نبرد برای پلیمر سبز

دسته: مقالات منتشر شده در 27 فروردين 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 913

نبرد برای پلیمر سبز - رویکردهای مختلف برای سنتز بیوپلیمرها

با اینکه بیوپلیمرها در طول تاریخ کاربردهایی داشته اند اما در دو قرن اخیر، شاهد کاهش این کاربردها بوده اند زیرا استخراج مواد ارزان قیمت و تولید انبوه از مواد غذایی پتروشیمیایی به سرعت به رفع نیازهای جامعه کمک می کند. در سال های اخیر قیمت بالای نفت خام و نگرانی جامعه در استفاده از محصولات سبزتر و پاک تر، منجر به افزایش بهره وری از بیوپلیمرهای تجدید پذیر و استفاده از فناوری های پایدار برای تولید آنها شده است. محققان صنعتی و دانشگاهی بطور یکسان مسیرهای مختلفی برای تولید این مواد تجدیدپذیر را در نظر دارند. بر همین اساس، دو رویکرد متمایز را برای تحقق اقتصادی این مواد مورد مقایسه قرار می دهیم. یکی از ذهنیت هایی که به وجود آمده است "جایگزینی زیستی" نامیده می شود که در آن حوزه های زیست شناسی مصنوعی و کاتالیز برای جذب مونومرهای پتروشیمی از قندها و مواد اولیه لیگنو سلولزی با هم همکاری می کنند که می توانند دقیقآ به همان روش تولید پلیمرهای امروزی مورد استفاده قرار گیرند. بعنوان مثال، مهندسی متابولیسم باکتری ها در حال حاضر مسیری قابل استفاده برای مونومرهای رایجی مانند بوتادین، ایزوپرن، استایرن، اکریلیک اسید ، سباسیک اسید و غیره است. اخیرآ مبحث "مزیت زیستی" مطرح شده است که در آن "مونومرهای" چند عملکردی با روش های جدید و با استفاده از شیمی های جدید ترکیب می شوند تا پلیمرهای جدید با خواص جدید نیز تولید کنند؛ برای اینکه این مواد بتوانند با همتایان نفتی خود رقابت کنند، بایستی از مزیت هایی مانند کم هزینه بودن نیز برخوردار باشند. برای مثال، روغن سویا اپوکسید شده اکریله به آسانی در ترموست ها و اخیرآ لاستیک های ترموپلاستیک تحت پلیمریزاسیون قرار می گیرد. علاوه براین، بسیاری از گیاهان مواد پیش پلیمر یا پلیمری تولید می کنند که برای استخراج و استفاده از این مواد ممکن است به فرایندها و تغییراتی نیاز داشته باشیم.

 

"پلیمرهای سبز" یا "بیوپلیمرها" پلیمرهایی هستند که کاملآ یا نسبتآ از منابع طبیعی تجدیدپذیر غیر از نفت تولید می شوند. اصطلاح "بیوپلیمر" را می توان برای بسیاری از مواد به کار برد، با این حال معمولآ به مشتقات منابع بیولوژیکی مانند میکروارگانیسم ها، گیاهان و درختان اطلاق می شود. حتی ممکن است از دیگر منابع بیولوژیکی با روش شیمی مصنوعی استخراج یا تولید شوند مانند روغن های گیاهی، قندها، چربی ها، رزین ها، پروتئین ها، اسیدهای آمینه و غیره. در طول تاریخ، بشریت استفاده گسترده ای از بیوپلیمرها در زندگی داشته است. میلیون ها سال قبل از میلاد، انسان ها از پوست حیوانات بعنوان پوشاک استفاده می کردند؛ 24 هزار سال قبل از میلاد، انسان شروع به استفاده از الیاف گیاهی کرد؛ 10 هزار سال قبل از میلاد انسان از کناف، رامی و جوت استفاده کرد؛ علاوه براین، انسان 9 هزار سال پیش قبل از میلاد از پشم، 5 هزار سال قبل از ابریشم، 3 هزار سال قبل از پنبه استفاده کرد. در دهه 1220، شلاک که یک رزین ترموست است و توسط حشره لاک آسیایی ترشح می شود، بعنوان رنگدانه برای نقاشی استفاده می شد؛ اگرچه شواهدی وجود دارد که شاید هزاران سال قبل از آن هم مورد استفاده قرار می گرفته است. پنج قرن بعد در سال 1751، فرانسوا فرزنو خواص لاستیک طبیعی که از درخت لاستیک پارا بومی امریکای جنوبی استخراج می شد را مورد بررسی قرار داد. در سال 1860، گریویل ویلیامز شیمیدان انگلیسی خواص لاستیک طبیعی را برای کشف ایزوپرن با تقطیر از لاستیک طبیعی مورد بررسی قرار داد. در سال 1870 نیز جان وسلی هایت سلولوئید را بعنوان یک ترموست با ترکیب کامفور و سلولز نیترات اختراع کرد. از سلولوئید در لوازم آرایشی، پایۀ یقه ها، شانه ها، قاب عکس، و ساخت انواع فیلم عکاسی استفاده می شود. در اوایل دهه 1900، ژاک براندنبرگر شیمیدان سوئیسی سلفون را به صورت ورقه های شفاف نازک بازسازی شده از سلولز اختراع کرد. در دهه 1940، هنری فورد هم کامپوزیت ها با پایۀ سویا را در قعطات خودرو آزمایش کرد. با این وجود، این متریال طبق استانداردهای روز بسیار گران بود. ظهور مجتمع پالایش نفت باعث تشکیل مجموعه ای از مولکول های کوچک اقتصادی شد. با توسعه سریع شیمی مصنوعی و فناوری پردازش صنعتی، تولید و عرضۀ پلیمرهای مصنوعی مقرون به صرفه سرعت گرفت. در سال 1887، کنت هیلر دو شاردون روشی را برای چرخش نیترات سلولز به الیاف کشف کرد. با توجه به شکل زیر، این الیاف با محلول سولفید اسیدی که باعث تولید "ابریشم چاردونت" بعنوان اولیا الیاف مصنوعی شد، تیمار شدند.

