نسل بعدی بایوپلیمر ها: عملکر پیشرفته و پایداری بهبود یافته
تغییرات قابل ملاحظه ای در صنایع پلیمری جهان در حال رخ دادن است. توسعه نسل جدیدی از بیوپلیمرها بعنوان پلیمرهای مشتق شده از منابع تجدیدپذیر به سرعت در حال پیشرفت است. این بیوپلاستیک های جدید که مکمل بیوپلیمرهای سنتی مانند لاستیک طبیعی و سلولزی هستند، شامل موفقیت های تجاری روزافزونی من جمله پلی لاکتیدها و پلی هیدروکسی آلکانوات ها می شوند. بسیاری از بیوپلاستیک ها با پیشرفت های چشمگیری در علم بیوتکنولوژی میسر شده اند. تخصیص مولکولیِ تبدیل های بیوشیمیایی برای تولید مونومرها با خلوص بالا که در ساخت مولکول های پلیمری با وزن مولکولی بالا مورد نیاز است، بسیار ایده آل است. برخی از جدیدترین پیشرفت ها شامل ایجاد پلیمرها با تثبیت بالا (من جمله پلی اتیلن، پلی بوتیلن، پلی اتیلن ترفتالات) با کمک روش های بیوشمیایی جدید است که با منابع تجدیدپذیر، نه منابع فسیلی، آغاز می شود. در اینجا، به بیان برخی از پیشرفت های اخیر در بیوپلیمرها می پردازیم. همچنین، این مقاله شامل موضوعاتی در حوزۀ سنتز بیوپلیمرهای جدید، نانوکامپوزیت های زیستی جدید، پردازش جدید، ارزیابی های جامع پایداری محصول با تحلیل کمّی چرخه حیات است. علاوه براین، اثبات می کند که مواد پلاستیکی سبزتر را می توان از طریق تبدیل منابع تجدیدپذیر با استفاده از بیوتکنولوژی صنعتی تولید کرده و با فناوری نانو تقویت کرد. این رویکرد نوظهور نشان دهندۀ یک همگرایی تکنولوژیکی سه گانه است که تغییر قابل توجه زنجیرۀ ارزش صنایع جهانی پلاستیک را به دنبال خواهد داشت.
تولید جهانی پلاستیک در پایان قرن بیستم به 260 میلیارد پوند در سال رسید که ارزش جهانی آن بیش از یک تریلیون دلار و بیش از 310 میلیون دلار برای اقتصاد ایالات متحده است. از نفت زیادی برای تولید پلاستیک استفاده می شود اما منابع نفتی محدود هستند. با توسعه اقتصاد جهانی، منابع نفتی گران تر و گران تر خواهند شد. از طرفی، آلودگی محیطی نیز ناشی از ساخت، استفاده و دفع مواد پلاستیکی است. نگرانی از انتشار گازهای گلخانه ای (GHGs) به دلیل مسائل مرتبط با تغییرات اقلیمی جهان رو به افزایش است. از آنجایی که ذخایر نفت سبک جهان رو به اتمام است و همچنین با صنعتی شدن چین، هند و سایر اقتصادهای در حال توسعه و افزایش نرخ تقاضا زمینه برای افزایش نوسانات قیمت نفت خام فراهم می شود. همین بی ثباتی در قیمت پلاستیک های نفتی نیز قابل مشاهده است. علاوه براین، همانطور که نشت نفت در خلیج مکزیک خطرات زیست محیطی به همراه دارد، حفاری نیز در شرایط چالش برانگیز مانند آب های عمیق پیامدهای زیست محیطی و مالی را به همراه دارد. نفت خام "سنگین" گرید پایین تر مانند ماسه های نفتی کانادا نیز کاربرد گسترده ای دارند. با این حال، پلاستیک ها از مزایای اجتماعی مهمی من جمله افزایش تولید کشاورزی، کاهش فساد مواد غذایی، کاهش مصرف سوخت در خودروهای سبک تر و مراقبت های بهداشتی بهتر برخوردار هستند. مواد پلاستیکی جزء جدایی ناپذیر جوامع مدرن هستند اما بحرانی که مصرف کنندگان در عرصه انرژی با آن مواجه هستند صنایع پلاستیک را نیز به شدت تحت تأثیر قرار می دهد. اگر فناوری های پایدار توسعه نیافته و اعمال نشوند، با استخدام بیش از 1.2 میلیون شهروند چه اتفاقی برای محیط زیست، سلامت انسان و جانداران و حتی صنایع پلاستیک بعنوان چهارمین بخش تولیدی بزرگ اقتصاد ایالات متحده رخ خواهد داد؟ تولید پلیمرها و کامپوزیت های "سبز" تا مدتها یک هدف جامع محسوب می شد اما مشکلات فنی و اقتصادی قابل توجهی باعث شد تا این رویکرد در مقیاس بزرگتر دنبال نشود. در گذشته، پلاستیک های تجدیدپذیر یا بسیار گران بودند و یا فاقد خواص مورد نیاز برای اکثر کاربردها بودند. اخیرآ، موفقیت های تجاری در بیوپلاستیک های جدید مشاهده شده و این پیشرفت ها منعکس کنندۀ گرایش بیشتری به سوی کاربرد موفقیت آمیز بیوتکنولوژی صنعتی است. برای مثال می توان به تجاری سازی پلی لاکتیدها (PLA) برای کیسه های کمپوست و فیلم های انعطاف پذیر، و میرل (خانوادۀ پلیمرهای معروف به پلی هیدروکسی آلکانوات ها) برای ساخت محصولات با قالب گیری تزریقی مانند کارد و چنگال اشاره کرد.
