی متمایز هستند که آنها را از پلاستیک‌های نفتی معمولی متمایز می کند؛ این ویژگی‌ها پلاستیک‌های زیستی را به جایگزینی سازگارتر با محیط زیست و پایدار تبدیل می‌کند. برخی از ویژگی‌های متمایز کلیدی بیوپلاستیک‌ها عبارتند از:

• دارای منبع تجدید پذیر: پلاستیک‌های زیستی از منابع تجدیدپذیر مانند گیاهان، زباله‌های کشاورزی یا میکروارگانیسم‌ها به دست می‌آیند. برخلاف پلاستیک‌های معمول که به سوخت‌های فسیلی مانند نفت متکی هستند، پلاستیک‌های زیستی وابستگی به منابع محدود را کاهش می‌دهند و به مدیریت منابع پایدارتر کمک می‌کنند.
• کاهش ردپای کربن: تولید پلاستیک‌های زیستی عموماً منجر به انتشار گازهای گلخانه‌ای کمتر در مقایسه با پلاستیک‌های معمولی می‌شود.
• دارای خاصیت زیست تخریب پذیری: برخی از پلاستیک‌های زیستی زیست تخریب پذیر هستند، به این معنی که می‌توانند به طور طبیعی تحت شرایط خاص به اجزای غیر سمی تجزیه شوند. پلاستیک‌های زیست تخریب پذیر می‌توانند به کاهش تجمع زباله‌های پلاستیکی در محیط کمک کنند.
• تطبیق پذیری و انعطاف پذیری بالا: پلاستیک‌های زیستی را می‌توان طوری مهندسی کرد که طیف وسیعی از خواص را از خود نشان دهند و برای کاربردهای مختلف مناسب باشند.
• صرفه جویی در مصرف انرژی: در برخی موارد، فرآیند تولید پلاستیک ‌ای زیستی انرژی کمتری را در مقایسه با پلاستیک‌های معمول مصرف می کند که به کاهش مصرف انرژی و اثرات زیست محیطی مرتبط کمک می‌کند.

علی‌رغم این ویژگی‌های متمایز، توجه به این نکته ضروری است که همه پلاستیک‌های زیستی قابل تجزیه زیستی یا کمپوست‌پذیر نیستند و برخی هنوز ممکن است به شرایط خاصی برای تخریب نیاز داشته باشند. علاوه بر این، پلاستیک‌های زیستی با چالش‌هایی از جمله  تولید انبوه، مقرون‌به‌صرفه بودن، و اطمینان از مدیریت صحیح زباله و شیوه‌های بازیافت برای تحقق کامل پتانسیل پایداری خود مواجه هستند.

معایب بیوپلاستیک‌ها:

• رقابت با تولید مواد غذایی: برخی از پلاستیک‌های زیستی از محصولاتی مانند ذرت یا نیشکر به عنوان منبع استفاده می‌کنند که منجر به ایجاد نگرانی در مورد رقابت با تولید مواد غذایی و تأثیر آن بر قیمت مواد غذایی می‌شود.
• استفاده از زمین و جنگل زدایی: گسترش تولید پلاستیک‌های زیستی ممکن است منجر به افزایش تقاضا برای زمین‌های کشاورزی شود که در صورت عدم مدیریت پایدار، به طور بالقوه منجر به جنگل زدایی و سایر مسائل زیست محیطی می‌شود.
• زیست تخریب پذیری محدود: همه پلاستیک‌های زیستی تجزیه پذیر نیستند و برخی از آن‌ها ممکن است برای مدت طولانی در محیط باقی بمانند، به ویژه اگر به درستی دفع نشوند.
• چالش‌های بازیافت: پلاستیک‌های زیستی و پلاستیک‌های معمولی را نمی‌توان همیشه در جریان‌های بازیافت مخلوط کرد، زیرا این مساله می تواند منجر به بروز چالش‌هایی در زیرساخت‌های بازیافت و دفع مناسب زباله ها شود.
• هزینه و در دسترس بودن: تولید پلاستیک‌های زیستی می‌تواند گران‌تر از پلاستیک‌های معمول باشد، که ممکن است بر پذیرش جهانی آن و در دسترس بودن آنها در بازارهای خاص تأثیر بگذارد.
• مقاومت حرارتی محدود: برخی از پلاستیک‌های زیستی در مقایسه با پلاستیک‌های معمولی مقاومت حرارتی کمتری دارند و برای استفاده در دمای بالا نامناسب هستند.

