دنیایی زنده با پلاستیک‌های سبز

به بیان دیگر، هر محصولی را که مصرف می‌کنیم، از غذایی که می‌خوریم تا لوازم برقی به نحوی با پلاستیک سروکار دارد و حداقل در بسته‌بندی آن از این مواد استفاده شده است. این پلاستیک‌ها در کنار کارآمدی‌شان روزبه‌روز بیشتر گریبان ما انسان‌ها را با معضلات زیست‌محیطی که به همراه آورده‌اند، می‌فشارند؛ چراکه بیشتر پلاستیک‌های معمول در بازار از فرآورده‌های نفتی و زغال‌سنگ تولید شده و غیرقابل بازگشت به محیط هستند و تجزیه و برگشت به محیط آنها چندهزار سال طول می‌کشد.

در چنین شرایطی، محققان علوم زیستی برای نجات ما از شر انبوه زباله‌های پلاستیک که هر دقیقه هم بر حجمشان افزوده می‌شود، گزینه‌ای مناسب‌تر از تولید پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر از منابع تجدیدشونده مثل ریزسازواره‌ها و گیاهان دست نیافتند. به این ترتیب، دانش تولید پلیمرهای زیست‌تخریب با توسعه دامنه خود، در روند تولیدات صنایع و محصولات مصرفی ما و در نتیجه در بهبود کیفیت زندگی در سرزمینی که حیاتش بدون داشتن محیط زیستی زنده و سالم معنا ندارد، تحول بزرگی ایجاد خواهد کرد.

هدیه بیوتکنولوژی به محیط‌زیست

آیا می‌دانید دلیل اصلی زیست‌تخریب‌پذیر نبودن پلاستیک‌های معمولی چیست؟ در واقع علت آن را باید در طویل بودن طول مولکول پلیمر و پیوند قوی بین مونومرهای آن که تجزیه‌شان توسط موجودات تجزیه‌کننده با مشکل مواجه می‌شود، جستجو کرد.

شاید لازم باشد باز برای بسیاری که با واژه زیست‌تخریبپذیری آشنایی ندارند، بگوییم واژه زیست‌تخریب‌پذیر یاBiodegradable به معنی موادی است که بسادگی توسط فعالیت موجودات زنده به زیرواحدهای سازنده خود تجزیه شده و بنابراین در محیط باقی نمی‌مانند. استانداردهای متعددی برای تعیین زیست‌تخریب‌پذیری یک محصول وجود دارد که عمدتا به تجزیه 60 تا 90 درصد از محصول در مدت 2 تا 6 ماه محدود می‌شود. این استاندارد در کشورهای مختلف متفاوت است. به این ترتیب، دانشمندان با استفاده از علم بیوتکنولوژی، توانسته‌اند با استفاده از منابع طبیعی مختلف پلاستیک‌هایی را تولید کنند که تجزیه آنها توسط تجزیه‌کنندگان طبیعی براحتی صورت می‌گیرد. برای این منظور و با هدف داشتن صنعتی در خدمت توسعه پایدار و حفظ زیست بوم‌های طبیعی، تولید نسل جدیدی از مواد اولیه مورد نیاز صنعت براساس فرآیندهای طبیعی در دستور کار بسیاری از کشورهای پیشرفته قرار گرفته است. حتی دولت آمریکا در قالب برنامه‌ای بنا دارد تا سال 2010 تولید مواد زیستی را با استفاده از کشاورزی و با بهره‌برداری از انرژی خورشیدی با درآمد تقریبی 15 تا 20 میلیارد دلار انجام دهد. در این میان، تولید پلیمرهای زیستی توسط طیف وسیعی از موجودات زنده مثل گیاهان، جانوران و باکتری‌ها جایگاه خاصی دارند.

پلیمرهای زیستی، خوشایند صنایع

مساله آن است که استفاده از پلیمرهای زیست‌تخریب از 2 بعد باید مورد تایید صنایع قرار بگیرند؛ یکی از دید محیط‌زیستی است؛ یعنی این مواد باید بسرعت در محیط مورد تجزیه قرار گیرند، بافت خاک را برهم نزنند و براحتی با برنامه‌های مدیریت زباله و بازیافت مواد از محیط خارج شوند. دیگری، از دید صنعتی است؛ به این معنا که مواد باید خصوصیات مورد انتظار صنعت را از جمله دوام و کارایی داشته باشد و از همه مهم‌تر، پس از برابری یا بهبود کیفیت نسبت به مواد معمول، قیمت تمام شده مناسبی داشته باشد. البته در هر دو بخش، بخصوص بخش دوم، استفاده از مهندسی تولید مواد برای دستیابی به اهداف مورد انتظار ضروری است.

