با توجه به اینکه بخش بزرگی از پلاستیک‌های سنتی از مشتقات نفت خام تولید می‌شوند، استفاده از بیوپلاستیک‌های صنعتی می‌تواند نقشی کلیدی در کاهش وابستگی جهانی به منابع نفتی ایفا کند. این تغییر رویکرد نه تنها از منظر زیست‌محیطی اهمیت دارد، بلکه از جنبه اقتصادی، راهبردی و صنعتی نیز قابل توجه است.
بیوپلاستیک صنعتی به‌عنوان یکی از نوآوری‌های کلیدی در علم مواد، جایگزینی پایدار برای پلاستیک‌های سنتی مبتنی بر نفت ارائه می‌دهند. این مواد که از منابع زیستی تجدیدپذیر مانند نشاسته ذرت، نیشکر، روغن‌های گیاهی یا ضایعات کشاورزی تولید می‌شوند، با هدف کاهش تأثیرات زیست‌محیطی از طریق تجزیه‌پذیری زیستی، کاهش ردپای کربن و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی طراحی شده‌اند. برخلاف پلاستیک‌های معمولی که قرن‌ها در اکوسیستم باقی می‌مانند، بسیاری از بیوپلاستیک‌های صنعتی می‌توانند به‌صورت طبیعی تجزیه شوند یا در شرایط کمپوست صنعتی بازیافت شوند، و به این ترتیب به حل چالش‌های جهانی مانند آلودگی پلاستیک و کاهش منابع کمک می‌کنند.
مفهوم بیوپلاستیک و تفاوت آن با پلاستیک سنتی
بیوپلاستیک به دسته‌ای از پلیمرها اطلاق می‌شود که یا از منابع زیستی مانند نشاسته، نیشکر، سلولز یا روغن‌های گیاهی تولید می‌شوند، یا قابلیت تجزیه‌پذیری زیستی دارند. این مواد برخلاف پلاستیک‌های سنتی که به نفت خام و گاز طبیعی وابسته‌اند، از منابع تجدیدپذیر به‌دست می‌آیند. برخی بیوپلاستیک‌ها از هر دو ویژگی برخوردارند، یعنی هم زیست‌پایه هستند و هم تجزیه‌پذیر، در حالی که برخی دیگر تنها یکی از این ویژگی‌ها را دارند. همین تفاوت‌ها باعث شده که بیوپلاستیک‌ها به‌طور گسترده در صنایع گوناگون مورد توجه قرار گیرند.
منابع تولید بیوپلاستیک و پتانسیل جایگزینی نفت
منابع اولیه مورد استفاده در تولید بیوپلاستیک‌ها معمولاً محصولات کشاورزی مانند ذرت، نیشکر، سیب‌زمینی، چغندر قند، چربی‌های گیاهی و حتی ضایعات زیستی هستند. این منابع نه تنها تجدیدپذیرند، بلکه در بسیاری از نقاط دنیا به‌وفور یافت می‌شوند و امکان بومی‌سازی تولید بیوپلاستیک‌ها را فراهم می‌آورند. استفاده از این منابع می‌تواند میزان مصرف نفت خام در تولید پلیمرها را به‌شکل قابل‌توجهی کاهش داده و وابستگی کشورهای فاقد منابع نفتی به واردات را نیز کم کند. این پتانسیل جایگزینی، یکی از دلایل اصلی تمایل صنایع پیشرفته به سرمایه‌گذاری در حوزه بیوپلاستیک‌هاست.
بیوپلاستیک صنعتی چیست؟
بیوپلاستیک‌های صنعتی موادی پلاستیکی هستند که از منابع زیستی تجدیدپذیر تولید شده یا برای تجزیه زیستی در شرایط خاص طراحی شده‌اند و برای استفاده در مقیاس بزرگ در صنایع مختلف مناسب هستند. طبق تعریف انجمن بیوپلاستیک‌های اروپا، بیوپلاستیک‌ها موادی هستند که یا زیستی‌محور (bio-based) هستند، یا قابلیت تجزیه زیستی (biodegradable) دارند، یا ترکیبی از هر دو ویژگی را دارا می‌باشند. بیوپلاستیک‌های زیستی‌محور از مواد اولیه تجدیدپذیر مانند گیاهان تولید می‌شوند، در حالی که بیوپلاستیک‌های تجزیه‌پذیر می‌توانند از طریق فعالیت میکروبی به موادی طبیعی مانند آب، دی‌اکسید کربن و زیست‌توده تبدیل شوند. بیوپلاستیک‌های صنعتی، برخلاف نمونه‌های آزمایشی یا محدود، برای تولید انبوه و عملکرد بالا در بخش‌هایی مانند بسته‌بندی، خودروسازی، کشاورزی و تولید تجهیزات پزشکی طراحی شده‌اند.
