تولید پلاستیک زیستی (پلی‌هیدروکسی آلکانوات) به‌وسیله میکروارگانیسم‌ها
(قسمت اول)
وهاب پیرانفر(کارشناس ارشد)، محمد عرفانی (کارشناس ارشد)، دکتر رضا میرنژاد (دانشیار دانشگاه)
مقدمه:
پلاستیک‌ها زنجیره‌های بلند پلیمری هستند که توسط بشر ساخته شده‌اند. این مواد جزء ضروری و لاینفک تمام صنایع می‌باشند و می‌توانند جایگزین شیشه و کاغذ در صنایع باشند، اما همین کاربرد وسیع و مطلوب در حال حاضر به یک معضل بزرگ برای محیط‌زیست تبدیل شده است. جهان در حال حاضر به‌شدت وابسته به سوخت‌های فسیلی به‌عنوان منبع انرژی برای فرآیندهای صنعتی می‌باشد. روند امروزی نشان می‌دهد که میزان استفاده از منابع سوختی از میزان کشف آن‌ها در سال ۲۰۱۰ پیشی گرفته است. در حال حاضر مصرف جهانی پلاستیک چیزی در حدود ۱۴۰ تن در سال است، ازاین‌رو تجمع زباله‌های پلاستیکی در محیط زندگی نگرانی‌های زیادی را به دنبال داشته است. پلاستیک‌های مرسوم نه‌تنها بیش از چند دهه در طبیعت باقی می‌مانند، بلکه در روند تخریب سبب تولید مواد سمی نیز می‌شوند، اما در این میان راه‌کار مناسب برای مدیریت این بحران چیست؟ از راه‌کارهای مدیریتی می‌توان به کاهش زباله از مبدأ، سوزاندن، بازیافت و یا تخریب زیستی اشاره نمود. با این حال این راه‌کارها همواره با مشکلاتی روبرو هستند؛ به‌طور مثال سوزاندن پلاستیک خطرناک و گران است؛ در طی سوزاندن زباله‌های پلاستیکی، هیدروژن سیانید[1] از پلاستیک‌هایی که بر پایه اکریلونیتریل[2] هستند، آزاد می‌شود که برای سلامت انسان‌ها مضر است. همچنین بازیافت نیز بسیار هزینه‌بر و وقت‌گیر است. مرتب‌سازی و تفکیک طیف وسیعی از زباله‌های پلاستیکی بسیار مشکل است. علاوه بر این طیف وسیعی از مواد افزودنی از قبیل رنگدانه‌ها، پوشش‌ها و پرکننده‌ها[3] باعث محدودیت در استفاده از پلاستیک‌های بازیافتی می‌شود. در این حین چالشی پیش روی ما قرار می‌گیرد؛ اینکه آیا ما می‌توانیم منبعی از زنجیره‌های کربنی و زیست تخریب‌پذیر را با منابع سوخت‌های فسیلی جایگزین کنیم؟
در چنین سناریویی پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر[4] بهترین راه‌حل در برابر خطرات زیستی که توسط پلاستیک‌های معمولی ایجاد می‌شود را ارائه می‌دهد. پلاستیک‌های زیستی پلی‌استرهایی هستند که توسط طیف وسیعی از میکروارگانیسم‌ها تحت شرایط محیطی و غذایی مختلف تولید می‌شود. محصول این میکروارگانیسم‌ها دارای خواص بسیار شبیه به پلاستیک‌های مرسوم مثل پلی‌پروپیلن[5] می‌باشد. میکروارگانیسم‌هایی متعلق به ۹۰ جنس از جمله هوازی، بی‌هوازی، باکتری‌های فتوسنتز کننده، آرکی‌باکتری‌ها و یوکاریوت‌های پست قادر به ذخیره و کاتابولیز این پلی‌استرها می‌باشند. این زیست‌بسپارها[6] به‌صورت مواد ذخیره‌ای در سلول‌های تحت استرس تجمع می‌یابند که می‌توانند تا بیش از ۸۰ درصد وزن خشک سلول را ایجاد کنند. از بیشترین زیست پلاستیک‌های تولیدشده توسط میکروارگانیسم‌ها می‌توان به پلی‌هیدروکسی آلکانوات[7] و مشتقات آن اشاره کرد. این زیست پلاستیک‌ها را می‌توان به‌وسیله سانتریفیوژ و یا با استفاده از حلال‌های آلی از قبیل کلروفرم[8]، تری‌فلورواتانول[9]، دی‌کلرواتان[10]، پروپیلن کربنات[11] و دی‌کلرواستیک اسید[12] استخراج نمود.