 

شکل 1:

Diagram of the cellulose nitrate molecule utilized 

 

در اوایل قرن بیستم، لئو باکلند بالکیت را که اولین پلاستیک کاملآ مصنوعی در جهان بود را بعنوان یک جایگزین ارزان برای شلاک به بازار عرضه کرد. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، بالکیت یک کامپوزیت فنلی ترموست است که از ترکیب فرمالدئید با فنل و اختلاط آن با فیلر تشکیل شده است.

 

شکل 2:

 Diagram representing the reaction to synthesize Bakelite

 

بیوپلیمرها بعنوان شیمی های رشد زنجیره ای جایگزین مواد مصنوعی می شوند و روش های کاتالیزوری برای استایرن و پلی الفین ها را ارائه می دهند. امروزه، پلی اتیلن به تنهایی یک صنعت 17 میلیارد پوندی است. در سال های اخیر، برخی از فناوری های سوخت تجدیدپذیر از لحاظ اقتصادی با نفت برابری می کنند و با این حال، محصولاتی با حجم بالا و حاشیه کم مانند سوخت نمی توانند به تنهایی از مجتمع نوپای پالایشگاه زیستی پشتیبانی کنند. همانطور که 90 درصد از درآمد صنعت نفت از فرآورده های ویژه معادل با 10 درصد حجمی است، صنعت فرآورده های زیستی نیز بایستی چنین باشد. بیوپلیمرها بخش مهمی از سبد ارزش افزوده هستند که فناوری های پایدار و تجدیدپذیر برای رشد را نیز شامل شوند. با این حال، چالش ها و فرصت های زیادی در توسعه بیوپلیمرها به منظور تأمین قابلیت های فیزیکی و اقتصادی بر پایه نفت وجود دارد.

 

نگرانی از دسترسی به مواد اولیه نفتی، تحقیق و توسعۀ بیومتریال جدید را افزایش داده است. با این حال، تنها حجم کمی از منابع تجدیدپذیر برای تولید کالاهای مصرفی مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به این واقعیت که صنعت عمدتآ اقتصاد محور است، فرایندهای تولید براساس پتانسیل آنها انتخاب می شوند. در حال حاضر، روش های مختلفی برای ساخت مونومرها و پلیمرهای تجدیدپذیر مورد بررسی قرار گرفته اند که هر کدام از مزایا و معایبی مسلمآ برخوردار هستند. با گذر زمان و پیشرفت فناوری، فرصت های بیشتری برای بیوپلیمرها فراهم می شود تا بتوانند جایگزین همتایان نفتی خود شوند. پس، به نظر می رسد آیندۀ بیو پلیمرها روشن باشد زیرا منابع بیشتری به توسعه پلیمرهای "سبز" یا همان بیوپلیمرها تخصیص داده می شود زیرا اگر تولید آنها از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه باشد، بدون شک در هر جامعه ای، منابع مالی مشخصی برای آنها در نظر گرفته خواهد شد.