بیوپلیمرها
آشنایی با بیوپلیمرها
بیوپلیمرها پلیمرهایی هستند که از موجودات زنده تولید می شوند. نام “Biopolymer” نشان می دهد که این یک پلیمر زیست تخریب پذیر است. بیوپلیمرها میلیاردها سال است که روی زمین وجود دارند و قدمت بیشتری نسبت به پلیمرهای مصنوعی مانند پلاستیک دارند.
این پلیمرها در طبیعت نقش اساسی دارند. آن ها در انجام عملکردهایی مانند ذخیره انرژی، حفظ و انتقال اطلاعات ژنتیکی و ساخت سلولی بسیار مفید هستند.
پلیمرهای مبتنی بر قند، مانند پلی اکتیدها، به طور طبیعی در بدن انسان بدون ایجاد عوارض جانبی مضر تخریب می شوند، بنابراین برای اهداف پزشکی استفاده می شوند. بیوپلیمرهای مبتنی بر نشاسته را می توان برای ایجاد پلاستیک معمولی با روش اکسترود و قالب گیری تزریقی استفاده کرد.
پلیمرهای زیستی با طبیعت مصنوعی برای تولید تشک استفاده می شود. بیوپلیمرهای مبتنی بر سلولز، مانند سلفون، به عنوان ماده بسته بندی استفاده می شود. از این ترکیبات شیمیایی می توان برای ساخت فیلم های بسته بندی نازک، سینی های مواد غذایی و گلوله ها برای ارسال کالاهای شکننده از طریق حمل و نقل استفاده کرد.
طبقه بندی پلیمرهای زیستی
چهار گروه مختلف پلیمرهای زیستی وجود دارد که سه دسته اول از منابع تجدیدپذیر به دست می آیند.
1. پلیمرهای حاصل از زیست توده مانند آگرو پلیمرهای حاصل از منابع کشاورزی (مانند نشاسته، سلولز).
2. پلیمرهایی که از طریق تولید میکروبی به دست می آیند، مانند پلی هیدروکسی آلکانوات ها.
3. پلیمرهای سنتز معمولی و شیمیایی که مونومرهای آن ها از منابع کشاورزی به دست می آیند، به عنوان مثال: (پلی لاکتیک اسید).
بیوپلیمرها در ساختار خود پیچیده هستند، به ویژه هنگامی که با پلیمرهای مصنوعی مقایسه می شوند. هر بایوپلیمر خواص و کاربردهای متفاوتی دارد. این به این دلیل است که آن ها دارای هندسه ها و الگوهای پیچیده سه بعدی هستند که آن ها را در عملکرد فعال تر می کند. بیوپلیمرهای زیست تخریب پذیر از طریق فرآیندهای طبیعی تجزیه می شوند و ضایعات را کاهش می دهند. بیوپلیمرها پاسخی به جستجوی دنیای مدرن برای جایگزینی با پلیمرهای مبتنی بر سوخت فسیلی هستند.
بیومواد چقدر قابل دوام هستند؟
عناوین امروزی اغلب سوالاتی را در مورد استفاده از پلاستیک های زیست تخریب پذیر که از مواد تجدیدپذیر مانند روغن نباتی، نشاسته ذرت، تراشه های چوب و ضایعات مواد غذایی ساخته شده اند، به جای منابع تجدید ناپذیر مانند نفت، ایجاد میکنند.
جایگزینی پلیمرهای مصنوعی با پلیمرهای زیستی در بسیاری از موارد روزمره که ما بدیهی می دانیم، می تواند مزایای زیست محیطی زیادی داشته باشد. ماهیت پلیمرهای زیستی به این معنی است که همیشه می‌توان آنها را تجدید کرد (بالاخره از مواد زنده تشکیل شده‌اند) بنابراین ما هرگز در خطر تمام شدن آن ها نخواهیم بود. علاوه بر این، پلیمرهای زیستی زیست تخریب پذیر هستند، گازهای گلخانه ای کمتری تولید می کنند و پتانسیل کاهش ردپای کربن جهانی ما را دارند.
تخریب آسان و طبیعی، زمانی که در معرض باکتری های موجود در خاک یا حتی رسوبات دریایی قرار می گیرند، آن ها را به ماده ای با ارزش در صنعت پلیمر تبدیل می کند. تخریب آن ها منجر به انتشار مقادیر قابل توجهی از CO2 می شود که به آن ها امتیاز مطلوبی در کاهش گازهای گلخانه ای می دهد.
با افزایش نگرانی ها در مورد گرمایش جهانی، پلیمرهای زیستی جایگزین بسیار ارزشمندی برای استفاده در آینده در صنایع مختلف هستند. جالب توجه است که تولید پلیمرها با استفاده از منابع بیولوژیکی/تجدید پذیر یکی از بخش‌های با رشد سریع در چند سال اخیر بوده است.
منابع بیوپلیمرها:
بیوپلیمرها می توانند از نشاسته، شکر، سلولز یا حتی مواد مصنوعی ساخته شوند.
