استفاده پایدار از پسماند منابع زیستی میوه و سبزیجات در تولید بیوپلاستیک
امروزه افزایش روزافزون تولید، استفاده و دور ریختن محصولات پلاستیکی به یکی از مهمترین مسائل زیست محیطی مرتبط با این محصولات تبدیل شده است. محیط اطراف ما که زنجیره تامین مواد غذایی در آن قرار دارد، حاوی ذرات پلاستیکی و سایر ناخالصی های پلاستیکی است که خطرات قابل توجهی برای سلامتی انسان، حیوانات و محیط زیست به طور یکسان به همراه دارد. باتوجه به این دیدگاه، هدف مواد پلاستیکی زیست تخریب پذیر تولید جهانی پلاستیک پایدارتر و سبزتر با کمترین اثرات زیست محیطی است. استفاده از بیوپلاستیکها به عنوان نوعی مواد سازگار با محیط زیست به منظور رفع این مشکل درحال بررسی است و از این رو، تولید جهانی بیوپلاستیک ها رشد قابل توجهی داشته است. در سال های اخیر این مقاله بر روی چند موضوع حیاتی ازجمله تولید بیوپلاستیک های بادوام و تجاری متمرکز شده است. اگرچه کاهش حجم ضایعات میوه و سبزیجات دارای مزایای زیست محیطی و پایداری آشکاری است اما موفقیت تجاری در مقیاس صنعتی همچنان عملی نشده است. عوامل مختلفی ازجمله خوراک زیست توده، فناوریهای پیش فرآوری، هیدرولیز آنزیمی، و مسائل مربوط به افزایش مقیاس صنعتی در این کار دخالت دارند که همگی به افزایش هزینهها دامن میزنند. این مقاله مروری به طور خلاصه بیوپلاستیکهای حاصل از زیست توده زبالههای میوه و سبزیجات را بررسی و مطالعه میکند. علاوه براین، به بیان چالشهای اقتصادی و فنی مرتبط با صنعتی شدن و کاربردهای متنوع بیوپلاستیک ها به دلیل دارا بودن زیست سازگاری عالی در زمینههای زیست پزشکی، کشاورزی و بسته بندی مواد غذایی می پردازد.
طبق گزارش سازمان خواربار و کشاورزی ملل متحد (فائو) ، تقریبا سالانه 1.3 میلیارد تن غذا در سراسر جهان از بین رفته یا هدر میرود. به گفته ژو و همکارانش، این رقم یک سوم کل منابع غذایی تولید شده برای استفاده انسان را شامل می شود. ضایعات مواد غذایی میتواند از منابع مختلف همچون منابع شهری، تجاری، صنعتی و کشاورزی تولید شود و ترکیب آن نیز بسته به منبع و نوع ضایعات بسیار متفاوت است. علاوه براین، دیگر منابع مانند زمین، آب، انرژی و نیروی کار نیز به دلیل هدر رفتن مواد غذایی از بین می روند. دفن زباله، کمپوست سازی و تخمیر رایج ترین روش های فعلی در دفع ضایعات مواد غذایی (FW) هستند. حتی اگر دستورالعمل های اتحادیه اروپا تشخیص دهد که FW باید ابتدا و در وهله اول به عنوان غذای حیوانات در جای ایمن استفاده شود، میلیونها تن مازاد آلی کم ارزش باقی می ماند و یا به عنوان زباله باید مدیریت شوند. در اپیدمی FW، دولت فرانسه قبلا سیاستی را برای تشویق ارزش گذاری FW با بازیابی انرژی (به عنوان مثال بیوگاز) و مواد با ارزش افزوده (به عنوان مثال بیوپلاستیک) را با قانون مجازات و صرفه جویی 88 میلیون تن در سال معادل 167 میلیارد دلار اعمال کرد. با این حال، این رویکرد سیاست جهانی محسوب نمی شود. هر ساله 15 میلیون تن FW در انگلستان تولید می شود. تخمین زده میشود که مالزی تا سال 2020 حدود 6.7 میلیون تن FW در سال تولید کرده باشد. ایالات متحده بین 567 تا 726 میلیون تن FW در سال (معادل 40 درصد از کل تولید مواد غذایی) تولید می کند. این همان 218 میلیارد دلار در FW است. از این رو، FW ممکن است به یک جریان اصلی مواد در آینده باهدف کاهش منابع تبدیل شود و ازآنجایی که زباله ها به عنوان محصولات با ارزش بالا ارزش گذاری می شوند، یک کاربرد نهایی عادلانه و عملی فوق العاده است.
لیگنین، سلولز و همی سلولز به پلتفرمی برای سوخت های زیستی و سایر مواد شیمیایی در پالایشگاه های زیستی تبدیل می شوند. با این حال، به دلایل متعددی مانند منبع زیست توده، نوع و سطح مقاومت، هیچ یکنواختی در تبدیل زیست توده لیگنوسلولزی به این محصولات نهایی وجود ندارد. برای خالص سازی زیست توده لیگنوسلولزی به بیش از 200 ماده شیمیایی با ارزش افزوده، طیف وسیعی از تکنیک های ارزشگذاری را می توان اعمال کرد. در شکل زیر محصولات با ارزش افزوده مانند سوخت های زیستی، کودهای زیستی، بیوشیمیاییها و بیوپلیمرهای حاصل از زیست توده ضایعات میوه و سبزیجات ارائه شده است.