به طور کلی، در حالی که پلاستیک‌های زیستی مزایای متعددی از نظر پایداری و کاهش اثرات زیست‌محیطی ارائه می‌دهند، با چالش‌ها و محدودیت‌هایی نیز همراه هستند.

ایجاد تعادل بین منبع یابی پایدار، تولید کارآمد، مدیریت مناسب زباله و تحقیقات نوآورانه در به حداکثر رساندن مزایای پلاستیک‌های زیستی و در عین حال رفع معایب آن‌ها ضروری خواهد بود.

کاربرد بیوپلاستیک

پلاستیک‌های زیستی کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند. خواص منحصر به فرد و ویژگی‌های سازگار با محیط زیست آن‌ها را برای بسیاری از مصارف مناسب می‌کند. برخی از کاربردهای کلیدی بیوپلاستیک‌ها عبارتند از:

• بسته بندی: پلاستیک‌های زیستی معمولاً برای بسته بندی مواد غذایی، کارد و چنگال یکبار مصرف، فنجان، سینی و کیسه استفاده می‌شود. آن‌ها جایگزین پایدارتری برای بسته بندی‌های پلاستیکی معمولی هستند و می‌توانند زیست تخریب پذیر باشند و اثرات زیست محیطی را کاهش دهند.
• کشاورزی: پلاستیک‌های زیستی در کشاورزی برای فیلم‌های مالچ استفاده می‌شوند که روی خاک قرار می‌گیرند تا رشد علف‌های هرز را سرکوب کنند، رطوبت را حفظ کنند و عملکرد محصول را افزایش دهند. این محصولات زیست تخریب پذیر نیازی به برداشت پس از استفاده ندارند و مدیریت مزرعه را کارآمدتر می‌کنند.

• منسوجات: پلاستیک‌های زیستی در صنعت نساجی برای تولید پوشاک، کفش و لوازم جانبی استفاده می‌شوند. آن‌ها را می‌توان به الیافی تبدیل کرد که زیست تخریب پذیر هستند و اثرات زیست محیطی صنعت مد را کاهش می‌دهد.
• پزشکی و دارویی: پلاستیک‌های زیستی در وسایل پزشکی، بخیه‌های جراحی، سیستم‌های حمل دارو و ایمپلنت‌های زیست تخریب پذیر استفاده می‌شوند. آن‌ها می‌توانند به گونه‌ای طراحی شوند که پس از انجام عملکرد پزشکی مورد نظر خود به طور بی ضرر در بدن تجزیه شوند.
• لوازم الکترونیکی: برخی از تولیدکنندگان الکترونیک از پلاستیک‌های زیستی برای قطعاتی مانند روکش‌ها و پوشش‌ها استفاده می‌کنند که این امر باعث کاهش وابستگی به پلاستیک‌های معمولی مشتق‌شده از سوخت‌های فسیلی می‌شود.
• خودرو: پلاستیک‌های زیستی کاربردهای گسترده ای در صنعت خودرو دارند، جایی که می‌توان از آن‌ها برای اجزای داخلی مانند داشبورد، بالشتک صندلی‌ها و پانل‌های درب استفاده کرد که به تولید خودروهای سبک‌تر و پایدارتر کمک می‌کند.
• چاپ سه بعدی: پلاستیک‌های زیستی به عنوان ماده مورد استفاده در پرینت سه بعدی برای ایجاد اشیاء مختلف، نمونه‌های اولیه و محصولات سفارشی استفاده می‌شوند.
• اسباب‌بازی‌ها: پلاستیک‌های زیستی در تولید اسباب‌بازی‌ها و بازی‌ها استفاده می‌شوند و جایگزینی امن‌تر و سازگار با محیط زیست برای کودکان هستند.
• باغبانی: گلدان‌های زیست تخریب پذیر ساخته شده از پلاستیک‌های زیستی در باغبانی استفاده می‌شود. این ظروف را می توان به طور مستقیم در زمین کاشت، به دلیل جنس خاص آن‌ها شوک پیوند کاهش می‌یابد و باعث رشد بهتر گیاه می‌شود.

