امانوئل میلل، مدیر سابق استراتژی و توسعه در شرکت شیمیایی فرانسوی Carbios، که بر توسعه پلاستیک های بر مبنای زیستی و زیست تخریب پذیر تمرکز دارد، اظهار داشت: “بیوپلاستیک شامل چه چیزی می شود؟ چون بیوپلاستیک کلمه خیلی بزرگی است.” واقعا هم کلمه بزرگی است.
پلاستیک زیستی می تواند به روش های مختلفی “زیستی” باشد:
می تواند زیست تخریب پذیر باشد، از مواد بیولوژیکی ساخته شده باشد (مثل ذرت یا لاکتیک اسید)، یا از طریق تخمیر تولید شود. با وجود تمام تحقیقات و پیشرفت های هیجان انگیز در این زمینه، بازار بیوپلاستیک همچنان کوچک است. تولید جهانی پلاستیک در حال حاضر بیش از ۳۰۰ میلیون تن است. با این حال، این رقم به سرعت در حال افزایش است و برآوردها پیش بینی می کنند که اگر برای جلوگیری از آن کاری نکنیم، ممکن است تا سال ۲۰۳۰ دو برابر هم بشود.
در همین حال، ظرفیت تولید پلاستیک های زیستی در ۲۰۱۸ حدود ۲.۱ میلیون تن برآورد شده- کمتر از ۱ درصد کل بازار. فقط نصف این مقدار پلاستیک زیست تخریب پذیر هم هست. این ارقام هنوز پایین هستند، اما تولید بیوپلاستیک به طور پیوسته در حال افزایش است و پیش بینی های فعلی نشان می دهند که تا ۲۰۲۳ به ۲.۶ میلیون تن خواهد رسید.
محرک اصلی در این زمینه سیاست دولت، بخصوص مقررات و مشوق هاست. به نظر می رسد که نقطه قوت پیشرفت این حوزه در اروپا، مقررات سختگیرانه فرانسه است، از جمله ممنوعیت پلاستیک های اکسو زیست تخریب پذیر که اجزای “میکرو پلاستیک” آن ها در طبیعت باقی می مانند.
در سال ۲۰۱۷، بیش از ۱۵۰ سازمان از سراسر جهان از درخواست ممنوعیت این نوع بسته بندی به دلیل نگرانی در مورد خطراتی که برای محیط زیست دارد، حمایت کردند.
در مقابل، دولت های مختلف و اتحادیه اروپا از تحقیقات و نوآوری ها در زمینه بیوپلاستیک حمایت می کنند. به عنوان مثال، طرح اصلی تامین مالی اتحادیه اروپا، افق ۲۰۲۰، از Synpol- پروژه ای برای سنتز بیوپلیمرهای حاصل از تخمیر گاز مواد اولیه پیچیده- که سال ۲۰۱۸ آخرین مقالاتش را منتشر کرد، پشتیبانی کرد.
شرکت های متمرکز بر بیوپلاستیک نیز به طور مکرر از طرف سازمان های دولتی که مشتاق ترویج استفاده از پلاستیک های سازگار با محیط زیست هستند، بودجه دریافت کرده اند.
چگونه با مشکل زیست تخریب پذیری مقابله کنیم؟
پلاستیک ها از مشکلات سخت مربوط به ضایعات هستند زیرا انواع بسیاری از آن ها برای قرن ها در محیط زیست باقی می مانند. هرچند که برخی پلاستیک ها توسط میکروارگانیسم ها قابل تجزیه اند. یک مثال، پلیمرهای تخریب پذیر BASF است که شامل Ecoflex، پلی استر پتروشیمایی می شود.
با این حال، گرایش کامل به پلاستیک های زیست تخریب پذیر هم چالش بزرگی است. پلاستیک در کاربردهای بسیاری استفاده می شود که از لحاظ خواص فیزیکی و شیمیایی نیازهای متفاوتی دارند. ممکن است برای تمام آن ها به راحتی جایگزین زیست تخریب پذیر در دسترس نباشد.