بیوپلاستیک‌ها شامل طیف متنوعی از مواد مانند اسید پلی‌لاکتیک (PLA)، پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات‌ها (PHA)، پلی‌اتیلن زیستی (bio-PE) و ترکیبات مبتنی بر نشاسته هستند. این مواد با استفاده از تکنیک‌های صنعتی مانند اکستروژن، قالب‌گیری تزریقی و قالب‌گیری دمشی پردازش می‌شوند که آن‌ها را برای تولید در مقیاس بزرگ مناسب می‌کند. منابع وب مانند ابرار صنعتی تأکید دارند که بیوپلاستیک‌های صنعتی راه‌حلی جامع نیستند، بلکه مجموعه‌ای از مواد متنوع هستند که برای نیازهای خاص، از فیلم‌های بسته‌بندی سخت تا پوشش‌های کشاورزی انعطاف‌پذیر، طراحی شده‌اند.
کاربردهای صنعتی بیوپلاستیک و تأثیر بر مصرف نفت
بیوپلاستیک‌ها در صنایع مختلفی نظیر بسته‌بندی، کشاورزی، پزشکی، خودروسازی، الکترونیک و نساجی به‌کار گرفته می‌شوند. در هر یک از این حوزه‌ها، جایگزینی پلاستیک‌های نفت‌پایه با بیوپلاستیک موجب کاهش مصرف مشتقات نفتی می‌شود. برای مثال در صنعت بسته‌بندی، استفاده از فیلم‌های PLA به‌جای پلی‌اتیلن یا پلی‌پروپیلن باعث کاهش چشم‌گیر مصرف سوخت‌های فسیلی می‌گردد. در صنعت خودروسازی نیز شرکت‌های پیشرو، استفاده از قطعات داخلی مبتنی بر بیوپلاستیک را آغاز کرده‌اند که این امر نه تنها وزن خودرو را کاهش می‌دهد بلکه سهم استفاده از مواد نفت‌پایه را نیز کمتر می‌کند.
تاریخچه و تکامل بیوپلاستیک‌های صنعتی
بیوپلاستیک‌ها کاملاً جدید نیستند. مواد طبیعی مانند شلاک و سلولز در قرن نوزدهم به‌عنوان پلاستیک استفاده می‌شدند و پیش از پلاستیک‌های مصنوعی مبتنی بر سوخت‌های فسیلی وجود داشتند. اولین بیوپلاستیک مدرن، سلولوید، که از سلولز گیاهی به دست می‌آمد، در دهه 1860 برای کاربردهایی مانند فیلم عکاسی معرفی شد. با این حال، کشف نفت ارزان در اواخر قرن نوزدهم، توجه را به پلاستیک‌های مبتنی بر سوخت‌های فسیلی معطوف کرد و بیوپلاستیک‌ها برای دهه‌ها به حاشیه رفتند.
بحران‌های نفتی دهه 1970 و افزایش آگاهی زیست‌محیطی، علاقه به بیوپلاستیک‌ها را دوباره برانگیخت. در دهه 1920، پلی‌هیدروکسی‌بوتیرات (PHB)، یک پلی‌استر زیست‌تخریب‌پذیر که توسط باکتری‌ها تولید می‌شود، توسط دانشمند فرانسوی موریس لموین کشف شد، هرچند تا مدت‌ها فقط یک موضوع علمی باقی ماند. در دهه 1980، شرکت‌ها شروع به بررسی بیوپلاستیک‌هایی مانند PLA کردند که از اسید لاکتیک تخمیر شده از ذرت یا نیشکر به دست می‌آمد. وب‌سایت Bioplastics News اشاره می‌کند که تلاش‌های اولیه صنعتی به دلیل هزینه‌های بالا و فناوری‌های محدود پردازش، به کاربردهای خاص محدود بود.