مراحل تجزیه بیوپلاستیک

تجزیه پلاستیک‌های زیستی می‌تواند از طریق فرآیندهای مختلفی اتفاق بیفتد؛ بسته به نوع خاص بیوپلاستیک و شرایط محیطی که در آن قرار می‌گیرد این تفاوت‌ها به وجود می آیند. پلاستیک‌های زیستی می‌توانند مسیرهای تخریب مختلفی را طی کنند و از مراحل تجزیه آنها می‌توانیم به موارد زیر اشاره کنیم:

1. فرسایش سطحی: پلاستیک‌های زیستی که در معرض عوامل محیطی مانند گرما، رطوبت و نور خورشید قرار می‌گیرند، ممکن است در سطوح خود شروع به تخریب کنند؛ این عوامل خارجی می‌توانند مواد را تضعیف کرده و فرآیند تجزیه را آغاز کنند.
2. هیدرولیز: در مورد پلاستیک‌های زیست تخریب پذیر، مانند برخی از انواع پلی لاکتیک اسید (PLA) و پلی هیدروکسی آلکانوات ها (PHA)، هیدرولیز یک مرحله اولیه رایج است.

هیدرولیز یک فرآیند شیمیایی است که در آن مولکول‌های آب زنجیره های پلیمری را به قطعات کوچکتر یا مونومر تجزیه می‌کنند. آنزیم ها، رطوبت یا آب موجود در محیط می‌توانند این فرآیند را کاتالیز کنند.

3. تجزیه زیستی توسط میکروارگانیسم‌ها: پلاستیک‌های زیستی که برای تجزیه زیستی طراحی شده‌اند، می‌توانند توسط میکروارگانیسم‌هایی مانند باکتری‌ها و قارچ‌ها تجزیه شوند. این میکروارگانیسم‌ها آنزیم‌هایی تولید می‌کنند که بیوپلاستیک را به عنوان منبع غذایی می‌شناسند و آنزیم‌هایی ترشح می‌کنند تا زنجیره‌های پلیمری را به واحدهای کوچکتر تجزیه کنند.
4. تکه تکه شدن: با تجزیه بیوپلاستیک، ممکن است تکه تکه شده و به قطعات کوچکتر تجزیه شود. این قطعات می‌توانند بیشتر توسط میکروارگانیسم‌ها متابولیزه شوند یا از طریق فرآیندهای طبیعی مانند جریان آب جا به جا شوند.
5. کانی سازی: در مراحل نهایی تجزیه، قطعات بیوپلاستیک ممکن است بیشتر به دی اکسید کربن، آب و زیست توده تجزیه شوند. این فرآیند کانی سازی چرخه تخریب را تکمیل می‌کند و کربن بیوپلاستیک را به محیط باز می‌گرداند.

باید به این نکته توجه نمود که فرآیند تجزیه پلاستیک‌های زیستی بسته به ماده خاص، ترکیب شیمیایی آن و شرایط محیطی که در آن قرار می‌گیرد، می‌تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد. عواملی مانند دما، رطوبت، در دسترس بودن اکسیژن و حضور میکروارگانیسم‌های خاص، همگی در تعیین سرعت و کارایی تجزیه بیوپلاستیک نقش دارند.

نویسنده زهرا جهان‌بخش

تهیه شده در آکادمی بیوتکنولوژی ایران