بخشی از مقاله
پلاستیک زیستی; راهکاري در جهت مدیریت پسماند پلاستیکهاي نفتی،
توسعه پایدار و محیط زیست سالم
چکیده
پسماندهاي پلاستیکی با توجه به سبک، حجـیم بـودن و زمـان مانـد طـولانی آن در محـیط، بـه عنـوان یکـی از بزرگتـرین مشکلات شهرنشینی عصر حاضر محسوب شده و بشر را به این فکر واداشته تا راه هاي جایگزینی مانند تولید پلاستیک هـاي زیستی تخریب پذیر براي این محصولات بیابد. براي این منظور و با هدف داشتن صـنعتی در خـدمت توسـعه پایـدار و حفـظ زیست توده هاي طبیعی، تولید نسی جدیدي از مواد اولیه مورد نیاز صنعت براساس فرایندهاي طبیعی در دسـتور کـار بسـیاري از کشورهاي پیشرفته قرار گرفته است. روشهاي مختلف فیزیکی، شیمیایی، زیستی و یا مکـانیکی بـراي اسـتخراج پلاسـتیک زیستی به عنوان یکی از مراحل تولید پلاستیک وجود داردهر. چند معمـولاً در روش هـاي قـدیمی از مقـادیر زیـادي حـلال شیمیایی استفاده می شود که هزینه بر بوده و باعث ایجاد خطرات زیست محیطی می گردد. لذا استفاده از قلیـا، حـلال هـاي زیست محیطی مثل سورفاکتانت، روش هاي مکانیکی و... به منظور کاهش خطـرات زیسـت محیطـی روش هـاي اسـتخراج پیشنهاد می شود. بر این باوریم که استخراج پلاستیک با روش هاي سازگار با محیط زیست علاوه بر کمک به حفـظ سـوخت هاي فسیلی و جلوگیري از آلوده شدن محیط زیست با افزایش سطح رفاه و سلامت جامعـه و صـرفه جـوئی ارزي راه مـوثري براي رسیدن به توسعه پایدار می باشد.
کلمات کلیدي: پلاستیک نفتی، پسماند، پلاستیک زیستی تخریب پذیر، استخراج پلاستیک، توسعه پایدار
مقدمه:
مهمترین مشکل باقی مانده در بخش فنی تولید پلاستیک هاي زیستی (PHA)، نحوه استخراج آنها از سلول هاي باکتري بـا روشی کم هزینه و کارآمد است به طوري که با استفاده از یک حلال کم خطر یا بی خطر در ضـمن صـرفه اقتصـادي، مقـدار زیادي پلاستیک به دست آورد.
هزینه تولید PHA به طور عمده توسط فرایندهاي جدا سازي و خالص سازي تحت تأثیر قـرار مـی گیـرد در نتیجـه توسعه روش هاي استخراج PHA نیازمند فرایند کلی بسیار ساده تر و ارزانتر است. سیستم استخراج ممکـن اسـت بـر مقـدار استخراج محصول ، سهولت مراحل پس از تصفیه و کیفیت محصول نهایی تأثیر گذار باشد. تفکیک سلول ها از مـایع تخمیـر، مرحله مقدماتی روش استخراج است.
متن اصلی مقاله:
شکل .1 مورفولوژي گرانول PHA در سلول باکتري را نشان می دهد. به منظوراستخراج گرانول PHA، لازم اسـت
دیواره سلول باکتري پاره شود و لایه پروتئین موجود در غشاء گرانول PHA حذف شـود. بـه دنبـال آن PHA بـه صـورت
انتخابی در یک حلال مناسب حل می شود.
به طور کلی، دو روش براي استخراج و تصفیه PHA از زیست تـوده سـلولی وجـود دارد کـه عبارتنـد از انحـلال1
PHAو تجزیه مواد غیر .(2NPCM) PHA در روش اول، گرانول PHA در یـک حـلال آلـی مناسـب حـل شـده و از
NPCM استخراج می شود ضمن این که پلیمرهاي PHA در شکل جامد باقی می مانـد. در روش دوم NPCM توسـط
عوامل مختلف، هضم یا محلول شده و در نهایت، فرم هاي جامد و مایع به دست آمده با استفاده از فیلتراسیون و یا سـانتریفوژ
از هم جدا می شود.
شکل .1 مورفولوژي گرانول PHA در سلول باکتري.
نقطه چین نشاندهنده دیواره سلولی، NPCM - N و - G گرانول PHA می باشد.