قرن بیست‌ویکم نقطه عطفی برای بیوپلاستیک‌های صنعتی بود. پیشرفت‌ها در زیست‌فناوری، مانند استفاده از میکروارگانیسم‌های اصلاح‌شده ژنتیکی و بهینه‌سازی فرآیندهای تخمیر، هزینه‌های تولید را کاهش داد. شرکت‌هایی مانند NatureWorks (ایالات متحده) و TotalEnergies Corbion (هلند) تولید PLA را گسترش دادند، در حالی که BASF و Novamont در زمینه بیوپلاستیک‌های مبتنی بر نشاسته و PHA پیشگام شدند.
انواع بیوپلاستیک‌های صنعتی
بیوپلاستیک‌های صنعتی بر اساس منبع (زیستی‌محور یا مبتنی بر سوخت فسیلی) و قابلیت تجزیه‌پذیری (زیست‌تخریب‌پذیر یا غیرقابل‌تجزیه) دسته‌بندی می‌شوند. در زیر به انواع اصلی مورد استفاده در صنایع پرداخته‌ایم:
1. اسید پلی‌لاکتیک (PLA)
PLA از قندهای تخمیر شده گیاهان (مانند ذرت یا نیشکر) تولید می‌شود و در شرایط کمپوست صنعتی زیست‌تخریب‌پذیر است. این ماده شفافیت و سختی مشابه پلی‌استایرن (PS) دارد و در بسته‌بندی مواد غذایی، کارد و چنگال یک‌بارمصرف و رشته‌های چاپ سه‌بعدی استفاده می‌شود. با این حال، PLA برای تجزیه زیستی به دماهای بالا (حدود 60 درجه سانتی‌گراد) نیاز دارد که تجزیه آن را در محیط‌های طبیعی محدود می‌کند.
2. پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات‌ها (PHA)
PHA خانواده‌ای از پلی‌استرهای زیست‌تخریب‌پذیر است که از طریق تخمیر باکتریایی قندها یا لیپیدها تولید می‌شود. برخلاف PLA، PHA در خاک، محیط‌های دریایی و سیستم‌های کمپوست خانگی تجزیه می‌شود. تطبیق‌پذیری PHA آن را برای کاربردهایی مانند ایمپلنت‌های پزشکی، فیلم‌های کشاورزی و بسته‌بندی مناسب می‌کند، هرچند هزینه‌های بالای تولید همچنان مانعی برای استفاده گسترده است.
3. پلی‌اتیلن زیستی (Bio-PE) و پلی‌پروپیلن زیستی (Bio-PP)
Bio-PE و Bio-PP از نظر شیمیایی مشابه همتایان مبتنی بر سوخت فسیلی خود هستند اما از بیواتانول (به‌دست‌آمده از نیشکر یا ذرت) تولید می‌شوند. این مواد زیست‌تخریب‌پذیر نیستند اما با استفاده از منابع تجدیدپذیر، انتشار کربن را کاهش می‌دهند. Bio-PE در بطری‌ها، کیسه‌ها و فیلم‌ها استفاده می‌شود و شرکت‌هایی مانند Braskem در برزیل پیشرو در تولید آن هستند.
4. بیوپلاستیک‌های مبتنی بر نشاسته
نشاسته، که از ذرت، سیب‌زمینی یا گندم به دست می‌آید، با پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر مانند PLA یا پلی‌بوتیلن آدیپات ترفتالات (PBAT) ترکیب می‌شود تا فیلم‌های انعطاف‌پذیر و مواد بسته‌بندی تولید کند. Mater-Bi شرکت Novamont نمونه‌ای برجسته است که در کیسه‌های کمپوست‌پذیر و پوشش‌های کشاورزی استفاده می‌شود.