البته بدون شک تولید پلیمرهای تجدیدشونده با بهره‌برداری از کشاورزی، یکی از روش‌های تولید صنعتی پایدار است. برای این منظور 2 روش اصلی وجود دارد که شامل استخراج مستقیم پلیمرها از توده زیستی گیاه است که شامل سلولز، نشاسته، انواع پروتئین‌ها، فیبرها و چربی‌های گیاهی می‌شود. دسته دیگر هم موادی هستند که پس از فرآیندهایی مانند تخمیر و هیدرولیز می‌توانند به عنوان مونومر پلیمرهای مورد نیاز صنعت استفاده شوند.

تولد پلاستیک‌های سبز

در واقع تولد پلیمرهای گیاهی از سال 1970 و در زمان بحران نفت آغاز شد. در آن زمان کشورهای پیشرفته از جمله آمریکا، به فکر تولید موادی جهت صنایع بسته‌بندی افتادند که وابسته به مواد نفتی و فسیلی نباشند. بنابراین پلیمرهای گیاهی با ترکیباتی چون سیب‌زمینی، ذرت و گندم را مورد آزمایش قرار دادند. این پلیمرهای هیدروکربنی دارای خواص ضعیف پلیمری هستند که با تغییر و اصلاح آنها می‌توان به شرایط پلیمرهای نفتی رسید. با توجه به روند روزافزون استفاده مردم دنیا از ظروف یک‌بار مصرف پلاستیک و کلا پلاستیک‌های ساخته شده از مواد نفتی و عمر 300 ساله این مواد بعد از دفن در خاک، آنها متوجه شدند بعد از مدت کوتاهی کره زمین را یک پوسته پلاستیک احاطه خواهد کرد و تاثیرات کوتاه‌مدتی چون سرطان‌زایی و بلندمدتی چون تغییرات ژنی برای نسل‌های بعدی به همراه خواهد داشت.

بدون شک کاربرد وسیع از پلیمرهای گیاهی، توسعه‌ای عمده در بخش کشاورزی به وجود می‌آورد و این اثر ثانویه‌ای است که خیلی از کشورها، آن را مطرح می‌کنند. یکی دیگر از مزیت‌هایی که این نوع پلیمرها دارند، عدم وابستگی آنها به منابع نفتی و تاثیرناپذیری آنها از نوسانات قیمت این منابع است. مسلما قیمت پلیمرهای نفتی به تبع افزایش و یا کاهش قیمت نفت دستخوش نوسانات زیادی می‌شود و این مساله برای تولیدکنندگان مشکل ایجاد می‌کند. تجزیه شدن پلیمرهای گیاهی نه‌تنها ایجاد آلودگی نمی‌کند؛ بلکه باعث حاصلخیزی خاک هم می‌شود. از سوی دیگر انرژی کمتری برای تولید پلیمرهای گیاهی نیاز است؛ چراکه برای تولید این مواد، نیازی به دمای بالای 190 درجه نیست و این پلیمرها در دمای حدود 130 درجه تولید می‌شوند. این اختلاف 60 درجه‌ای سالانه موجب صرفه‌جویی مالی زیادی می‌شود. البته تولید پلیمرهای گیاهی در آمریکا، اروپا و ژاپن طی6 سال اخیر افزایش یافته است و حتی کالاهای تبلیغاتی در المپیک 2008 چین که المپیک سبز نامیده شده، از پلیمرهای گیاهی تولید شده بود.

کارخانه‌ای اقتصادی در تولید پلاستیک‌ها

علاوه بر روش‌های معمول استخراج پلیمرها از گیاهان و فرآیندهای تخمیری، مونومرهای زیستی همچنین می‌توانند توسط موجودات زنده نیز به پلیمر تبدیل شوند که مثال بارز آن پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها هستند. باکتری‌ها از جمله موجوداتی هستند که این دسته از مواد را به صورت گرانول‌هایی در پیکره سلولی خود تولید می‌کنند. این باکتری بسهولت در محیط کشت رشد داده شده و محصول آن برداشت می‌شود.