شکل.2 طبقه بندي روشهاي مختلف تخریب دیواره سلول باکتري
برخی از موفق ترین تکنیک هاي آزمایشگاهی تخریب سلولهاي باکتري، هـیچ امکـانی بـراي تجـاري شـدن ندارنـد. انتخاب بهترین روش استخراج بستگی به عوامل ذکر شده در جدول 1 دارد. سلول هاي باکتري هنگام ورود بـه مرحلـه رشـد، تمایل به تولید دیواره هاي سلولی نازکتر دارند که آسانتر تخریب شوند. این خصوصیت و دیگر شرایط که می تواند تحت تـأثیر توانائی تخریب سلول هاي میکروبی قرار گیرد، در جدول 2 ذکر شده است. علاوه بـر ایـن، عملیـات و انـرژي مـورد نیـاز، در دسترس بودن و هزینه تجهیزات تخریب از دیگر پارامترهاي مهم هستند.
جدول . 1 پارامترهاي مهم در انتخاب روش هاي تخریب سلولی
.1نوع سلول ها و تاریخچه آنها .5 امکان کاربرد روش در مقیاسهاي بزرگ
.2 حجم نمونه .6 تاثیر بر روي مراحل تصفیه بعدي
.3 زمان واکنش .7 هزینه کلی فرایند تخریب
.4 در دسترس بودن تجهیزات
جدول . 2 شرایط تخمیر مؤثر بر تخریب سلول هاي میکروبی
1. منبع کربن
2. میزان عناصر کم مصرف (ریز مغذي ها) موجود در محیط کشت باکتري
3. مرحله رشد
4. زمان نگهداري
5. گونه میکروارگانیسم
جزئیات بیشتر در مورد تکنیک هاي رایج استخراج PHA که به روشهاي شیمیایی، بیولوژیکی، مکانیکی و فیزیکی به عنوان روش هاي مستقل و یا در ترکیب با دیگر مراحل طبقه بندي شده اند، در بخش زیر ارائه شده است.
روش شیمیایی
.1 استخراج با حلال3
اکثر روش هاي موجود براي استخراج PHA توسط حلال هایی که بـه طـور عمـده کلروفـرم و متـانول مـی باشـند، صورت می پذیرد. تغییر در نفوذپذیري دیواره سلولی و سپس انحلال PHA در حلال، مکانیسم هاي اسـتخراج PHA در ایـن روش هستند. جدایی PHA از حلال با استفاده از تبخیر حلال و یا رسوب پلیمر در مواد غیر حلال انجام می شود. در مقایسـه با دیگر روشهاي موجود، روش استخراج با حلال موجب تخریب پلیمر نمی شود.
این ویژگی می تواند براي برخی از استفاده هاي پزشکی به علت حذف اندوتوکسـین4 کـه در باکتریهـاي گـرم منفـی یافت می شود؛ با ارزش باشد. این فرایند نیاز به مراحل پیش سلولی مانند سابیدن و اسپري خشـک کـن بـراي بهبـود عصـاره گیري حلال دارد.
بنابراین، این روش به عنوان یک فرآیند اقتصادي نامطلوب به دلیل مراحل مختلف و هزینهنسبتاٌبالایی که از حـلال دارد؛ در نظر گرفته می شـود. صـنایع شـیمیایی (ICI) Chemie Linz the Imperial در انگلسـتان ابتـدا اسـتخراج PHA با حلال را مورد استفاده قرار دادند که این فرآیند پر هزینه بود.
به عنوان ضعف دیگر این روش، حلال می تواند مورفولوژي طبیعی گرانول PHA را تغییر دهد. علاوه براین مشـخص شده است که محلول حاوي بیش از 5 درصد PHA ( W/V)، بسیار چسبناك بوده و حذف بقایاي سلول دشـوار مـی باشـد. بدون در نظر گرفتن امکان بازیابی مجدد حلال بکاررفته در حین فرایند، مقدار زیـادي حـلال بـراي اسـتخراج PHA در ایـن روش مورد نیاز است. به این علت استخراج PHA توسط حلال ها، یک فرایند پر هزینه به شمار می آید. در نتیجه بـه عنـوان راهکار مناسب براي برطرف نمودن معایب فوق، PHA حل شده به یک حلال غیـر قابـل امتـزاج (اخـتلاط) در آب، در درجـه حرارت بالا (بالاتر از 120 درجه سانتیگراد) تبدیل می شود. سپس آب سرد براي استخراج PHA اضـافه مـی گـردد. اگـر چـه حلال را می توان چند بار قبل از بازیابی تقطیر کرد.