بیوتکنولوژی بر روی این مشکل تخریب پذیری سخت کار می کند.
راه حل های احتمالی شامل تولید پلاستیک های قابل تجزیه در اقیانوس، یافتن میکروب هایی با آنزیم های خارجی که توانایی تجزیه نوعی پلاستیک (مثلا از طریق بیوماینینگ) را به عنوان بخشی از تصفیه زباله دارند، برنامه ریزی میکروب ها برای تجزیه پلاستیک با استفاده از روش های Synbio، یا توسعه آنزیم های مربوط به تجزیه از طریق مهندسی پروتئین.
به عنوان مثال، Carbios فرآیند “بازیافت نامحدود”ی را ایجاد کرده است که در آن آنزیم ها پلیمرها را به اجزای کوچک تری تجزیه می کنند که می توانند مجددا برای تولید پلاستیک مورد استفاده قرار گیرند. برخلاف روش سنتی بازیافت که در آن پلاستیک ها خرد شده، ذوب شده و دوباره فرآوری می شوند، بازیافت آنزیمی همچنان پلاستیک با کیفیت بالا تولید می کند.
این استراتژی با PET، نوعی پلاستیک که در همه جا (مثلا در اکثر بطری های پلاستیکی) وجود داشته و بازیافت آن دشوار است، موفقیت آمیز بود. سال ۲۰۱۸، این شرکت همچنین روشی برای تجزیه الیاف پلاستیکی PET موجود در زباله های نساجی با استفاده از آنزیم ها را توسعه داد.
امانوئل میلل، مدیر سابق استراتژی و توسعه در Carbios می گوید: “ما انتظار داریم که در آینده برای هر نوع پلیمر، آنزیم هایی داشته باشیم. اینگونه می توانیم یک فرآیند تکراری برای بازیافت هر نوع پلاستیک، بدون نیاز به دسته بندی، داشته باشیم و می توانیم مونومرهای موردعلاقه خود را بازیابی کنیم.”
این آنزیم ها را همچنین می توان در پلاستیک های خاصی مانند کیسه های پلاستیکی زیست تخریب پذیر بکار برد تا پس از مدت زمان یا میزان استفاده مشخص تجزیه شوند. Carbios این فناوری را برای پلاستیک های یکبار مصرفی که طول عمر مشخصی دارند، مانند بسته بندی یا فیلم های کشاورزی، توسعه داده است.
خارج کردن نفت از معادله
بیوپلاستیک یک اصطلاح رایج برای پلاستیک هایی است که از زیست توده ساخته شده اند- از نشاسته ذرت، روغن و چربی های گیاهی گرفته تا مواد شیمیایی تولید شده توسط میکروب ها. هدف اصلی این است که بتوانیم این مواد بسیار ضروری را بدون اتکا به نفت تولید کنیم. بر اساس IUPAC، حق امتیاز اصطلاحات مربوط به مواد شیمیایی، برای دقت بیشتر باید آن ها را پلیمرهای زیستی نامید.
ستاره پلیمرهای پایه زیستی احتمالا PLA است که در بسیاری کاربردها پتانسیل جایگزینی پلاستیک های پر کاربرد PET را دارد. PLA از لاکتیک اسید، یک ماده شیمیایی قابل تولید از طریق تخمیر، به دست می آید. Corbion Purac مستقر در هلند PLA و دیگر جایگزین های زیستی را تولید می کند؛ سایر رقبای اروپایی شامل Synbra در هلند و Futerro در فرانسه هستند.
یک شرکت رو به رشد در این زمینه Avantium مستقر در هلند است، شرکت زیرمجموعه Shell که از قندهای مشتق شده از ذرت برای تولید پلاستیک PEF به منظور جایگزین کردن PET در بطری ها استفاده می کند. برخلاف PLA، PEF را می توان در حین فرآیند دسته بندی برای بازیافت از PET متمایز کرد.
