بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مواد مصنوعی که انواع و کاربرد های مختلفی دارد و روزانه در حجم های بالائی استفاده می شود، پلاستیک ها و ترکیبات پلاستیکی هستند. این مواد علی رغم کاربرد زیادشان، به علت تجزیه پذیری بسیار ناچیز، باعث مشکلات زیست محیطی می شوند. امروزه برای رفع این مشکلات، محققان زیستی در پی تولید پلاستیک های تجزیه پذیر هستند که از جمله آن می توان به خانواده پلی هیدروکسی آلکانوات ها اشاره کرد، اما مشکل اساسی در تولید این پلاستیک های دوستدار محیط زیست، هزینه بالای تولید آن می باشد. در این مقاله ضمن معرفی پلی هیدروکسی آلکانوات ها و کاربرد هایشان ، عوامل موثر بر هزینه تولیدشان، و راهکارهای کاهش این هزینه مورد بررسی قرار میگیرد.
واژه های کلیدی: پلاستیک های تجزیه پذیر، پلی هیدروکسی آلکانوات ها، هزینه تولید.
مقدمه
عمده پلیمرهای زیست تخریب پذیر پلی استرها هستند که می توانند به هر دو روش زیستی و شیمیایی تولید گردند2] ،.[1 دسته ای از این بیوپلیمر ها پلی هیدروکسی آلکانوات ها1 هستند که می توانند جایگزین مناسبی برای پلیمرهای پتروشیمیایی که باعث تجمع ضایعات پلیمری در طبیعت می شوند، باشند.[3] بیش از 300 نوع باکتری گرم مثبت و گرم منفی تحت شرایط نامطلوب قادر به تولید و ذخیره این مواد هستند.[2] PHAs به صورت گرانول هایی در درون سیتوپلاسم باکتری ها به منزله منبع کربن و انرژی ذخیره می شوند1 ]، .[4 پلی هیدروکسی بوتیرات ها نسبت به پلاستیک های سنتزی برای تولید به انرژی کمتری نیاز دارند لذا گاز های گلخانه ای کمتری نیز تولید می کنند هموپلیمر هیدروکسی بوتیرات - 3HB - و کوپلیمر هیدروکسی بوتیرات -والرات - 3HBV - از جمله اعضای مهم این خانواده هستند که در مقیاس تجاری تولید می شوند.[5] پلی هیدروکسی آلکانوات ها خواص ترموپلاستیکی شبیه به پلیمرهای صنعتی دارند با مزیت هایی نظیر تجزیه پذیری کامل تحت شرایط مطلوب دفن، انعطاف پذیری ، مقاومت% 100 در برابر آب، سازگاری با بافت های بدن و سادگی فرآیند تولید3]، .[7
تولید
روند تولید این بیوپلیمر ها بدین گونه است که در ابتدا میکروارگانیسم ها تحت شرایط نامطلوب رشد و کمبود مواد مغذی، این بیوپلیمر ها را در درون سیتوپلاسم خود تولید و ذخیره میکنند، سپس توسط روش های مختلف استخراج نظیر استفاده از حلال های آلی، یا روش های فیزیکی این مواد را استخراج و پس از خالص سازی به صورت پودر سفید رنگی در می آیند.[6]
کاربردها
این بیوپلیمر ها کاربرد های فراوانی دارند که از جمله آن می توان به ساخت انواع الیاف، مواد آرایشی، پروتز ها، نخ ها ، انواع فیلم ها و ظروف بسته بندی اشاره کرد6]،.[5
بحث زیست محیطی
همانطور که پیشتر گفته شد به دلیل زیست تخریب پذیری کامل این نوع بیوپلیمرها و سازگاری آنها با طبیعت ، تولید و مصرف این مواد باعث کاهش آلودگی هوا به دلیل انتشار کمتر موادی نظیر کربن دی اکسید، ترکیبات کلردار و غیره به هوا، و نیز کاهش آلودگی آب ها و پساب ها می شود. در جدول 3 تاثیرات زیست محیطی این نوع بیوپلیمرها با پلیمر سنتزی پیلی پروپیلن آورده شدهاست.