1. نشاسته: یک پلیمر طبیعی است که در بافت های گیاهی وجود دارد. معمولاً از سیب زمینی، ذرت، گندم و منابع مشابه به دست می آید. نشاسته را می توان به صورت ترموپلاستی ذوب و تغییر شکل داد تا ماده ای تولید شود که خواصی مشابه پلاستیک های معمولی دارد. اینها به عنوان پلاستیک زیستی شناخته می شوند.
2. بیوپلیمرهای مبتنی بر قند: مانند پلی هیدروبوتیرات با استفاده از ساکارز که تحت تخمیر باکتریایی قرار می گیرد شروع می شود. یک تغییر کوچک در ترکیب مواد مغذی باکتری ها منجر به بیوپلیمرهایی با خواص مختلف می شود. (از این گونه تغییرات برای تغییر خواص و ایجاد محصولی از ویژگی های مطلوب استفاده می شود).
3. سلولز: مشتق شده از گیاهان یکی دیگر از منابع رایج برای تولید پلیمرهای زیستی است. استفاده از آن به عنوان سلفون، یک ماده بسته بندی محبوب به خوبی شناخته شده است.
میکروارگانیسم ها نقش مهمی در تولید انواع بیوپلیمرهای زیستی دارند. این ها شامل پلی ساکاریدها، پلی استرها و پلی آمیدها هستند. باز هم، می توان با ایجاد دستکاری های کوچک در میکروارگانیسم ها و محیط آن ها، خواص نهایی پلیمرهای زیستی را تنظیم کرد. میکروارگانیسم ها برای شروع فرآیند تخمیر یا پلیمریزاسیون شیمیایی مونومرها به مواد مغذی خاص و شرایط کنترل شده نیاز دارند.
جالب توجه است که پلیمرهای زیستی نتیجه مکانیسم‌های ذخیره‌سازی یا دفاعی اتخاذ شده توسط این میکروارگانیسم‌ها در برابر شرایط محیطی در نظر گرفته می‌شوند. جلبک ها میکروارگانیسم هایی هستند که عمدتاً برای تولید پلاستیک های زیستی مورد استفاده قرار می گیرند.
بیوپلیمرهای رایج:
در زیر متداول ترین بایوپلیمرهای مورد مطالعه و مورد استفاده قرار می گیرند:
1. ژلاتین:
این یک پروتئین است که از هیدرولیز جزئی بافت های حیوانی مانند پوست، استخوان و غیره ساخته می شود. ژلاتین در بخش های مختلف کاربردهای مختلفی پیدا می کند. از آن به عنوان یک ماده در داروهای آرتریت، استخوان های شکننده، کاهش وزن، مراقبت از مو و غیره استفاده می شود.
2. نشاسته:
نشاسته یک کربوهیدرات است که اساساً پلیمری است که از آمیلوز و آمیلوپکتین ساخته شده است. نشاسته پلیمری از گلوکز است. در تولید کاغذ، منسوجات و همچنین به عنوان افزودنی مصنوعی در شوینده ها، داروها، لوازم آرایشی و بهداشتی و غیره استفاده می شود.
3. سلولز:
سلولز فراوان‌ترین بیوپلیمر طبیعی است که روی زمین یافت می‌شود. درست مانند نشاسته، از واحدهای مونومر گلوکز ساخته شده است. پنبه نوعی سلولز است و در صنعت نساجی کاربرد زیادی دارد. فناوری های مدرن اجازه می دهد تا خواص مختلف حرارتی، شیمیایی، مکانیکی، فیزیکی سلولز را تغییر دهد که آن را برای کاربردهای مختلف تجاری منحصر به فرد مناسب می کند.
4. کیتین:
این پلی ساکارید حاوی نیتروژن به طور طبیعی در اسکلت بیرونی حشرات، سخت پوستان و عنکبوتیان یافت می شود. کیتین تقریباً در تمام حلال های آلی و معدنی نامحلول است و قابلیت نفوذ اکسیژن دارد. دلیل کاربرد آن در صنعت پزشکی به عنوان ماده پانسمان زخم است.
5. پلی لاکتیک اسید (PLA):
این ماده از منابعی مانند نشاسته ذرت، نیشکر، ریشه و غیره مشتق شده است. PLA همچنین می تواند با استفاده از اسید لاکتیک تولید شود. PLA دارای خواص مقاوم در برابر آب و هوا، استحکام کششی بالا و مقاومت در برابر شکست است.
6. پلی کاپرولاکتون (PCL) :
این ماده نقطه ذوب پایینی دارد و از این رو به عنوان یک افزودنی برای رزین ها در بهبود خواص آنها مانند مقاومت در برابر ضربه استفاده می شود. سازگاری بالای آن با طیف وسیعی از پلیمرهای دیگر آن را به یک انتخاب افزودنی خوب تبدیل می کند. با تایید FDA، در بخش پزشکی برای ایمپلنت و سایر اهداف بسیار استفاده می شود.
