ادغام بسته بندي ها و مواد زيست پايه – حال و آينده
۱۳۸۸/۱۰/۱۹
خلاصه:
32% از مواد زايد در آمريكا ظروف و بسته بندي ها هستند. در حدود 65% از اين مقدار را مواد زيست پايه مانند كاغذ، مقوا، چوب و بقيه آن را شيشه، فلزات و پلاستيك ها تشكيل مي-دهند. شيشه ها و فلزات بسيار فراوان هستند. اما پلاستيك ها از منايع نفتي محدود بدست مي آيند. به همين دليل براي كاهش وابستگي به منابع نفتي تمايل زيادي جهت ساخت بسپارهاي زيست پايه وجود دارد. در اين مقاله مروري بر پيشرفت هاي اخير در استفاده از بسپارهاي زيستي در كاربردهاي بسته بندي و پايداري اين بسته بندي ها شده و تحليلي از زندگي آنها از بدو تولد تا مرگ (مرحله به مرحله) و هم چنين قوانين مربوط به اين مواد ارائه مي گردد.
معرفي :
مقدار ضايعات جامد شهري (MSW) در سال 2005 به 7/245 ميليون تن رسيد كه 54% از آن در خاک چال ها دفن مي شدند . ظروف و بسته بندي ها 31% از كل مقدار MSW را در آن سال تشكيل مي دادند. اين اعداد نشان مي دهند كه چرا تمايل به كاهش و حذف مقدار بسته بندي هاي دفن شده در خاک چال ها بسيار زياد است.
در سال 2005، 76 ميليون تن از مواد زايد، بسته بندي ها بودند كه 14% از آن شيشه، 3% فولاد، 5/2% آلومينيوم، 51% كاغذ و مقوا ، 18% پلاستيك ، 11% چوب و 5/0% از آن را مواد متفرقه تشكيل مي دادند. از ميان اين مواد با درصدهاي مختلف، 25% از شيشه ها، 5/63% از فولاد، 36% از آلومينيوم، 58% از كاغذ و مقواها، 10% از پلاستيك ها و 5% از چوب ها با روش هايي مانند بازگردانی، سوزاندن و يا كمپوست شدن دوباره به مواد قابل استفاده تبديل مي شوند.
اكثر مواد مورد استفاده در ساخت بسته بندي ها بازيافت شدنی هستند. براي مثال در سال 2005، مقواهای موجدار تا 71% بازيافت شدند. با آلوده شدن بسته بندی ها، مانند بسپار و كاغذ، با غذاها، داروها و يا ساير مواد زيستي، بازيافت فيزيكي اين مواد غيرعملي مي شود. بنابراين مجبور به دفن آنها مي شوند. براي مثال در سال 2005، میزان بازيافت بسپارها كمتر از 10% بود. از آنجايي كه خاک چال ها فضاي بسيار زيادي را اشغال كرده و گازهاي گلخانه اي و ساير آلاینده ها را توليد مي كنند، روش هاي بازيافت مانند دوباره استفاده كردن، بازگردانی يا كمپوست شدن راه هايي براي كاهش دورريز ضايعات بسته بندي ها به حساب مي آيند.
قرن هاست كه بسته بندي ها را از منابع تجديدپذير مانند كاغذ، مقوا، ورق هاي لیفی موجدار و چوب مي سازند. در طول قرن اخير، بعد از اختراع بسپارها حركت به سوي استفاده از اين مواد براي كاربردهاي بسته بندي زياد و زيادتر شد. بسپارها مزاياي بيشتري نسبت به ساير مواد بسته بندي متداول دارند مانند وزن كم، قابلیت تغییرخواص سدگری، قابليت چاپ خوب، قابليت آب بندي و توليد انعطاف پذير. البته اين مواد معايبي هم دارند كه از آن جمله مي توان به توليد آنها از منابع تجديدناپذير و بازيافت مشكل شان اشاره كرد.
با توجه به معايب ذكر شده انگيزه زيادي براي توليد و استفاده از بسپارهاي ساخته شده از منابع تجديدپذير به دليل ويژگي منحصر به فردشان در كمپوست شدن وجود دارد. علاوه براين احتمال كاهش مصرف نفت با توليد اين نوع بسپارها بسيار زياد مي شود. ذكر اين نكته مهم است كه تنها 7% از كل نفت مصرفي براي توليد مواد شيميايي كه شامل پلاستيك ها نيز مي باشد، استفاده مي شود اما همين 7% ارزش افزوده اي معادل 225 ميليارد دلار در سال 2005 ايجاد كرده است.