اثرات خطرناك حلال براي متصدیان و همچنین محیط زیست به عنوان یک مشکل دیگر مربوط بـه اسـتفاده از آنهـا در نظر گرفته می شود. این فرایند بیشتر براي مطالعات در مقیاس آزمایشگاه مناسب بوده و تنها موفقیت محدودي در مقیـاس هاي وسیع تر دارد. به تازگی شرکت Metabolix (ایالات متحده آمریکا) با استفاده از حلال هاي آلی بـراي بازیـابی PHA توانسته است روند امیدوار کننده اي براي کاهش هزینه هاي استخراج PHA ارائه دهد.
.2 هضم شیمیایی
هضم توسط سورفاکتانت5
سورفاکتانت هاي آنیونی سدیم دودسیل سولفات (SDS) با ترکیب خود غشاي چربـی سـلول را مختـل مـی کننـد تـا زمانی که حجم غشاي سلولی افزایش یافته و به وسیله افزودن سورفاکتانت اشباع شود. دیواره سلولی به محض اشـباع شـدن، شکسته شده و تولید میسل سورفاکتانت و فسفولیپیدهاي غشاء می کند. این راه حـل منجـر بـه احاطـه PHA منتشـر شـده توسط بقایاي سلول می گردد.
انحلال NPCM مانند پروتئین ها از دیگر مکانیزم هاي سورفاکتانت بـراي فراینـد اسـتخراج اسـت. شکسـتن غشـاء سلول توسط سورفاکتانت بدون تخریب گرانول هاي پلیمري، به عنوان مزایاي آن در نظـر گرفتـه شـده اسـت. بـا ایـن حـال درجه بالایی از خلوص PHA را با استفاده از سورفاکتانت به تنهایی نمی توان به دست آورد و ترکیب آن با دیگر عوامل ماننـد هیپوکلریت و هیدروکسید سدیم مورد نیاز است. علاوه بر این، سورفاکتانت هزینـه بیشـتري در مقایسـه بـا اسـتفاده مجـدد از اسیدها یا قلیاها دارد و همچنین باعث مشکلات موجود در تصفیه فاضلاب ناشی از آن می شود.
هضم توسط هیپوکلریت سدیم6
یکی دیگر از روش هاي متداول استخراج، استفاده از هیپوکلریت سدیم است که موجب انحلال NPCM و رها شـدن PHA به صورت دست نخورده می شود. سپس می توان PHA را از محلول جدا نگاه داشت. این روش موجب کاهش شـدید وزن مولکولی PHA به میزان 50٪ می گردد که علت آن عملکرد قوي هیپوکلریت سدیم بـه عنـوان یـک اکسـیدان و بـاقی ماندن مقدار قابل توجهی از کلر در PHA خالص است. به طور کلی گرانول هـاي اولیـه و بـدون شـکل PHA، بـه صـابون قلیایینسبتاٌحساس بوده و به سرعت قابل تجزیه به مونومر7 و الیگومر8 به عنوان محصولات محلول مـی باشـد. یـک آنتـی اکسیدان مانند بیسولفیت سدیم9 می تواند از کاهش وزن مولکولی به وسیله هیپوکلریت سدیم جلوگیري کند. عـلاوه بـر ایـن، این روش از نظر اقتصادي کارآمد نمی باشد.
هضم توسط هیپوکلریت سدیم و کلروفرم
تلفیق همزمان دو روش هضم با استفاده از هیپوکلریت سدیم و استخراج توسط کلروفـرم یـک روش جدیـد اسـتخراج PHA است که داراي مزایاي هر دو روش است. این روش ترکیبی سه فاز مجزا که شـامل محلـول هیپوکلریـت در فـاز بـالا، NPCM و سلول هاي تخریب نشده در فاز وسط و همچنین فاز کلروفرم حاوي پلیمر PHA در فاز پائین است، را می سـازد. سپس پلیمر از طریق فرایندهاي رسوب توسط یک غیر حلال و همچنین فیلتراسیون، از سایر مواد جدا می شود. با اسـتفاده از این فرایند کاهش وزن مولکولی ناشی از تخریب پلیمر به طور قابل توجهی کاهش می یابد که به دلیل انحـلال فـوري PHA آزاد شده پس از تیمار هیپوکلریت در کلروفرم می باشد. با این حال، استفاده از هیپوکلریت سدیم با مقدار زیادي کلروفرم رونـد نامطلوب اقتصادي داشته و از لحاظ زیست محیطی نیز خطرناك است.