5. بیوپلاستیک‌های مبتنی بر سلولز
سلولز، استخراج‌شده از خمیر چوب یا پنبه، برای تولید فیلم‌هایی مانند سلوفان و استات برای بسته‌بندی و منسوجات استفاده می‌شود. این مواد زیست‌تخریب‌پذیر و قابل بازیافت هستند اما به دلیل پیچیدگی‌های پردازش، در کاربردهای صنعتی با حجم بالا کمتر رایج‌اند.
6. بیوپلاستیک‌های نوظهور دیگر
- پلی‌بوتیلن سوکسینات (PBS): زیست‌تخریب‌پذیر و برای فیلم‌های کشاورزی و بسته‌بندی استفاده می‌شود.
- پلی‌اتیلن فوران‌وات (PEF): جایگزین زیستی‌محور برای PET با خواص محافظتی برتر، که انتظار می‌رود تا سال 2026 وارد بازار شود.
- بیوپلاستیک‌های مبتنی بر پروتئین: مشتق‌شده از سویا یا گلوتن، این مواد هنوز در مرحله آزمایشی هستند اما برای کاربردهای خاص نویدبخش‌اند.
فرآیندهای تولید بیوپلاستیک‌های صنعتی
تولید بیوپلاستیک‌های صنعتی شامل چندین مرحله است که زیست‌فناوری و پردازش صنعتی را ترکیب می‌کند:
تأمین مواد اولیه
مواد اولیه مانند ذرت، نیشکر یا ضایعات زیست‌توده (مانند ضایعات غذایی یا خاک‌اره) برداشت یا جمع‌آوری می‌شوند. منابع وب تأکید دارند که تأمین پایدار مواد اولیه برای جلوگیری از رقابت با تولید غذا حیاتی است. مواد اولیه نسل دوم، مانند ضایعات کشاورزی، به‌طور فزاینده‌ای برای حل این نگرانی استفاده می‌شوند.
تخمیر و سنتز پلیمر
- PLA: ذرت یا نیشکر آسیاب می‌شود تا نشاسته استخراج شود، که به گلوکز تبدیل شده و به اسید لاکتیک تخمیر می‌شود. اسید لاکتیک سپس به گلوله‌های PLA پلیمریزه می‌شود.
- PHA: باکتری‌هایی مانند Cupriavidus necator قندها یا روغن‌ها را تخمیر می‌کنند تا گرانول‌های PHA تولید کنند، که استخراج و خالص‌سازی می‌شوند.
- Bio-PE: نیشکر به بیواتانول تخمیر می‌شود، به اتیلن دهیدراته شده و به پلی‌اتیلن پلیمریزه می‌شود.
پردازش و تولید
گلوله‌های بیوپلاستیک با استفاده از تکنیک‌های استاندارد تولید پلاستیک مانند اکستروژن (برای فیلم‌ها)، قالب‌گیری تزریقی (برای قطعات سخت) یا ترموفرمینگ (برای ظروف) پردازش می‌شوند. بیوپلاستیک‌ها اغلب به تجهیزات تخصصی نیاز دارند تا خواص حرارتی منحصربه‌فرد آن‌ها را مدیریت کنند، هرچند بسیاری می‌توانند با تنظیمات روی خطوط موجود پردازش شوند.
کنترل کیفیت و صدور گواهینامه
بیوپلاستیک‌های صنعتی تحت آزمایش‌های دقیق قرار می‌گیرند تا استانداردهایی مانند EN 13432 (اروپا) یا ASTM D6400 (ایالات متحده) برای زیست‌تخریب‌پذیری و کمپوست‌پذیری را برآورده کنند. گواهینامه‌هایی از نهادهایی مانند TÜV Austria انطباق با ادعاهای زیست‌محیطی را تضمین می‌کنند.