این ماده بیولوژیکی آنقدر موفق بود که توانست قراردادی برای تولید بطری های کوکاکولا ببندد و Avantium نیز برای تولید لیوان های ماست با Danone قرارداد دارد. در واقع، در چند سال گذشته توجه زیادی به توسعه PEF شده است و قرار است در ۲۰۲۳ در مقیاس بزرگ تری وارد بازار تجاری شود. PEF علاوه بر کاملا زیست پایه بودن، دارای خواص محافظ و حرارتی بهتری نسبت به PET است.
آیا بیوپلاستیک ها می توانند پایدار باشند؟
برای اینکه پلاستیک های زیستی رقیبی واقعی برای پلاستیک هایی که با استفاده از منابع شیمیایی ساخته شده اند باشند، چالش قیمت وجود دارد. بخش بزرگی از تمام پلاستیک هایی که سالانه تولید می شوند برای کاربردهای صنعتی، یکبار مصرف یا تولید انبوه است. این یعنی بازار پلاستیک، اقتصاد سرسخت کالاها که در آن قیمت حرف اول را می زند را هدایت می کند.
یکی از راه حل ها این است که دانش بیوپلاستیک را در کاربردهای ارزش افزوده مانند دارو بکار ببریم. به طور مثال، شرکت آلمانی مواد شیمیایی Evonik طیف وسیعی از پلیمرهای زیست تخریب پذیر را برای استفاده در دستگاه های پزشکی و ایمپلنت های ترشح مداوم دارو تولید کرده است.
کاربردهای تخصصی دیگری هم هستند که در آن از پلاستیک زیستی استفاده می کنند، ازجمله بسته بندی لوازم آرایشی. به عنوان مثال، بطری های L’Oréal 100% از منابع زیستی ساخته شده اند.
با این حال، برخی از پلاستیک های زیستی ممکن است راه حل پایداری نباشند. یکی از مشکلات، رقابت با منابع غذایی است. دسترسی به مواد خام نیز می تواند برای صنعت بیوپلاستیک مشکل باشد. به عنوان مثال، سهمیه های دسترسی به قند ممکن است در طول زمان تغییر کرده و تولید را ناگهان غیرممکن سازند. در واقع، این سهمیه ها در مناطقی مانند چین در حال کاهش است. میلل خاطر نشان کرد: “دسترسی به قند چالشی اساسی برای صنعت پلاستیک های زیستی است.”
برخی معتقدند که این مشکل بزرگی نیست. داده های سازمان بیوپلاستیک اروپا در سال ۲۰۱۸ گزارش داد که ۰.۸ میلیون هکتار زمین برای کشت محصولات موردنیاز تولید بیوپلاستیک استفاده شده است، که این کمتر از ۰.۰۲% از زمین مورد استفاده برای کشت محصول در سراسر جهان است.
فرانسوا دو بی، رئیس بیوپلاستیک اروپا در وبسایت سازمان اظهار داشت: “مقدار زمین استفاده شده برای بیوپلاستیک همچنان ناچیز است. ۹۷ درصد از کل زمین های زراعی برای مراتع، خوراک و غذا استفاده می شود.”
ایده، ایجاد سویه های میکروبی است که توانایی “خوردن” زباله سبز (مانند بقایای چوب) را دارند، که ارزان و بسیار در دسترس است. پالایشگاه زیستی از پسماند آن مواد شیمیایی اساسی را درست می کند که بعدا برای طیف وسیعی از کاربردها -از جمله پلاستیک ها- مورد استفاده قرار می گیرند.
Carbion و BASF برای تحقق این ایده در سال ۲۰۱۳ سرمایه گذاری مشترکی با نام Succinity تشکیل دادند. اهداف این همکاری تولید سوکسینیک اسید، یکی از اجزای بیوپلاستیک، باکیفیت از منابع تجدیدپذیر است.
یک مثال دیگر شرکت ایتالیایی Novamont با پروژه ای برای تولید مواد شیمایی استفاده شده در صنایع پلاستیک، از جمله نرم کننده های PVC است. Novamont روز به روز پیشرفت می کند و سال ۲۰۱۸ کارخانه بیوپلاستیک جدیدی را برای افزایش ظرفیت تولید خود راه اندازی کرد. Global Bioenergies از شرکت های بزرگ سوخت زیستی است که در فرانسه مستقر است. آن ها علاوه بر توسعه سوخت، به دنبال ایزوبوتن زیستی برای ساخت پلاستیک هستند.
