افزایش تجزیه پلیمرهای زیست تخریب‌پذیر
تجزیه بیولوژیکی پلیمرها در شرایط کمپوست یک مرحله جایگزین پایان عمر (EoL) برای مواد آلوده جمع‌آوری شده ازطریق سیستم مدیریت پسماند جامد شهری است که با روش‌های شیمیایی نمی‌توان آنها را بازیافت کرد. روند صدور مجوز کمپوست پذیری این مواد زمان‌بر و پرهزینه است. از این‌رو، رویکردهایی برای تسریع تجزیه زیستی این پلیمرها در شرایط کمپوست شبیه‌سازی شده است که می‌توانند ارزیابی و انتخاب جایگزین‌های بالقوه پلیمری قابل کمپوست را تسهیل کرده و روش‌های تجزیه زیستی این پلیمرها در کمپوست واقعی را معرفی کنند. در این مقاله به بررسی روندهای اخیر، چالش‌ها و استراتژی‌های آینده با هدف بهبود و تسریع تجزیه زیستی با اصلاح خواص/ساختار پلیمر و محیط کمپوست می‌پردازیم. هر دو روش غیر زنده (ابیوتیک) و زنده (بیوتیک) از پتانسیل خوبی برای تسریع تجزیه زیستی پلیمرهای زیست تخریب پذیر برخوردار هستند. روش‌های ابیوتیک مانند ترکیب مواد افزودنی، کاهش وزن مولکولی و یا کاهش اندازه و ترکیب واکنشی به‌طور بالقوه بسیار ساده هستند و سطحی از فناوری را معرفی می‌کنند که امکان پذیرش و سازگاری راحت را فراهم می‌کند. روش‌های جدید من‌جمله احتراق و افزایش قطع زنجیره‌های پلیمری در شرایط خاص بسیار مورد توجه هستند. در روش‌های بیوتیک، پراکندگی/کپسوله کردن آنزیم‌ها در مرحله پردازش، تحریک زیستی محیط و زیست افزونه با سویه‌های میکروبی خاص در طول روند تجزیه زیستی نویدبخش تسریع در فرایند تجزیه زیستی است.
تجزیه زیستی در شرایط کمپوست یک فرایند جایگزین پایان عمر (EoL) برای ضایعات آلی مانند کود حیوانی، مواد غذایی و زباله های حیاط است. فرآیند کمپوست اجازه می‌دهد تا تثبیت بیولوژیکی ضایعات آلی یک ماده پایدار را تولید کند که می‌تواند به فعالیت‌های کشاورزی در مقیاس بزرگ و مناطق شهری در مقیاس کوچکتر هدایت شود. همچنین بسیاری از مواد قابلیت کمپوست پذیری دارند و سرعت زیست تخریب پذیری و میزان تجزیه آنها دو فاکتور مهم در تجزیه زیستی نهایی پلیمرهای زیست تخریب پذیر در شرایط کمپوست شبیه‌سازی گرمادوست هستند مانند پلی کاپرولاکتون (PCL)، پلی بوتیلن سوکسینات (PBS)، پلی بوتیلن آدیپات کوترفتالات (PBAT) و پلیمرهای طبیعی مانند نشاسته و سلولز. با این‌حال، مطالعات آزمایشگاهی بیشتر شامل استفاده از پلیمرهای تمیز (یعنی پلت، ورق، یا فیلم) یا با یک یا دو افزودنی می‌شوند؛ درحالی‌که محصولات نهایی را که پس از مصرف دور انداخته می‌شوند می‌توان به ساختارهای پیچیده ای با چندین لایه برای حفاظت از محصول و نیازهای مصرف کننده تبدیل کرد. علاوه براین، شرایط آزمایشگاهی یک محیط کنترل شده را نشان می‌دهد که در آن پارامترهایی مانند دما، جریان هوا، محتوای رطوبت و حتی جمعیت بیوتیک به‌دقت طراحی شده‌اند و مواد تحت تجزیه بیولوژیکی را نیز می‌توان به پودر با ضخامت همگن تبدیل کرد تا به بستر مطلوبی برای جمعیت میکروبی تبدیل شود. با این‌حال، در شرایط واقعی مانند تجهیزات کمپوست سازی صنعتی یا خانگی یا محیط‌های خاکی تنوع بیشتری از مواد وجود دارد به‌طوری که ممکن است یک ماده در شرایط تجزیه بیولوژیکی ازنظر نوع و شکل همگن باشد و یا منبع مهمی از مواد مغذی و انرژی برای جمعیت میکروبی در دسترس نباشد. علاوه بر مطالعات آزمایشگاهی، آزمایشات میدانی نیز برای اطمینان از تجزیه کامل این سازه‌ها انجام می‌شوند. تست‌های آزمایشگاهی تحت استانداردهای خاص ملی و بین‌المللی انجام می‌شوند.
