• پلاستیک های با پایه زیستی: خوراک ها، تولید و بازار

    پلاستیک های با پایه زیستی در کاربردهای بسیار زیادی می توانند جایگزین پلاستیک های نفتی (پتروپلاستیک ها) شوند. امروزه بیشتر زیست پلاستیک های استفاده شده در اروپا بر پایه نشاسته هستند. از این پلاستیک ها برای تولید پاکت های زباله و حمل کالا و همچنین بسته بندی مواد غذایی و محصولات دیگر استفاده می گردد. دیگر بازارهای زیست پلاستیک ها در حال توسعه بوده و شامل قطعات الکترونیک و قطعات خودرو می شوند

    پلاستیک های با پایه زیستی: خوراک ها، تولید و بازار

    مقدمه

    با ارائه برنامه کاهش گازهای گلخانه ای (GHG) استفاده از منابع ترکیبات و سوخت های تجدید پذیر برای کاهش اثرات محیطی، بیش از پیش اهمیت یافته است.

    پلاستیک های با پایه زیستی مدت زیادی است که در صنایع پزشکی کاربرد دارد و برای قطعات خودرو نیز در نظر گرفته شده اند. با این حال با وجود مسائل زیست محیطی، تولید کنندگان و همچنین مصرف کنندگان دوباره به استفاده از پلاستیک های با پایه زیستی روی آورده اند.

    پلاستیک های با پایه زیستی در کاربردهای بسیار زیادی می توانند جایگزین پلاستیک های نفتی (پتروپلاستیک ها) شوند. امروزه بیشتر زیست پلاستیک های استفاده شده در اروپا بر پایه نشاسته هستند. از این پلاستیک ها برای تولید پاکت های زباله و حمل کالا و همچنین بسته بندی مواد غذایی و محصولات دیگر استفاده می گردد. دیگر بازارهای زیست پلاستیک ها در حال توسعه بوده و شامل قطعات الکترونیک و قطعات خودرو می شوند.

    1. مواد اولیه

    زیست پلاستیک ها را می توان از مواد گیاهی تجدید پذیر مثل نشاسته، سلولز، روغن ها (مثل روغن کلزا)، لیگنین (چوب)، پروتئین ها (مثل زین؟ ذرت) و پلی ساکارید ها (مثل زایلن ها) تهیه کرد. فناوری های جدید ثابت کرده است که می توان با استفاده از زباله های آلی و پتروپلاستیک ها (مثل PET) پلاستیک های سنتزی با پایه زیستی (مانند پلی هیدروکسی آلکانوات ها یا PHA ها)تولید کرد.

    2. نشاسته

    اکثر زیست پلاستیک ها امروزه با استفاده از نشاسته به عنوان ماده اولیه (حدود 80 درصد زیست پلاستیک های امروزی) ساخته می شوند. در حال حاضر منبع اصلی نشاسته ذرت، سیب زمینی و مانیوک (یا کاساو) می باشد. دیگر منابع بالغوه نشاسته شامل Arrowroot، جو، بعضی گونه های Liana، ارزن، جو دو سر، برنج، درخت نخل ساگو، سورگوم (ذرت خوشه ای) سیب زمینی شیرین، تارو و گندم، می شود.

    با توجه به نوع گیاه منبع، روش های زیادی برای استخراج نشاسته وجود دارد. در مورد گندم، نشاسته معمولا از طریق یک فرایند آسیاب خشک (شکل 1.01a) استخراج می گردد. در مورد سیب زمینی و مانیوک با استفاده از خراش دادن سلول ها نرم شده و نشاسته آزاد می شود (شکل 1.01b). نشاسته استخراج شده بهبود یافته و خالص می شود تا پروتئین ها و فیبر از آن جدا شود.

    شکل 1.01

    منبع: (Deahan Group Company Limited, International Starch Institute

    چهار پارامتر اصلی برای انتخاب نشاسته استفاده شده برای تولید زیست پلاستیک ها:

    • قیمت
    • محل منبع
    • کیفیت/خلوص
    • ویژگی های نشاسته

    1.2 قیمت نشاسته

    نکته مهم در تولید پلاستیک های نشاسته ای منبع قابل اعتماد و ارزان قیمت است. کمپانی های تولید پلاستیک های نشاسته ای می توانند نشاسته را خودشان استخراج کننده یا نشاسته استخراج شده آماده را از کمپانی های استخراج آسیابی بخرند.