سلول ها به عنوان کارخانه های پلاستیک سازی
ما در مورد چگونگی استفاده از سلول ها برای ایجاد اجزای تشکیل دهنده پلاستیک و کنار گذاشتن نیاز به نفت صحبت کرده ایم. اما زیست شناسی مصنوعی می تواند فراتر رفته و یک کارخانه سلولی پلاستیک بسازد.
برخی میکروب ها به طور طبیعی پلیمرهایی تولید می کنند که می توانیم از آن ها به عنوان پلاستیک استفاده کنیم. به عنوان مثال، PHAها توسط تعدادی از میکروارگانیستم ها تولید می شود و می تواند در بسته بندی غذا و سایر اقلام یکبار مصرف مانند پوشک استفاده شوند.
برخی شرکت ها از طریق بهینه سازی فشار و تخمیر موفق به تولید PHA از باکتری ها در مقیاس صنعتی شده اند. در ۲۰۱۵، شرکت ایتالیایی مواد زیستی Bio-on و تعاونی قند فرانسه Cristal Union برنامه ای را برای احداث کارخانه PHA در فرانسه اعلام کردند، هرچند اخبار جدیدی درمورد این توسعه اعلام نشده است. طی یک همکاری مشابه، Bio-on در دسامبر سال ۲۰۱۸ با شرکت اسپانیایی Acor برای آغاز تولید بیوپلاستیک های PHA از چغندر قند توافق کرد.
پلیمرهای بسیار متنوع دیگری نیز وجود دارند اما هیچ مسیر طبیعی متابولیکی کشف نشده است. مهندسی متابولیک و پروتئین می تواند در این مورد کمک کند.
Carbios در سال ۲۰۱۶ اعلام کرد که با همکاری شریک دانشگاهی خود، INRA Toulouse، موفق به ایجاد یک مسیر متابولیک برای تولید PLA شده است. ایجاد مسیر متابولیک برای PLA، این ماده را برای شرکت Carbios مقرون به صرفه تر کرد تا بتواند مستقیما با پلاستیک های پتروشیمی رقابت کند.
آیا بیوپلاستیک آینده ساز است؟
بیوپلاستیک هنوز رقابت سختی با پلاستیک های پتروشیمی دارد. آینده بیوپلاستیک عمدتا وابسته به مقررات و اصل نگرانی برای محیط زیست است تا نیاز “واقعی” بازار. اگر چه وابستگی زیاد به حسن نیت سیاسی ایده آل نیست، اما الزامات برای پلاستیک های زیست پایه و زیست تخریب پذیر روز به روز سخت گیرانه تر می شود، که این امر موجب رشد بیوپلاستیک و فناوری مربوط به آن می شود.
روش های مختلف بسیاری برای پیشرفت پلاستیک های زیستی وجود دارد و کارهای زیادی باید انجام شود. از اعلامیه اتحادیه اروپا مبنی بر اینکه قصد دارد استفاده از پلاستیک های یکبار مصرف را در سال های آینده به طرز قابل توجهی کاهش دهد، استقبال می شود، گرچه عدم شناخت نقش بالقوه بیوپلاستیک ناامید کننده است. تبلیغات بد اخیر در مورد پلاستیک های اکسو زیست تخریب پذیر و ذرات میکروپلاستیکی که تولید می کنند نیز برای این حوزه مضر بوده است. با این حال، امید به آینده وجود دارد.
دانشمندان اسرائیلی اخیرا روشی برای تولید بیوپلاستیک هایی که نیازی به خاک یا آب شیرین ندارند کشف کرده اند؛ و دانشمندان سوئیسی سال ۲۰۱۸ نشان دادند که PBAT که به عنوان جایگزین PE در کشاورزی استفاده می شود، بدون تولید ریزذرات پلاستیکی توسط میکروب های خاک خورده می شود.
