پلاستیک زیستسازگار: آیندهای سبز برای صنعت پلیمر
پلاستیک زیستسازگار چیست و چه تفاوتی با پلاستیک معمولی دارد؟
پلاستیکهای معمولی که ما هر روز میبینیم، از منابع فسیلی مانند نفت و گاز طبیعی ساخته میشوند. این مواد که پلیمرهایی با زنجیرههای بلند مولکولی هستند، صدها سال در طبیعت باقی میمانند و به آلودگی خاک و اقیانوسها منجر میشوند. اما پلاستیک زیستسازگار1 به دستهای از مواد پلیمری گفته میشود که یا از منابع تجدیدپذیر زیستی تولید شدهاند (زیستپایه) و یا قابلیت تجزیه شدن توسط موجودات زنده را دارند (زیستتخریبپذیر). بهترین نوع این پلاستیکها هر دو ویژگی را دارند: هم زیستپایه هستند و هم زیستتخریبپذیر.
برای درک بهتر، یک مثال عینی بزنیم: یک لیوان پلاستیکی یکبار مصرف معمولی از جنس پلیپروپیلن (PP) ساخته شده که از نفت خام به دست میآید. در مقابل، یک لیوان ساخته شده از پلیلاکتیک اسید (PLA)2 از تخمیر نشاسته ذرت تولید میشود. اگر این دو لیوان را در خاک مرطوب و غنی از میکروب قرار دهیم، لیوان PLA پس از چند ماه شروع به خرد شدن و تجزیه میکند، در حالی که لیوان پلیپروپیلن حتی پس از دهها سال تقریباً دستنخورده باقی میماند. این تفاوت اصلی به دلیل ساختار شیمیایی آنهاست که در ادامه به آن میپردازیم.
شیمی پشت پرده: چگونه پیوندها تجزیهپذیری را ممکن میکنند؟
راز تجزیهپذاری پلاستیکهای زیستسازگار در نوع پیوندهای شیمیایی زنجیرههای پلیمری آنها نهفته است. در پلاستیکهای معمولی، زنجیرههای کربنی دارای پیوندهای کربن-کربن (C-C) بسیار قوی و پایداری هستند که آنزیمهای میکروبی به سختی میتوانند آنها را بشکنند. اما در بسیاری از پلاستیکهای زیستسازگار، پیوندهای استری (ester bonds) وجود دارد. این پیوندها در برابر آب و آنزیمها ناپایدارتر هستند و میتوانند تحت فرآیندی به نام هیدرولیز3 شکسته شوند.
این فرآیند تجزیه معمولاً دو مرحله دارد: اول، زنجیرههای بلند پلیمر به قطعات کوچکتر (الیگومرها) شکسته میشوند. سپس، میکروارگانیسمها (باکتریها و قارچها) این قطعات کوچک را مصرف کرده و آنها را به دیاکسید کربن، آب و زیستتوده تبدیل میکنند. سرعت این فرآیند به عواملی مانند دما، رطوبت، تعداد میکروبها و ساختار شیمیایی دقیق پلاستیک بستگی دارد.
معرفی انواع پلاستیکهای زیستسازگار و منابع تولید آنها
پلاستیکهای زیستسازگار یک خانواده بزرگ هستند و بر اساس منبع تولید و روش سنتز به چند دسته اصلی تقسیم میشوند. شناخت این دستهبندی به ما کمک میکند تا کاربرد درست هر یک را انتخاب کنیم.
| نوع پلاستیک | منبع اصلی تولید | زیستتخریبپذیری | کاربرد نمونه |
|---|---|---|---|
| پلیلاکتیک اسید (PLA) | نشاسته ذرت، نیشکر | تجزیهپذیر در صنعت | ظروف یکبار مصرف، بستهبندی مواد غذایی |
| پلی هیدروکسیآلکانوات (PHA)4 | تخمیر باکتریایی قندها یا لیپیدها | تجزیهپذیر در طبیعت | فیلمهای کشاورزی، بستهبندیهای پزشکی |
| نشاسته ترموپلاستیک (TPS) | نشاسته (سیبزمینی، ذرت، گندم) | تجزیهپذیر در طبیعت | کیسههای فریزر، بستهبندی بادامزمینی، کارد و چنگال |
| پلیبوتیلن سوکسینات (PBS) | سوکسینیک اسید (از منابع زیستی یا فسیلی) | تجزیهپذیر در طبیعت | فیلم مالچ کشاورزی، کیسههای جمعآوری زباله |
| پلاستیکهای پایه سلولزی | سلولز (خمیر چوب، پنبه) | تجزیهپذیری محدود | فیلمهای شفاف، روکش کپسولها، منسوجات |
نکته مهم در جدول بالا این است که همه پلاستیکهای زیستپایه لزوماً در طبیعت به سرعت تجزیه نمیشوند. برای مثال، پلیاتیلن زیستی (Bio-PE) که از نیشکر ساخته میشود، از نظر ساختار شیمیایی دقیقاً مشابه پلیاتیلن معمولی است و بنابراین زیستتخریبپذیر نیست، اما به دلیل استفاده از منبع تجدیدپذیر، ردپای کربن کمتری دارد.