استانداردهای اصلی موجود در رابطه با شرایط مورد تایید کمپوست عبارتند از ASTM D6400-21، ASTM D6868-21 و EN13432. این استانداردها که آزمایشات تجزیه و زیست تخریب پذیری را تفسیر می‌کنند، برای تکمیل ASTM D6400، ASTM D6868 و EN13432 که به‌ترتیب در ASTM D5338-15، بخش اول از ISO 14855 و بخش دوم از ISO 14855 شرح داده شده‌اند نیاز است. هر دو استاندارد بر تکامل درصد تجزیه زیستی نمونه‌ها متکی هستند. این آزمایشات به‌طور کلی بسته به محیط شبیه سازی شده کمپوست (برای مثال حیاط، غذا یا کود دامی) و میزان تجزیه بیولوژیکی کنترل مثبت پودر سلولز می‌تواند بین 90 تا 180 روز طول بکشد. استفاده از روش‌های تسریع در تجزیه زیستی پلیمرهای زیست تخریب پذیر به دو دلیل ضرورت دارد:
الف) فاصله زمانی بین بازه‌های زمانی مشاهده شده برای زیست تخریب پذیری پلیمرها در شرایط کمپوست گرما دوست و دیگر پسماندهای آلی رایج مانند پسماند مواد غذایی و باغبانی، ایجاد یک محصول نهایی با کیفیت پایین و تثبیت نشده؛
ب) تسریع در آزمایشات آرایه‌ای پلیمرهای کمپوست پذیر. به‌طور کلی، حتی محصولات قابل کمپوست تایید شده نیز ممکن است به زمان بیشتری برای تجزیه نهایی نیاز داشته باشند که توسط استانداردها بیان می‌شوند و نسبت به پسماندهای مواد غذایی و باغبانی، چالش‌های عملیاتی برای تجهیزات کمپوست سازی در مدیریت پسماندهای حاوی پلاستیک‌های زیست تخریب پذیر و آلی ایجاد می‌کند. علاوه براین، طراحی پلیمرهایی با خواص ماندگاری و پایداری مورد نیاز در کاربردهای مختلف و در عین‌حال، کمپوست پذیری کاملا چالش برانگیز بوده است.
اظهارات نهایی و چشم‌انداز آینده
در این مقاله، تسریع در فرایند تجزیه زیستی پلیمرهای زیست تخریب پذیر با استفاده از رویکردهای مختلف مانند روش‌های بیوتیک (زنده) و ابیوتیک (غیر زنده) در مرحله پردازش یا پس از مصرف مصرف کننده (قبل یا در طول فرایند تجزیه زیستی) گزارش شده است. در جنبه ابیوتیک، ترکیب مواد افزودنی و کوپلیمریزاسیون به عنوان رایج ترین روش‌ها در تسریع تجزیه زیستی پلیمرهای زیست تخریب پذیر مانند پلی استرهای آلیفاتیک و آلیفاتیک/آروماتیک شناسایی شدند. به‌طور کلی، این روش‌ها هزینه کمتری دارند و دسترسی آسان به اجزاء ترکیبات را درمقایسه با سایر روش‌های ابیوتیک که به زمان بیشتری نیاز دارند و می‌توانند انرژی بر نیز باشند مانند پلاسما، UV، تابش پرتو الکترونی، یا کاتالیز هیدرولیز مواد شیمیایی فراهم می‌کنند. کاتالیز هیدرولیز شیمیایی یک فناوری گران قیمت و بسیار پیشرفته است و به سختی در دماهای پایین مانند محیط کمپوست حاصل می‌شود. پیامد اصلی روش‌های ابیوتیک تجزیه ساختار شیمیایی و فیزیکی است که در تجزیه مکانیکی و هیدرولیتیکی بهبود یافته با کاهش سریع‌تر Mw مشخص می‌شود. کاهش اندازه در افزایش نسبت سطح به حجم نشان دهنده این مزیت است که به‌عنوان یک روش اقتصادی و عملی می‌تواند به دلیل مواجهه بیشتر سطح پلیمر با جمعیت میکروبی، عملکرد تجزیه بیوتیک و ابیوتیک را بهبود بخشد. از سوی دیگر، در برخی مطالعات آمده است که روش‌های بیوتیک مانند تحریک زیستی و زیست افزونه در حال حاضر برای تسریع در زیست تخریب پذیری پلیمرها بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرند زیرا نیازی به اصلاح پلیمر اولیه ندارد. شناسایی کارآمدترین افزودنی‌ها به‌منظور تحریک زیستی و مناسب‌ترین سویه‌های میکروبی برای زیست افزونه چالش اصلی بر سر راه تطبیق و اعتبارسنجی کامل این مواد است. مهندسی آنزیم‌ها با اهداف خاصی که تقویت زیستی و/یا پراکندگی را در طول مرحله پردازش هدف قرار می‌دهند، یک فناوری نسبتاً جدید است که پتانسیل بالایی داشته و مستحق کاوش بیشتر است. در حال حاضر تنها محدودیتی که وجود دارد، جلوگیری از دناتوره شدن آنزیم و اصلاح آن با هدف دستیابی به آنزیم هایی با مقاومت حرارتی در مرحله پردازش پلیمر است. علاوه بر رعایت این نکات، بایستی محدودیت‌های استفاده از عوامل بیوتیک مانند آنزیم ها را در برای بسته بندی در نظر بگیریم که می‌تواند به دلیل در تماس بودن با مواد غذایی، زیان آور باشد.