شکل 1:
تبدیل پلی ساکاریدها تعیین کننده مقرون به صرفه بودن و کارایی فرایند تبدیل زیستی به قندهای مونومر است. برای راه اندازی تولید بیوشیمیایی و بیوانرژی در مقیاس کامل از زیست توده، چندین چالش اساسی وجود دارد که بر خروجی محصول و ورودی انرژی مورد نیاز در فرایند تبدیل زیستی تاثیر میگذارند و بایستی مورد بررسی قرار گیرند. زیست توده لیگنوسلولزی یک منبع پیچیده متشکل از کربوهیدراتها (سلولز و همی سلولز) در یک ساختار پلیمری لیگنین است که با ساختار منبع خاص خوراک زیست توده پالایشگاه زیستی متفاوت است. ازسوی دیگر، وجود پلیمر لیگنین به طور قابل توجهی پتانسیل آنزیم های مورد نیاز برای حمله سلولز و هیدرولیز به قند و در نتیجه، بازدهی پایین را کاهش می دهد. به یک تکنیک پیش فرآوری برای شکستن این ساختار نسوز و امکان جداسازی و فرآوری اجزای زیست توده نیاز است. درطی چندین سال، روشهای پیش فرآوری متعددی به منظور جداسازی ساختار لیگنوسلولزی و حساس ساختن آن به هیدرولیز توسعه یافته اند. پیش فرآوری به تولید قندهای نسل دوم (2G) کمک میکند که نه تنها واسطه های طبیعی در تبدیل مصنوعی و طبیعی هستند بلکه جزء مهمی در پالایشگاه های زیستی نیز به شمار میروند. علاوه براین، پیش فرآوری با تکیه بر مواد اولیه و تولید محصول نهایی ایده آل زمان بر و پرهزینه است. بنابراین، استفاده از این روش با ارزیابی قابلیت و پایداری کلی فنی-اقتصادی پالایشگاه زیستی لیگنوسلولزی ضروری است. درنتیجه اثرات خارجی منفی، بسیاری از کشورها و شرکتها به دنبال جایگزین کردن پلاستیک های سنتی با بیوپلاستیک ها هستند. گفته می شود که بسیاری از آنها زیست تخریبپذیر بوده و میتوانند یک راه حل کلیدی برای آلودگی پلاستیک باشند.
خلاصه کلام
بسیاری از کشورها مصمم هستند تا به دلیل مسائل زیست محیطی جهانی به پیشرفت قابل توجهی در توسعه اقتصاد زیستی دست یابند. پالایشگاههای زیستی و مفاهیم اقتصاد چرخشی که از استفاده از مواد اولیه زیستی مانند ضایعات میوه و سبزیجات حمایت میکند، باعث پیشبرد این استراتژی میشود. نگرانیها از آلودگی پلاستیک و اثرات زیست محیطی منفی آن زمینه را برای تحقیق و توسعه بیوپلاستیکهای زیستی باهدف یافتن جایگزینهایی برای پلاستیکهای سنتی تهیه شده از مواد پتروشیمی فراهم کرده است. تقاضای بیوپلاستیک ها در سرتاسر جهان به طور روزافزونی درحال افزایش است و اکثر پلیمرهای استاندارد به عنوان جایگزین بیوپلاستیک با خواص قابل قیاس مورد تقاضا هستند. مقرون به صرفه بودن بیوپلاستیک تولید عمده و استفاده از آن را محدود می کند. هزینههای تولید بیوپلاستیک را می توان با استفاده از مواد اولیه ارزان و فراوان مانند ضایعات میوه و سبزیجات و محصولات جانبی کاهش داد. باتوجه به افزایش پیش بینی شده در تولید بیوپلاستیک، باید بر ایجاد مسیرهای بازیافت مواد مبتنی بر زیست پایدار تاکید بیشتری داشت. این مطالعه به طور خلاصه فرایندهای جهانی تولید بیوپلاستیک با استفاده از ضایعات میوه و سبزیجات و همچنین روشهای آماده سازی و کاربرد بیوپلاستیک در بخشهای مختلف را بیان می کند. امروزه تحقیقات زیادی باهدف غلبه بر چالش های پیش فرآوری و ساکاره سازی، مانند کاهش هزینه و ترکیب تکنیکهای متعدد به منظور توانمندسازی کاربردهای بیوپلاستیک درحال انجام هستند. حتی اگر روشهای پیش فرآوری مواد شیمیایی و فیزیکوشیمیایی در تبدیل زیست توده به قندهای کاهش یافته قابل دوام باشند، عواملی همچون نگرانیهای زیست محیطی، هزینههای بالا و بازدارندهها مانع از توسعه آن میشوند. پیش فرآوریهای بیولوژیکی مانند پیش فرآوریهای میکروبی و آنزیمی اگرچه برای محیط زیست مفید هستند، اما زمان بر بوده و موجب کاهش مزایای اقتصادی می شوند. بازیافت بهترین انتخاب برای دفع مواد زیستی در آینده باهدف کاهش اثرات زیست محیطی و درعین حال، حفظ منابع انرژیهای تجدید پذیر است. برخی از جنبه های مهم که بایستی درحین انجام تحلیلهای فنی-اقتصادی در مقیاس صنعتی درنظر گرفته شود، در دسترس بودن زیست توده، پیش فرآوری، حمل و نقل و جابجایی هستند. سیستمهای حلقه بسته باید در هر کشور در اولویت باشند تا زندگی پایدار و آینده ای سبزتر را در این عصر ارتقا داده و تا جایی که ممکن است وابستگی خود به منابع غیرقابل تجدید را به حداقل برسانند.