بحث اقتصادی
در واقع صنعتی کردن تولید PHAs به دلیل هزینه بالای تولیدش نسبت به پلاستیک های سنتزی با مشکل مواجه است. از جمله عوامل تاثیرگذار بر قیمت تمام شده این محصول می توان به میزان تجمع آن در سلول، بهرهدهی، قیمت سوبسترا و راندمان به ازای واحد سوبسترا، فرایندهای پایین دستی، هوادهی و مقیاس تولید اشاره کرد1]، 6 ،.[12برای تولید PHAs ها در مقیاس صنعتی عموما از کشت خالص استفاده میشود. تحقیقات نشان می دهد که از بین موارد فوق الذکر، مهم ترین دلیل هزینه بالای تولید این بیوپلیمر ها، هزینه بالای تامین سوبسترا و تخمیر میکروبی است که این رقم حدود 5 تا 10 برابر هزینه تمام شده تولید پلاستیک های سنتزی است. قیمت بیوپلیمر ها در سال 2007 در اروپا بالغ بر 118 بود. در صورتی که برای ماندن در عرصه رقابت با پلاستیک های سنتزی باید هزینه تولید این مواد را تا حدود 5 کاهش داد
.[8] در سال 1996 ، قیمت بیوپل - 3HBV - 16 بود که این رقم 20 تا 30 برابر پلاستیک های رایجی نظیر پلی اتیلن و پلی استایرن بوده است.[ 18] لذا استفاده از سوبستراهای ارزان قیمت ،گسترش گونه ها ی مولد PHA، تخمیر مناسب و فرآیند های پایین دستی اقتصادی تر می تواند به کاهش هزینه کمک کند.[3] به دلیل قیمت بالای سوبستراهایی مانند گلوکز و پروپیونیک اسید، تحقیقات زیادی برای جداسازی ریزسازوارههای قادر به تولید PHB از منابع کربن ارزانقیمت انجام شده است. امروزه راهکارهای تحقیقاتی مختلفی برای کاهش هزینه تولد این بیوپلیمرها در حال انجام است که در گروه های زیر طبقه بندی می شوند:
استفاده از سوبسترای ارزان قیمت ، افزایش بازده کربنی، جداسازی و پرورش باکتری هایی با قابلیت بهره دهی بالا و رشد مناسب با استفاده از منبع کربن ارزان قیمت، بهینه سازی تخمیر و محیط کشت، روش های استخراج ارزان ولی موثر، مدل سازی و شبیه سازی فرآیند تولید، استفاده از روش های کشت با تراکم سلولی بالا.
عوامل موثر در هزینه تولید PHA سوبسترا
انتخاب سوبسترا نقش مهمی در تولید بهینه PHAs ، نوع بیوپلیمر، ترکیب و محتوای پلیمر، ویژگی ها، و همچنین تجزیه آن دارد 10]و.[6 تحقیقات نشان میدهد که بیشترین هزینه تولید PHA ها مربوط به تهیه سوبسترا می باشد.[2] بیش از %40 هزینه کل عملیاتی تولید PHAs مربوط به تهیه مواد خام می باشد که از این مقدار بیش از %70 آن مربوط به تهیه سوبسترا است.[10] در جدول 4 تاثیر استفاده از منابع کربنی مختلف بر میزان هزینه تولید PHA بررسی شده است.
در مقیاس صنعتی از روش هایی نظیر استفاده از حلال های آلی ، هیپوکلریت، هضم آنزیمی و روش های فیزیکی استفاده می کنند. استخراج با حلال معمولترین فرآیند برای بازیابی PHA است، اما به دلیل ویسکوزیته بالای محلول، حلال زیادی مصرف میشود. 11]، .[1 در تحقیقی به علت تولید بالای PHAs توسط باکتری اشریشیا کلای با محتوای بیش از %60 وزنی سلول، استخراج توسط سدیم هیدروکسید موثر ترین روش برای استخراج بیوپلیمر می باشد .[11] به طور کلی در صورت داشتن مقادیر بالای PHAs در سلول ، استفاده از روش های ساده استخراج با مواد شیمیایی بهترین گزینه می باشد. در جدول 5 استفاده از روش های مختلف به همراه معایب و مزایا بررسی شده است.
میکروارگانیسم
از جمله میکروارگانیسم هایی که می توانند PHAs را با بازده بالایی تولید و دخیره کنند عبارتند از :
باکتریهای رالستونیا اوتروفا، آلکالی ژنز لاتوس، ازتوباکتر وینیلادی، متیلوتروفها و اشریشیا کلی نوترکیب.[2] بعضی از باکتری ها برای مقاصد صنعتی به کار می روند. برای مثال رالستونیا اوتروفا برای تولید پلیمرهایی با زنجیره کوتاه و گونه هایی از سودوموناس برای تولید صنعتی پلیمرهای زنجیره متوسط به کار میروند. بهترین گونه برای تولید صنعتی PHA، اشریشیا کلی می باشد ؛زیرا این گونه توانایی تولید پلیمر از منابع کربن ارزان قیمت دارد و استخراج و خالص سازی پلیمر تولیدی ان تقریبا آسان است. هم چنین در این گونه تخریب درون سلولی پلیمر انجام نمی شود لذا دارای محتوای PHA بالائی است.همچنین آلکالی ژنز لاتوس تحت شرایط نرمال %80 وزن سلولی خود را به پلیمر اختصاص می دهد؛ بنابراین برای مقاصد صنعتی مفید می باشد.[16,13]
هزینه تولید توسط رالستونیا اوتروفا 16 می باشد که تقریبا 18 برابر قیمت پلی اتیلن است. اگر از اشریشیا کلای نوترکیب استفاده شود، هزینه تولید 4 می شود که برای اقتصادی تر بودن تولید باید این رقم به کمتر از 3 دلار به ازای 1 کیلوگرم کاهش پیدا کند .[13] شرایط تخمیری و مقیاس تامین اکسیژن کافی برای شرایط هوازی امری ضروری است. برای تامین اکسیژن مورد نیاز تجهیزات زیادی نظیر لوله های فشار ، جریان های قوی گازی و هوای غنی شده از اکسیژن و غیره نیاز است که خود امری هزینه بردار به ویژه در مقیاس های بالای صنعتی است.[12] افزایش مقیاس نیز عامل دیگری در کاهش هزینه تولید محسوب می شود. با افزایش مقیاس به بیش از سالانه 15000 تن ، هزینه تولید کاهش می یابد12]و .[1