در این خصوص، جداسازی ژن‌های باکتریایی و انتقال آن به گیاهان از پروژه‌هایی است که اجرا شده است. نکته دیگر در تولید اقتصادی پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر، بهره‌برداری از باکتری‌های خاکزی است که قادرند تا 80 درصد از توده زیستی خود را به انباشتن پلیمرهای غیرسمی و تجزیه‌پذیر پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌()PHA اختصاص دهند.

با وارد کردن این پلاستیک‌ها به بدن، آنها بتدریج تجزیه شده و بدن بافت طبیعی را در قالب پلاستیک وارد شده دوباره‌سازی می‌کند. در این کاربرد تخصصی پزشکی، قیمت این گونه محصولات زیستی قابل مقایسه با کاربردهای کم‌ارزش اقتصادی پلاستیک در صنایع اسباب‌بازی، تولید خودکار و کیف نیست. به این ترتیب هزینه تولید PHA ها با تولید آنها در گیاهان اصلاح ژنتیک شده و کشت وسیع در زمین‌های کشاورزی، به نحو قابل ملاحظه‌ای کاهش خواهد یافت. مهم‌ترین مشکل لاینحل باقیمانده در بخش فنی این پروژه، چگونگی استخراج این پلیمر از بافت‌های گیاهی با روشی کم‌هزینه و کارآمد است. به این ترتیب باید منتظر بود تا در آینده‌ای نزدیک، این محصولات دوستدار محیط‌زیست به تولید برسد.

بطری‌هایی که ناپدید می‌شوند

شاید برایتان جالب باشد بدانید که آخرین دستاوردهای محققان، مربوط به تولید بطری‌های پلاستیکی است که 4 ماه پس از دور انداخته شدن، از بین می‌روند. در واقع دانشمندان با ترکیب و اصلاح نوعی پلیمرهای زیستی، طبیعی و بر پایه نفت قصد دارند ترکیب بهینه‌ای بسازند که در تولید پوشش‌های نازک کشاورزی، بطری و وسایل انتقال دارو و زیست‌پزشکی و موارد دیگر استفاده می‌شود. اگرچه در حال حاضر برخی شرکت‌ها پلیمرهای زیست‌تجزیه‌پذیر را به فروش می‌رسانند؛ اما این محصولات اغلب گران هستند و برای استفاده در کاربردهای خاص، کیفیت پایینی دارند. به همین دلیل، گروهی از پژوهشگران در حال بررسی چگونگی استفاده از افزودنی‌های زیستی مانند نشاسته و سلولز، به منظور کاهش هزینه‌های این محصولات هستند.

البته امروزه دیگر محدودیتی برای نوع کالا وجود ندارد و با پلیمرهای گیاهی انواع قطعات ساخته می‌شوند، طوری که در اروپا آنقدر در این زمینه محصولات متنوع تولید شده است که حتی قطعه‌ای که برای کاشت توپ گلف در زمین قرار می‌دهند، دیگر بیرون نمی‌آورند و خود به خود در زمین می‌پوسد و جذب خاک می‌شود. مثال دیگر کیسه‌های پلاستیک بیمارستانی است که دفن آنها آلودگی‌زاست. در حال حاضر این نایلون‌ها را با استفاده از پلیمرهای گیاهی تولید می‌کنند و حلالیت آن را در آب افزایش می‌دهند. با این روش کیسه‌ها همراه لباس داخل لباسشویی قرار می‌گیرد و پس از10 دقیقه در آب حل می‌شوند.

پلیمر زیستی جایگزین پوشش شیمیایی

طی سال‌های اخیر، صنایع تولید پلیمرهای زیستی هم از پیشرفت‌های حیرت‌برانگیز علم نانو بی‌بهره نمانده‌اند. قضیه از این قرار است که یک شرکت اروپایی محصولی با ترکیب پلیمر زیستی نانویی، دوستدار محیط زیست تولید کرده که قرار است در بسته‌‌بندی کاغذ هیدروفوبیک و مقوا، جایگزین پوشش‌های شیمیایی مومی‌‌شکل شود.

این محصول براحتی قابل تجزیه و بازیافت است و معایب امولسیون‌های موم‌‌شکل را ندارد. شرکت تولیدکننده این محصول، فرآورده جدید را به عنوان جایگزین رقابتی و زیست ‌محیطی برای امولسیون‌‌های موم‌ شکلی تولید کرده است. تولید پلیمرهای زیستی نانویی نتیجه یک برنامه تحقیقاتی دو ساله است و با وجود نداشتن معایب امولسیون‌های موم‌ شکل، یک پوشش ضدآب بسیار کارآمد است. از سوی دیگر، این پلیمر زیستی، به ‌دلیل خصوصیات ذاتی، تاثیری منفی بر چرخه بازیافت یا تجزیه زیستی بسته‌بندی ندارد. اجزای سازنده این پلیمر زیستی از گیاهان گرفته می‌شود، در حالی که امولسیون‌های موم ‌شکل از مواد شیمیایی نفتی ساخته می‌شوند و در زمینه اصلاح سطحی کاغذ و مقوا نیز مزایای مهمی دارند.