بیژرینک[13] در سال ۱۸۸۸ گرانول‌های واضح پلی‌هیدروکسی آلکانوات را در سلول باکتریایی مشاهده نمود و پلی‌هیدروکسی آلکانوات اولین بار توسط لموین[14] در سال ۱۹۲۶ به‌عنوان یک ماده ناشناخته به فرم هومو‌پلی‌استر 3-هیدروکسی بوتریک اسید که پلی‌هیدروکسی بوتیرات نامیده می‌شود، تشریح شد. در طی گذشت ۳۰ سال علاقه به این ماده ناشناخته کم بود. اولین گزارش از عملکرد پلی‌هیدروکسی بوتیرات در سال ۱۹۵۸ توسط ماکرا و ویکینسون[15] منتشر شد. آنان قابلیت زیست تخریب‌پذیری سریع پلی‌هیدروکسی بوتیرات تولیدشده توسط باسیلوس مگاتریوم به‌وسیله باسیلوس سرئوس[16] و باسیلوس مگاتریوم[17] را اثبات کردند. از اینجا به بعد علاقه به پلی‌هیدروکسی بوتیرات به‌طور چشمگیری افزایش یافت. با این وجود هزینه بالای تولید این مواد مانع از جایگزینی این مواد با پلاستیک‌های معمولی می‌شود؛ بنابراین به‌منظور ایجاد فرآیند اقتصادی، اهداف باید به‌طور هم‌زمان موردتوجه و بررسی قرار بگیرند؛ ایجاد سویه‌های نوترکیب، فرآیند تخمیر و غیره می‌تواند هزینه‌های تولید این ماده را به‌طور چشمگیری کاهش دهد.
طبقه‌بندی پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر
پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد:
پلیمرهای سنتزی: پلی‌گلیکولیک اسید[18]، پلی‌لاکتیک اسید[19]، پلی(اپسیلون-کاپرولاکتون[20])، پلی‌وینیل الکل[21] و پلی(اتیلن اکسید[22]) در این دسته قرار می‌گیرند. این مواد مستعد حمله آنزیماتیک یا میکروبی می‌باشند؛ از آنجایی که این مواد با تمام خواص پلاستیک مطابقت ندارند، جایگزین مقرون به‌صرفه و مناسبی برای پلاستیک نیستند.
پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر بر پایه نشاسته: در این نوع از مواد نشاسته به‌عنوان یک پرکننده و عامل اتصال متقاطع برای تولید مخلوطی از نشاسته و پلاستیک (نشاسته و پلی‌اتیلن) استفاده می‌شود. میکروارگانیسم‌های خاک نشاسته را به‌راحتی تجزیه می‌کنند؛ درنتیجه باعث شکستن ساختمان پلیمری شده و منجر به کاهش قابل‌توجهی در مدت زمان تخریب می‌شوند، اما این پلاستیک‌ها تنها تا حدی تجزیه‌پذیر هستند؛ قطعات باقی مانده بعد از خروج نشاسته برای مدت طولانی در محیط باقی می‌مانند.
پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها: تنها پلیمرهای ۱۰۰درصد تجزیه‌پذیرند. هیدروکسی آلکانوات‌ها پلی‌استرهای گوناگونی هستند که در هنگام فقر ماده مغذی مثل نیتروژن و فسفر و ازدیاد منابع کربن توسط میکروارگانیسم‌ها تولید می‌شوند. این ماده خواص مشابهی با انواع ترموپلاستیک‌های سنتتیک مثل پلی‌پروپیلن دارد و می‌تواند در جایگاه آن‌ها مورد استفاده قرار بگیرد. این ماده به‌طور کامل به‌وسیله میکروارگانیسم‌های خاک، دریا، آب دریاچه و فاضلاب در شرایط هوازی به آب و دی‌اکسید کربن و در شرایط بی‌هوازی به متان تجزیه می‌شود.
ساختار شیمیایی پلی‌هیدروکسی آلکانوات
پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها از 3-هیدروکسی فتی اسید[23] با گروه‌های جانبی مختلف تک کربنه (متیل) تا سیزده کربنه (تری‌دسیل) تشکیل شده‌اند. اسیدهای چرب اغلب با گروه هیدروکسی در موقعیت ۴، ۵ یا ۶ و گروه‌های جانبی‌اش شناخته می‌شوند. در متابولیسم باکتری، سوبسترای کربنی تبدیل به هیدروکسی آسیل- کوآنزیم آ تیواستر[24] می‌شوند. گروه کربوکسیل یک منومر به‌وسیله پیوند استری به گروه هیدروکسیل منومر مجاور متصل می‌شود. این واکنش پلیمریزاسیون به‌وسیله آنزیم پلی‌هیدروکسی آلکانوات سنتاز میزبان کاتالیز می‌شود.
شکل (1): سنتز پلی‌هیدروکسی آلکانوات در باکتری با استفاده از هیدروکسی آسیل- کوآنزیم به‌عنوان پیش‌ماده
در تمام پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌هایی که تاکنون شناخته شده، تنوع زیادی در طول و ترکیب زنجیره‌های جانبی آن‌ها مشاهده شده است. این عمل باعث به وجود آمدن تنوع در خانواده‌های پلی‌هیدروکسی آلکانوات و همچنین تنوع در کاربردهای آن‌ها می‌شود. تعداد منومرهای متصل به هم در پلیمر پلی‌هیدروکسی آلکانوات بستگی به گروه جانبی و میکروارگانیسمی که آن را تولید می‌کند، دارد. پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها از لحاظ طول زنجیره به سه دسته تقسیم می‌شوند: دسته اول پلیمرهای حداکثر ۵ کربنه که به آن‌ها پلی‌هیدروکسی آلکانوات زنجیره کوتاه گفته می‌شود. دسته دوم پلیمرهای ۶ تا ۱۴ کربنه که به آن‌ها پلی‌هیدروکسی آلکانوات زنجیره متوسط می‌گویند و در نهایت دسته سوم پلیمرهایی با بیش از ۱۴ کربن که به آن‌ها پلی‌هیدروکسی آلکانوات زنجیره بلند می‌گویند.
پلی‌هیدروکسی بوتیرات[25] و پلی‌هیدروکسی والرات[26] از خانواده پلی‌هیدروکسی آلکانوات زنجیره کوتاه می‌باشند. هوموپلیمر[27] پلی‌هیدروکسی بوتیرات ساخته شده توسط باکتری اغلب حاوی کمتر از ۱ درصد مولار از منومرهای 3-هیدروکسی والرات می‌باشد؛ کوپلیمر[28] پلی‌هیدروکسی بوتیرات زمانی شکل می‌گیرد که باکتری از سوبسترای مخلوط مثل گلوکز و والرات استفاده کند. برخی باکتری‌ها نیز با استفاده از این سوبستراهای گوناگون پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌هایی مثل پلی(3-هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی والرات[29]) و یا پلی(3-هیدروکسی بوتیرات-کو-4-هیدروکسی بوتیرات[30]) ایجاد می‌کنند. البته کوپلیمرهای پلی(3-هیدروکسی بوتیرات-کو-3-هیدروکسی هگزانوات[31]) نیز گزارش شده است.