اثرات زیست‌محیطی و راهبردی کاهش وابستگی به نفت
یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های قرن حاضر، آلودگی‌های ناشی از مصرف بی‌رویه پلاستیک‌های نفت‌پایه است. از سوی دیگر، نوسانات قیمت نفت، وابستگی ژئوپلیتیک و کمبود منابع طبیعی نیز بر اهمیت یافتن جایگزین‌های پایدار افزوده است. بیوپلاستیک‌ها با فراهم کردن مسیری برای کاهش مصرف نفت، هم به کاهش گازهای گلخانه‌ای کمک می‌کنند و هم باعث کاهش زباله‌های تجزیه‌ناپذیر می‌شوند. این ویژگی‌ها در سطح راهبردی نیز اهمیت دارند، چرا که کشورهای فاقد منابع فسیلی می‌توانند با توسعه فناوری‌های زیستی، وابستگی خود به واردات نفت را کاهش داده و به خودکفایی صنعتی دست یابند.
چالش‌ها و محدودیت‌های توسعه بیوپلاستیک صنعتی
در کنار تمام مزایا، توسعه بیوپلاستیک‌های صنعتی با چالش‌هایی نیز همراه است. مهم‌ترین این چالش‌ها شامل هزینه بالای تولید، رقابت با منابع غذایی، نیاز به زیرساخت‌های صنعتی مناسب، و نبود استانداردهای جهانی فراگیر برای تجزیه‌پذیری است. همچنین در برخی موارد، عملکرد مکانیکی یا حرارتی بیوپلاستیک‌ها نسبت به پلاستیک‌های سنتی ضعیف‌تر است و این موضوع نیاز به بهینه‌سازی فرمولاسیون و توسعه نسل‌های جدید این پلیمرها را مطرح می‌کند. با این حال، روند رو به رشد تقاضا و سرمایه‌گذاری‌های مستمر در این حوزه، نویدبخش آینده‌ای روشن برای حل این مشکلات است.
موارد استفاده از بیوپلاستیک صنعتی
بیوپلاستیک‌های صنعتی در صنایع مختلف جایگزین پلاستیک‌های معمولی شده‌اند.
1. بسته‌بندی
بسته‌بندی بیش از 60 درصد استفاده از بیوپلاستیک‌ها را تشکیل می‌دهد. PLA و فیلم‌های مبتنی بر نشاسته برای ظروف غذایی، بسته‌بندی‌ها و کیسه‌های کمپوست‌پذیر استفاده می‌شوند، در حالی که Bio-PE در بطری‌ها و کیسه‌های انعطاف‌پذیر رایج است. به عنوان مثال، بطری PlantBottle شرکت کوکاکولا از Bio-PET استفاده می‌کند.
2. کشاورزی
فیلم‌های مالچ زیست‌تخریب‌پذیر ساخته‌شده از PLA، PBAT یا PHA زباله‌های پلاستیکی در کشاورزی را کاهش می‌دهند. این فیلم‌ها در خاک تجزیه می‌شوند و نیازی به جمع‌آوری ندارند.
3. خودروسازی
پلاستیک‌های زیستی مانند Bio-PP و کامپوزیت‌های PLA در فضای داخلی خودرو (مانند داشبورد و روکش) برای کاهش وزن و انتشار گازها استفاده می‌شوند. تویوتا و فورد در مدل‌هایی مانند پریوس از بیوپلاستیک‌ها بهره برده‌اند.
4. پزشکی و دارویی
سازگاری زیستی PHA آن را برای بخیه‌ها، ایمپلنت‌ها و سیستم‌های تحویل دارو مناسب می‌کند. PLA در دستگاه‌های پزشکی قابل‌حل استفاده می‌شود.
5. منسوجات
پلی‌آمیدهای زیستی (از روغن کرچک) و فیبرهای PLA در لباس، فرش و روکش مبلمان استفاده می‌شوند و جایگزین پایداری برای نایلون و پلی‌استر ارائه می‌دهند.
6. کالاهای مصرفی
از کارد و چنگال یک‌بارمصرف گرفته تا رشته‌های چاپ سه‌بعدی و اسباب‌بازی‌ها، بیوپلاستیک‌هایی مانند PLA و ترکیبات نشاسته‌ای در محصولات روزمره رایج‌تر شده‌اند.
7. ساخت‌وساز و الکترونیک
کاربردهای نوظهور شامل مواد عایق زیستی‌محور و پوسته‌های دستگاه‌های الکترونیکی است، هرچند به دلیل نیازهای عملکردی کمتر رایج‌اند.
منبع: ابرار صنعتی