    قیمت نشاسته بسته به نوع آن، موجود بودن محصول منبع نشاسته در کشور تولید کننده، میزان راحتی استخراج نشاسته، مقیاس تولید نشاسته و پارامترهای دیگر، بسیار متغیر است. برای مثال جدول 1 نشان می دهد نشاسته مانیوک وارداتی به بریتانیا بالاترین قیمت را داشته (986 پوند بر تن) درحالی که نشاسته گندم کم ترین قیمت (263 پوند بر تن) را در سال 2007 داشته است به علاوه شکل 1.02 نشان دهنده ارزش بسیار متغیر انواع نشاسته های صادر شده از کشورهای مختلف می باشد. مشخص است که بین ارزش صادراتی و فراوانی نشاسته رابطه پیچیده ای وجود دارد برای مثال غنا ششمین تولید کننده نشاسته مانیوک در سال 2007 (9.65 میلیون تن) دارای بیشترین ارزش صادراتی نشاسته مانیوک (1192 دلار بر تن) بوده است با این حال تایلند سومین تولید کننده نشاسته مانیوک در سال 2007 (26.41 میلیون تن) ارزش صادراتی نشاسته مانیوک نسبتا پایینی (275 دلار بر تن) داشته است.

    جدول 1. واردات نشاسته به بریتانیا در سال 2007

    نوع نشاسته

    حجم معامله شده (تن)

    ارزش وارداتی (پوند بر تن)

    مانیوک

    3598

    986

    ذرت

    77422

    371

    سیب زمینی

    63709

    354

    گندم

    32831

    263

    منیع:  UN Comrade

    2.2 محل منبع نشاسته

    محصولات نشاسته ای بسته به نوع آب و هوای مورد نیاز برای کشت در مکان های مختلف جغرافیایی رشد می کند. برای مثال گندم در غرب اروپا از جمله بریتانیا فرانسه و آلمان رشد می کند در حالی که مانیوک در مکان های نزدیک به خط استوا مثل غنا، نیجریه و تایلند رشد می کند. (شکل 1.02).

    شکل 1.02 تولید نشاسته در سال 2007

    منبع: UN Comtrade CLICK HERE to see image in full size

    هنگام انتخاب یک نشاسته برای تولید زیست پلاستیک ها، هزینه حمل و نقل و میزان نشر گازهای گلخانه ای (GHG مثل کربن دی اکسید) تولید شده در هنگام تولید و حمل و نقل باید در نظر گرفته شوند.

    آنالیز چرخه عمر (LCA) وسیله ای برای اندازه گیری نشر GHG (در کنار دیگر جنبه های زیست محیطی) حین تولید و استفاده زیست پلاستیک ها می باشد. شکل 1.03 نشان می دهد که پر مصرف ترین مرحله چرخه عمر پاکت پلاستیکی از نظر انرژی و در نتیجه بیشترین نشر GHG مرحله تولید نشاسته و رزین زیست پلاستیک می باشد. توجه داشته باشید که گزینه های دفع مواد زیست پلاستیکی به میزان زیادی روی خروجی GHG تاثیر می گذارد. به علاوه برای بیوپاکت های با پایه نشاسته دفن زباله نا مطلوب ترین روش دقع از نظر نشر GHG متان (23 برابر بیشتر آسیب زننده نسبت به کربن دی اکسید) است. این مسئله در کنار موارد بازدارنده قانونی و مالی اروپا مشخص می کند که دفن زیست پلاستیک ها برای دفع آنها امکان پذیر نیست.

    شکل 1.03 آنالیز چرخه عمر (LCA) برای بیوپاکت های نشاسته ای

    توجه: تولید مواد خام شامل تولید محصولات کشاورزی، استخراج نشاسته و حمل و نقل می شود.

    منبع: ITF Rapport: Life cycle assessment of BioBags used for collection of household waste.

    3.2 کیفیت/خلوص نشاسته

    کیفیت نشاسته بسته به نوع محصول کشاورزی و روش استخراج و خالص سازی به کار رفته می تواند بسیار متغیر باشد.در نشاسته های اروپای غربی از ذرت، گندم و سیب زمینی استخراج شده و در اکثر موارد دارای خلوص بالایی هستند با این حال کیفیت نشاسته مانیوک می تواند کیفیت متغیری داشته باشد چرا که صنایع کوچک روستایی در نیجریه، ویتنام و تایلند به روش های مختلف نشاسته تولید می کنند.

    به این دلیل که محصولات غده ای و ریشه ای، اگر قبل از خراش دادن خاک به خوبی از گیاه جدا نشده باشد، خلوص نشاسته تولید شده می تواند به شدت تحت تاثیر قرار بگیرد. نگهداری و انبار کردن این گونه ها نیز پارامتر مهمی است زیرا این گونه ها به خوبی قابل نگهداری نبوده و به راحتی صدمه می بینند و خشک می شوند که باعث کاهش مقدار نشاسته قابل استفاده و تولید گرما می شود این مورد برعکس غلات (مثل گندم) است که اگر به اندازه کافی خشک باشند (13-14% رطوبت) می توان آن ها را به راحتی برای چندین ماه نگهداری کرد بدون اینکه از میزان نشاسته آن کاسته شود.