متریال با پایۀ روغن سویا (پلیول ها) نیز در حال حاضر توسط برخی از شرکت ها برای استفاده در صنایع یورتان به طور تجاری تولید شده و برخی از پلی آمیدها پایۀ زیستی دارند. همچنین لازم به ذکر است که برخی از شرکت ها در سراسر جهان برای تجاری سازی PBS (پلی بوتیلن سوکسینات) با منابع تجدیدپذیر برای تولید فیلم های کشاورزی انعطاف پذیر و بسته بندی تلاش می کنند. تولیدکنندگان بزرگ نوشابه متعهد شده اند که PET (پلی اتیلن ترفتالات) را از منابع تجدیدپذیر تأمین کنند. این موفقیت ها نشان دهندۀ فرصت های کلی برای جایگزینی بخش های قابل توجهی از میلیاردها پوند پلاستیک تولید شده با استفاده از نفت در سال است. خوشبختانه، زمینه برای تولید مواد پلیمری پایدار فراهم است. علم اکولوژی صنعتی از طریق ابزارهای تحلیل کمّی چرخۀ حیات (LCA) اکنون درک بهتری از اثرات زیست محیطی مواد پلاستیکی را ممکن می سازد. برای مثال، استفاده از محصولات کم آب و کود که در زمین های حاشیه ای قابل رشد و کشت هستند، میزان جنگل زدایی را کاهش داده منابع غذایی کمتر تحت فشار قرار می گیرند. با توجه به شکل زیر، پیشرفت فناوری نانو منجر به افزایش عملکرد مواد می شود و این ترکیب در حال ظهور یک همگرایی تکنولوژیکی سه گانه محسوب می شود.
شکل 1:
خواص پلیمر پایدار
از برخی استراتژی ها با هدف توسعه پلاستیک های پایدار استفاده می شود. پلاستیک های تجزیه پذیر دارای تعادل ترکیبی از آنتی اکسیدان ها و کاتالیزورهای تجزیه کنندۀ نوری هستند که تجزیه کنترل شده (حفظ خواص عملکرد در حین تجزیه) را پس از تجزیۀ فتو آغاز می کند. از مزایای آنها می توان به دارا بودن خواص عملکردی مشابه با پلیمرهای معمولی در ساختار مشابه اشاره کرد؛ با این حال، معایب مواد اکسید تخریب پذیر استفاده مداوم آنها ار سوخت های فسیلی تجدیدناپذیر و عدم قابلیت آنها در تجزیۀ کامل به CO₂ و H₂O در خاک است که اگر کنترل نشود، ممکن است بجای تجزیه نوری مواد مختل شود. پلیمرهای تجزیه پذیر یا بدون آنتی اکسیدان و یا با پرواکسیدان هایی ساخته شده اند که امکان تجزیۀ تدریجی در گذر زمان را فراهم می کنند. علاوه براین از لحاظ ساختار هزینه، خواص عملکردی، استفاده از منابع تجدید ناپذیر، تولید محصولات تجدیدپذیر به استثنای CO₂ و آب مانند کتون ها، آلکن های شاخه دار، الکل ها و استرها دارای مزایا و معایب مشابهی با پلیمرهای معمولی هستند. بر همین اساس، هم زیست تخریب پذیری (یعنی کمپوست پذیری) و هم محتوای تجدیدپذیر اهداف مطلوبی در توسعه پلاستیک های پایدار محسوب می شوند.
تقاضای اجتماعی و همگرایی تکنولوژیکی بوم شناسی صنعتی، بیوتکنولوژی و نانوتکنولوژی همچنان در حال تغییر روش های تولید مواد پلاستیکی هستند. از آنجا که تحقیقات علمی منجر به تجاری سازی سریع تولیدات می شوند، توسعه بیوپلیمرها (بیوپلاستیک ها) در مسیر درستی قرار دارد. این مقاله به روند تحقیقات فعلی اشاره می کند که بیوپلاستیک ها را به بُعد بعدی عملکرد سوق می دهد. به همین منظور، تحولات متناسب در ابزارهای ارزیابی جدید توسعه یافته برای پایداری مواد نیز مورد بحث قرار گرفته است. در نهایت تداخل قیمت های بالای منابع فسیلی، فناوری های جدید و تقاضای مصرف کنندگان برای مواد زیست سازگار به سرعت در حال تغییر علم مواد پلیمری است.