7. پلی وینیل الکل (PVA):
این یک پلیمر مصنوعی محلول در آب است که برای کاربردهایی مانند ضخیم‌کننده‌ها در چسب، فیلم‌های محلول در آب، پوشش‌ها، علامت‌گذاری کاغذ و غیره استفاده می‌شود.
8. کلاژن:
این پروتئین طبیعی بسیار فراوان در سیستم اسکلت عضلانی انسان یافت می شود. این ساختار و استحکام را برای استخوان ها و ماهیچه های بدن انسان فراهم می کند. کلاژن برای کاربردهای تجاری از منابع گاو، گوسفند و انسانی به دست می آید. در محصولات پزشکی مانند پانسمان زخم و غیره استفاده می شود.
9. پلی وینیل استات (PVAc):
این ترموپلاستیک از پلیمریزاسیون وینیل استات تولید می شود. به طور گسترده در زمینه های مختلف مانند کاربردهای پزشکی، تولید نانو ذرات فلزی و غیره استفاده می شود.
موارد استفاده از پلیمرهای زیستی:
بیوپلیمرها برای ساخت جایگزین های پلاستیکی و مواد زیست تخریب پذیر استفاده می شوند. همانطور که در بخش های قبلی ذکر شد، بیوپلیمرها با مواد مختلف دیگر سازگاری بالایی دارند و طبیعتاً کاملاً زیست تخریب پذیر هستند. این باعث می شود که آن ها گزینه ای عالی برای بهبود عملکرد سایر محصولات و مواد برای کاربردهای تجاری مختلف باشند. به عنوان مثال، بسته بندی، ایمپلنت های پزشکی، منسوجات، قطعات الکترونیکی و خودرو، و غیره.
موارد زیر برخی از زمینه های کاربردی کلیدی برای پلیمرهای زیستی است:
-
کاربردهای زیست پزشکی: پلیمرهای زیستی عمدتاً برای اهداف پزشکی مانند مهندسی بافت، دستگاه‌های پزشکی، ایمپلنت‌ها، پانسمان‌های زخم، حامل‌های دارویی و غیره استفاده می‌شوند. مطالعات جدید مختلفی برای بهبود خواص بیومواد انجام می شود تا آن ها را از نظر عملکردی برای استفاده در صنعت پزشکی مناسب تر کند.
-
بخش مواد غذایی و بسته بندی: بیوپلیمرها اکنون برای مقاصدی مانند پوشش های غذایی، فیلم های خوراکی، محصور سازی مواد غذایی و مواد بسته بندی مواد غذایی و غیره استفاده می شوند. جایگزینی برای بسته بندی های پلاستیکی معمولی که ردپای کربن بالایی تولید می کنند. پلیمرهای زیستی مانند نشاسته و PLA به دلیل خواصی مانند مقاومت در برابر رطوبت و شفافیت به ویژه در صنعت بسته بندی مواد غذایی مورد استفاده قرار می گیرند. بیوپلیمرهای مختلفی که در بسته بندی مواد غذایی استفاده می شوند عبارتند از PHA، نشاسته و PLA. خاصیت بازدارندگی خوب این پلیمرهای زیستی آن ها را به انتخاب خوبی برای بسته بندی مواد غذایی تبدیل می کند. تکنیک‌های مدرن مانند افزودن نانو پرکننده به پلیمرهای زیستی به بهبود خواص مانع آنها کمک می‌کند.
-
سنتز نانومواد: نانوذرات فلزی معمولاً در کاربردهای مختلف صنعتی استفاده می شوند. با این حال، به دلیل تهدید بالقوه آنها برای محیط زیست همراه با خطرات بیولوژیکی، علاقه به سمت توسعه فرآیندهای پایدارتر تغییر کرده است. اکنون پلیمرهای زیستی به عنوان عوامل پوششی و کاهنده مناسب برای تولید نانومواد مورد توجه قرار گرفته اند. بیوپلیمرهای مختلفی مانند سلولز، ژلاتین، PVA، کیتوسان، PVP و غیره برای سنتز نانوذرات استفاده می‌شوند.
-
فیلتراسیون آب: استفاده از فناوری نانو برای تامین آب آشامیدنی سالم آخرین پیشرفت در این بخش است. توسعه نانو موادی که خواص ضد باکتریایی و ضد قارچی دارند و می توانند به طور موثر فلزات سمی مانند سرب، آرسنیک و غیره را از آب آشامیدنی حذف کنند، یکی از جدیدترین کاربردهای پلیمرهای زیستی است. پلیمرهای زیستی مانند کیتوسان به عنوان لخته ساز در فرآیندهای تصفیه آب استفاده می شود.
در نهایت:
بیوپلیمرها راه حلی پایدار برای کاهش اثرات زیست محیطی ناشی از مواد پلاستیکی هستند. این پلیمرهای طبیعی و زیست تخریب‌پذیر، با کاربردهای متنوع در صنعت و پزشکی، نقشی کلیدی در آینده‌ای سبزتر و پایدارتر ایفا میکنند. توجه به توسعه و استفاده از بیوپلیمرها گامی مؤثر برای حفظ محیط زیست و کاهش وابستگی به منابع فسیلی است.