کاربردهای عملی: از بستهبندی مواد غذایی تا چاپ سهبعدی
امروزه پلاستیکهای زیستسازگار در حال نفوذ به بسیاری از جنبههای زندگی روزمره ما هستند. شاید رایجترین کاربرد آنها در صنعت بستهبندی باشد. لیوانها، بشقابها، کارد و چنگال یکبار مصرف و حتی بطریهای آب که با برچسب "Compostable" (کمپوستپذیر) مشخص میشوند، اغلب از PLA یا آمیزههای نشاسته ساخته شدهاند. این محصولات در مراکز کمپوست صنعتی میتوانند ظرف چند ماه به کود آلی تبدیل شوند.
یک مثال عملی دیگر در بخش کشاورزی است. فیلمهای مالچ پلاستیکی که برای جلوگیری از رشد علفهای هرز و حفظ رطوبت خاک استفاده میشوند، معمولاً از پلیاتیلن ساخته میشوند و جمعآوری آنها در پایان فصل بسیار دشوار است. اما امروزه فیلمهای زیستتخریبپذیر ساخته شده از PBS یا PHA مستقیماً در خاک شخم زده میشوند و توسط میکروبهای خاک تجزیه میگردند.
علاوه بر این، در حوزه پزشکی، از PHA و PLA برای ساخت نخهای بخیه قابل جذب، داربستهای مهندسی بافت و سیستمهای دارورسانی استفاده میشود. همچنین در فناوری چاپ سهبعدی، فیلامنتهای ساخته شده از PLA بسیار محبوب هستند، زیرا بوی نامطبوع ندارند و در دمای نسبتاً پایین (180-220 °C) چاپ میشوند.
چالشهای مفهومی
خیر، این یک تصور غلط رایج است. زیستتخریبپذیری به شدت به شرایط محیطی وابسته است. برای مثال، PLA برای تجزیه شدن به رطوبت، دما (بالاتر از 58 °C) و جمعیت میکروبی خاص موجود در تاسیسات کمپوست صنعتی نیاز دارد. اگر همین محصول در طبیعت (مثلاً در اقیانوس) رها شود، ممکن است سالها باقی بماند. بنابراین، دفع صحیح این مواد بسیار مهم است.
این نگرانی کاملاً جدی است و به آن «رقابت غذا در برابر پلاستیک» میگویند. برای کاهش این مشکل، تحقیقات به سمت استفاده از منابع لیگنوسلولزی (مانند باگاس نیشکر، کاه گندم و بقایای جنگلی) یا ضایعات کشاورزی و مواد غذایی به عنوان ماده اولیه حرکت کرده است. نسل دوم و سوم پلاستیکهای زیستی از این منابع غیرخوراکی تولید میشوند.
در محیط یک محل دفن زباله، شرایط بیهوازی (بدون اکسیژن) است و رطوبت و میکروبهای کافی برای تجزیه سریع وجود ندارد. در نتیجه، پلاستیک زیستتخریبپذیر نیز مانند پلاستیک معمولی برای مدت طولانی در آنجا باقی میماند و حتی ممکن است گاز متان (یک گاز گلخانهای قوی) تولید کند. بهترین راه برای دفع این مواد، هدایت آنها به مراکز کمپوست صنعتی است.
پلاستیکهای زیستسازگار یک راه حل امیدوارکننده برای بحران آلودگی پلاستیک و کاهش وابستگی به سوختهای فسیلی هستند. این مواد با تکیه بر شیمی سبز و منابع تجدیدپذیر طراحی میشوند تا در پایان چرخه عمر خود، در شرایط مناسب به طبیعت بازگردند. با این حال، آنها یک راه حل جادویی نیستند. مدیریت صحیح پسماند (کمپوستسازی)، بهبود فرآیندهای تولید برای کاهش هزینهها و استفاده از مواد اولیه غیرغذایی، چالشهای کلیدی برای آینده این صنعت هستند. درک تفاوت بین زیستپایه و زیستتخریبپذیر و همچنین شرایط مورد نیاز برای تجزیه آنها، به مصرفکنندگان کمک میکند تا انتخابهای آگاهانهتری داشته باشند.
پاورقی
1 پلاستیک زیستسازگار (Bioplastic): دستهای از پلاستیکها که یا از منابع زیستی تجدیدپذیر تولید میشوند، یا زیستتخریبپذیر هستند، یا هر دو ویژگی را دارند.
2 پلیلاکتیک اسید (Polylactic Acid یا PLA): یک پلیاستر ترموپلاستیک که از منابع تجدیدپذیری مانند نشاسته ذرت یا نیشکر تخمیر شده تولید میشود و یکی از رایجترین پلاستیکهای زیستسازگار است.
3 هیدرولیز (Hydrolysis): واکنش شیمیایی تجزیه یک ماده در اثر واکنش با مولکولهای آب که منجر به شکسته شدن پیوندهای شیمیایی میشود.
4 پلیهیدروکسیآلکانوات (Polyhydroxyalkanoates یا PHA): خانوادهای از پلیاسترهای طبیعی که توسط تخمیر باکتریایی قندها یا لیپیدها تولید میشوند و در محیطهای طبیعی مانند خاک و دریا به طور کامل تجزیه میشوند.