دستیابی به دانش فنی استفاده از پلیمر گیاهی

گفته می‌شود ایران پنجمین کشور دارنده فناوری به‌کارگیری پلیمرهای گیاهی تولید شده از نشاسته ذرت برای استفاده در صنایع بسته‌بندی مواد غذایی، پزشکی و کشاورزی است. کشورهای آمریکا، آلمان، انگلستان و ایتالیا از این فناوری استفاده کرده‌اند و اکنون از فاز بسته‌بندی گذشته‌اند و وارد تولید گلدان‌های نشاء و تولید روکش داروهای هوشمند و لوازم یک بار مصرف پزشکی شده‌اند. این پلیمرها از سال 2002 در آمریکا و اروپا با هدف حفظ محیط زیست و عدم وابستگی به نفت توسعه پیدا کرده است و به دلیل حجم مصرف و استفاده از آن در تولیدات کشورها به این فناوری روی آوردند. از آنجا که در کشور ما 570 هزار تن در سال ظروف یک بار مصرف تولید می‌شود که حدود 300 تا 500 سال زمان می‌برد تا پس از 2 بار بازیافت به طبیعت بازگردند، تولید ظروف یک بار مصرف تولید شده از پلیمرهای گیاهی نشاسته ذرت که در مدت حداکثر 6 ماه به خاک بازمی‌گردند می‌تواند قدم بزرگی در حمایت از محیط‌زیست تلقی شود.

از سوی دیگر، امروزه یکی از عمده‌ترین کاربرد‌های پلیمرهای زیستی در حوزه‌های درمانی است. نمونه جالب آن طرحی است که پژوهشگران ایرانی بر اساس آن توانسته‌اند به تولید نوعی پلیمر زیست سازگار و تخریب‌پذیر برای درمان سریع و غیرتهاجمی ضایعات غضروفی نائل آیند. در واقع محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر با بهبود خواص و اصلاح روش ساخت نوعی پلیمر زیستی (بیوپلیمر) که نوعی هیدروژل طبیعی است و قابلیت تزریق دارد، می‌توانند آن را براحتی و بدون عمل جراحی باز، در محل مورد نظر برای ‌ترمیم غضروف تزریق کنند. زمان کوتاه بسته شدن ژل (کمتر از یک دقیقه) امکان تزریق و پر کردن فضاهای سه‌بعدی بدون نیاز به قالب‌سازی و جراحی و همچنین ارزانی و کارآمدی از برتری‌های درمان با این نوع پلیمر‌های جدید به شمار می‌روند.

شاید فردا سبز باشد!

کاربرد پلیمرهای زیستی پدیده‌ای است که بتازگی گسترش یافته است، گرچه جنبه‌های زیست‌محیطی به‌کارگیری این الیاف، نخستین دلیل توجه به کاربردهای صنعتی این مواد بود، کاربردهای آینده این الیاف بر پایه برتری‌ها و ویژگی‌های فنی آنها خواهد بود. مسلما شرکت‌های تولیدکننده این نوع پلیمرها تلاش می‌کنند کارایی این مواد افزایش یابد و فاصله آنها با مواد سنتزی بسیار کمتر شود. کشت الیاف برای اهداف صنعتی، توسعه روش‌های آماده‌سازی الیاف را تداوم بخشیده و روش‌های نوین ساخت، در آینده ویژگی‌های این الیاف را بیشتر بهبود خواهند داد. به نظر می‌رسد امکان به کارگیری این الیاف در قطعات بیرونی خودرو، در آینده طرفداران فراوانی پیدا کند. به‌علاوه الگو گرفتن از اصول طراحی طبیعت، نقش مهمی در کاربردهای صنعتی محصولات طبیعی در آینده ایفا خواهد کرد. با این حال باید ببینیم آیا سیر تحولات دوستدار محیط‌زیست می‌تواند در آینده نسبت به اقدامات تخریبی بشر پیشی بگیرد یا خیر... .

پونه شیرازی