در گزارشي از Parrika آمده كه كل پتانسيل انرژي مواد زيستي پايدار در حدود ژول در سال است كه تنها 40% از آن مورد استفاده قرار مي گيرد. گياهان، جلبك ها و بعضي باكتري ها از نور خورشيد به عنوان انرژي استفاده کرده و مواد معدني را به كربن آلي تبديل مي كنند. بيش از سال طول مي كشد تا اين مواد آلي، فسيل شده و به نفت، زغال و گاز طبيعي تبديل شوند. انسان از اين منابع تجديد ناپذير سوخت، مواد شيميايي و بسپارها را ساخته و در مدت زماني برابر با 10 سال اين كربن را به هوا منتقل مي كند. Narayan معتقد است كه عدم تعادل زماني بين توليد كربن و آزادسازي آن مشكل به وجود مي آورد. او هم چنين ادعا كرده است كه با استفاده از منابع تجديد پذير مانند محصولات كشاورزي يا مواد زيستي به عنوان مواد خام در هنگام توليد سوخت، مواد شيميايي و بسپارها مي توان اين مشكل را حل كرد. بنابراين سرعت توليد كربن در حدود 10 سال شده و مشكل عدم تعادل پدید آمده حل مي شود. در نهايت او نتيجه گرفته است كه مديريت درست مواد زيستي (مانند افزايش كاشت مواد زيستي نسبت به مصرف آنها) مي تواند این عدم تعادل را معكوس كرده و تجزيه گياهان به بيشتر از آزادسازي آن شود. براي حركت در اين مسير بايد چند نكته را مورد توجه قرار داد. نكته اول در اختيار نداشتن مواد زيستي كافي براي جايگزين شدن به جاي منابع تجديدناپذير است، براي مثال كل اتانول توليدي در سال 2005 (4 ميليارد گالن) تنها جايگزين 3% از 140 ميليارد گالن بنزين مورد استفاده در آمريكا در همان سال شد. بنابراين بايد تمركز بيشتري بر استفاده از مواد زيست پايه براي محصولات با ارزش افزوده بالاتر كرد. دومين نكته آن است كه رشد محصولات كشاورزي نياز به استفاده فراوان از علف كش ها و حشره كش ها دارد که این مواد باعث فرسايش خاك مي شوند. به همين دليل مي بايست از روش هاي بهتري مانند استفاده از سلولز و ليگنين براي توليد محصولات وابسته استفاده كرد. نكته سوم لزوم برآورد دوره زندگي يا طول عمر مواد زيستي جايگزين قبل از به كار بردن آنها به جاي مواد متداول است.
توليد مواد زيستي
توسعه مواد زيست پايه بر استفاده از مواد خامي چون نشاسته، پروتئين سويا و سلولز براي توليد بسپارهاي زيستي يا تركيبات شيميايي پايه متمركز شده است. توليد پلي استرهايي كه از طريق واكنش های انجام شده داخل برخي باكتري ها به وجود مي-آيند هم به عنوان روشي براي توليد بسپارهاي زيستي پذيرفته شده است.
در گزارشي با عنوان "مواد شيميايي ساخته شده از مواد زيستي با ارزش افزوده بالا" كه در سال 2004 توسط سازمان انرژي آمريكا منتشر شده است، دوازده عنصر شيميايي بدست آمده از شكر كه از طريق تبديل هاي شيميايي يا زيستي به وجود آمده اند، معرفي شده اند (مانند 1و4- دي اسيدها، 2و5- فوران، 3 هيدروكسي، اسپارتيك،گلوكاريك، گلوماتيك، ايتاكونيك، لولينيك اسيدها، 3-هيدروكسي بوتيرولاكتون، گليسرول، سوربيتول، زايليتول). بسياري از اين مواد شيميايي مي توانند به مواد شيميايي ثانويه يا خانواده هاي مشتقات آنها براي بدست آوردن تکپارهاي زيستي و در نتيجه توليد بسپارهاي زيستي تبديل شوند.