    4.2 ویژگی های نشاسته

    نشاسته ها از پلیمرهای بی شاخه و شاخه دار گلوکز به ترتیب با نام های آمیلوز (شکل 1.04) و آمیلوپکتین ساخته شدن اند.

    شکل 1.04 ساختار آمیلوز نشاسته

    نشاسته های تولید شده از منابع مختلف ویژگی هایی دارند که ممکن است برای ساخت زیست پلاستیک ها مفید باشند. برای مثال نشاسته های غده ای و سیب زمینی دارای پروتئین کم تری هستند اما فسفات بیشتری دارند در حالی که نشاسته غلات برعکس هستند. زیست پلاستیک های تولید شده از نشاسته های پر فسفات سریع تر از نشاسته های کم فسفات از نظر زیستی تخریب می شوند.

    برای تولید زیست پلاستیک های سنتزی مثل پلی لاکتیک اسید (PLA، شکل 1.05 a، b و c) و پلی هیدروکسیل آلکانوات ها (PHA ها مثل PHB، شکل 1.06) مهم است که نشاسته ارزان قیمتی انتخاب شود که به راحتی به قند متناظر خودش تجزیه می شود (هیدرولیز با اسید یا آنزیم) تا برای تخمیر آماده شود. سلسله مراتب هیدرولیز نشاسته ها به این گونه است: گندم، ذرت، مانیوک و سیب زمینی، گندم به راحتی به قند تجزیه می شود در حالی که نشاسته سیب زمینی مقاوم تر از همه می باشد.

     

    3. روغن ها

    از روغن حاصل از دانه کرچک، دانه سویا و دانه کلزا برای تولید زیست پلاستیک های پلی آمید (نایلون) و پلی یورتان استفاده شده به ترتیب در لوله ها و عایق ها استفاده می شود. با این حال این پلاستیک ها معمولا با پایه زیستی بوده و زیست تخریب پذیر نیستند. ویژگی های آن ها اگر کاملا یکسان نباشند، بسیار نزدیک به رقبای پتروپلاستیک خود هستند.

    روغن ها را می توان از طریق پرس کردن، حلال های آلی (هگزان) یا اعمال آنزیم از دانه های روغنی به دست آورد. دو فرایند آخر بازده بالاتری دارند. سپس روغن به دست آمده با فیلترها و مواد شیمیایی مختلف خالص سازی می شود. پلی ُال های (3،1-پروپان دی ُال و 4،1-بوتان دی ُال) گیاهان روغنی برای تولید پلاستیک هایی از جمله پلی یورتان (PU) و پلی بوتیلن ترفتالات (PBT) استفاده می شوند.

    4. سلولز وLignin

    سلولز، یک پلیمر گلوکز، به مدت 140 سال است که برای تولید پلاستیک استفاده می شود. منابع  سلولز رایج شامل چوب، پنبه و کنف می باشند. پلاستیک های سلولزی معمولا از سلولز های بهبود یافته از طریق روش های شیمیایی تولید می شوند. رایج ترین نوع این مواد سلولز استات است که در روکش های بسته بندی استفاده می شود.

    لیگنین، یک ماده پیچیده که در گیاهان چوبی یافت می شود نیز برای تولید بیوپلاستیک ها کاربرد دارد. لیگنین معمولا از ضایعات تولید کاغذ به دست می آید.

    5. پروتئین ها

    در دهه 1920 هنری فورد روی استفاده از پروتئین سویا در پلاستیک مطالعه می کرد. امروزه نیز این مطالعات برای تولید پلاستیک از پروتئین ذرت و سویا برای کاربردهای پزشکی و باغبانی علمی ادامه می یابد. ضایعات محصولات حیوانی مثل پروتئین های پودر خونی نیز می تواند مواد اولیه ساخت این بیوپلاستیک ها باشد.

    6. زایلن ها

    زایلن ها ترکیبات پیچیده حاوی قند زایلوز هستند. این ماده را می توان از پوسته وغلاف غلات تهیه کرد و از آن برای تولید روکش های بسته بندی پلیمری استفاده می شود. جدا کردن زایلن ها از گندم قبل از تخمیر لبه منظور تولید الکل این مزیت را دارد که آب و انرژی لازم برای فرایند های لازم جهت تولید بیواتانول از گندم را کاهش می دهد.