خصوصیات فیزیکی پلی‌هیدروکسی آلکانوات
باکتری‌ها پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌هایی با جرم مولکولی حدود ۱۰۴×۴ و بس‌پاشیدگی[32] حدود ۲ تولید می‌کنند. خصوصیات فیزیکی این پلیمرها شبیه به پلاستیک‌های مرسوم مانند پلی‌پروپیلن می‌باشد. خصوصیات هوموپلیمر پلی‌هیدروکسی بوتیرات، کوپلیمرهای پلی‌هیدروکسی بوتیرات کووالرات، پلی‌هیدروکسی بوتیرات کوبوتیرات و پلی‌هیدروکسی بوتیرات کوهگزانوات با پلی‌پروپیلن برابری می‌کند.
هوموپلیمرهای پلی‌هیدروکسی بوتیرات ماده‌ای با ساختار بلوریِ فشرده و بسیار شکننده است. این ماده هنگامی‌که به‌صورت فیبر درمی‌آید مانند یک ماده الاستیک سخت رفتار می‌کند. درعین‌حال کوپلیمرهایی مانند پلی‌هیدروکسی بوتیرات کووالرات یا پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌های زنجیره متوسط درحالی‌که بسیاری از خصوصیات فیزیکی پلی‌هیدروکسی بوتیرات‌های دیگر را دارا هستند، از استحکام کمی برخوردارند و نیز شکننده می‌باشند. هوموپلیمر پلی‌هیدروکسی بوتیرات دارای ساختار کریستالی مارپیچ شبیه به کوپلیمرهای دیگر می‌باشد. رفتار ذوب و تبلور پلی‌هیدروکسی آلکانوات‌ها توسط گوناراتن و شانکس[33] مورد مطالعه قرار گرفت. زمانی که بیوپلیمرها مورد مطالعه قرار می‌گیرند، دمای تخریب بسیار مهم است. در این مطالعه پلی‌هیدروکسی آلکانوات دو پیک ذوب را نشان داد. اخیراً نیز مشخص شده که تخریب زیست‌بسپار پلی‌هیدروکسی بوتیرات در دمای 246/3 درجه سانتی‌گراد شروع می‌شود درحالی‌که کوپلیمر پلی‌هیدروکسی بوتیرات کو والرات در دمای260/4 درجه سانتی‌گراد شروع به تخریب می‌کند. این تفاوت نشان می‌دهد که حضور والرات در زنجیره باعث افزایش مقاومت گرمایی پلیمر می‌شود.
[1] Hydrogen cyanide
[2] Acrylonitrile-based
[3] Fillers
[4] Biodegradable plastics
[5] Polypropylene
[6] Bio Polymers
[7] PHA (Polyhydroxyalkanoate)
[8] Chloroform
[9] Trifluoroethanol
[10] Dichloroethane
[11] Propylene Carbonate
[12] Dichloro Acetic Acid
[13] Beijerinck
[14] Lemoigne
[15] Macrae and Wilkinson
[16] Bacillus megaterium
[17] Bacillus cereus
[18] Polyglycollic Acid
[19] Polylactic Acid
[20] Poly(ε-caprolactone)
[21] Polyvinyl Alcohol
[22] Poly(ethylene oxide)
[23] 3-Hydroxy Fatty Acid
[24] Hydroxyacyl-CoA Thioesters
[25] Poly(3-hydroxybutyrate)
[26] Poly(3-hydroxyvalerate)
[27] Homo-Polymer
[28] Co-Polymer
[29] Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV)
[30] Poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate) (PHB4B)
[31] Poly(3-hydroxybutyrate-co- 3-hydroxyhexanoate( (PHBHx)
[32] Polydispersity
[33] Gunaratne and Shanks
برای دانلود فایل pdf بر روی لینک زیر کلیک کنید
ورود / ثبت نام