خواص مواد زيست پايه
بسپارهاي زيستي مانند بسپارهاي بر پايه نشاسته، پلي لاكتيک اسید (PLA)، پلي كاپرولاكتون (PCL) و پلي هيدروكسي بوتيرات (PHA) به ميزان زيادي در حال استفاده در كاربردهاي بسته بندي غذايي، بهداشتي و وسايل مصرفي هستند. مدول کشسانی PLA مشابه PS و PHB است و به همين دليل اين اين بسپار گزينه مناسبي براي جاي گزيني بسپارهاي پايه نفتي در صنعت بسته بندي غذا كه نياز به طول عمر كم دارند ( مانند ظروف مواد غذايي تازه، ليوان هاي نوشيدني، ليوان هاي بستني، فيلم هاي چند لايه و چسب زخم) به شمار مي رود. با وجود آن كه PLA يك بسپار زيستي و تجاري مهم در صنعت بسته بندي است، مشكلاتي چون دماي تغيير شكل حرارتي کم (كمتر از ºC 55) و نفوذپذيري كمتر آن نسبت به اكسيژن و آب استفاده از آن را در ساير كاربردهاي بسته بندي محدود كرده است. از PCL و Ecoflax هم براي توليد كيسه هاي زباله و فيلم هايي كه قابلیت افزایش طول يكي از شرايط مهم آنها محسوب مي شود، استفاده مي كنند.
قابليت كمپوست شدن بسپارهاي زيست پايه
يكي از جذابيت هاي بسپارهاي زيست پايه براي استفاده در صنايع بسته بندي قابليت كمپوست شدن این مواد است. كمپوست شدن يك فرآيند طبيعي است كه طي آن ماده آلی به يك ماده خاك مانند به نام گياه خاك يا لاشبرگ ( خاك داراي مواد گياهي و حيواني) تبديل مي شود. قسمت عمده فرآیند تجزيه توسط ریزجانداران كه شامل باكتري ها، قارچ ها و باكتري هاي ميله اي می باشد، انجام مي شود. اين ریزجانداران از مواد آلي به عنوان منبع غذايي خود استفاده و توليد مي كنند و در نهايت به لاشبرگ (گياخاك) تبديل مي شوند.
بر اساس استاندارد ASTM D 6400 يك پلاستيك كمپوست شونده پلاستيكي است كه توسط فرآيندهاي زيستي در حين كمپوست شدن تخريب شده و دي اكسيدكربن، آب، تركيبات معدني و مواد زيستي با سرعتي سازگار با ساير مواد كمپوست شونده شناخته شده، تولید كند و در نهایت هيچ پسماند سمي يا قابل مشاهده اي از خود باقي نگذارد. بنابراين همه پلاستيك هاي كمپوست شونده زيست تخريب پذير هستند اما عكس آن صادق نيست.
زيست تخريب پذيري پلاستيك ها علاوه بر محيطي كه در آن قرار داده مي شوند به طبيعت شيميايي بسپار نیز بستگي دارد. زيست-تخريب پذيري يك واكنش آنزيمي است، بنابراين منحصر به ساختارهاي شيميايي و اتصالات بسپار مي شود. اين پديده توسط سازوکارهاي مختلفي اتفاق مي افتد. يك سازوکار رایج زیست-تخریب پذیری آبکافت است كه طي آن شكست تصادفي زنجيرهاي غيرآنزيمي گروه هاي استري باعث كاهش وزن مولكولي مي شود. بسپارهاي زيست تخريب پذير معمولاً داراي اتصالات استري، آميدي يا كربنات-هاي قابل آبکافت در زنجيره اصلي خود هستند. وجود اين گروه-هاي عاملي آبکافت شونده استعداد زيست تخريب پذيري را افزايش مي دهد. ساير عوامل موثر بر زيست تخريب پذيري شامل بلورينگي، وزن مولكولي و در مورد همبسپارها، تركيب همبسپار مي باشد.
براي ارزيابي قابليت زيست تخريب پذيري بسپارها در محيط هاي مختلف مانند كمپوست شدن، گوارش بي هوازي، تصفیه فاضلاب، استانداردهاي ASTM و ISO پيشرفت هايي داشته اند. در استاندارد ASTM D6400 توضيح داده مي شود كه يك محصول در صورتي كمپوست شونده است كه آزمايش هاي تلاشي، زيست تخريب پذيري و ايمني در آب و خشكي را در مقياس كنترل شده آزمايشگاهي پشت سر بگذارد. به طور مشابه استانداردي در ISO (EN 13432) تعريف شده كه مخصوص بسته بندي هاست و قابليت كمپوست شوندگي بسته بندي ها را بر اساس ويژگي ها، زيست تخريب پذيري، تلاشي و كيفيت كمپوست شدن آنها بررسي مي كند. علاوه بر اين يك استاندارد ASTM جديد با شماره D6866 نیز ميزان تركيبات زيست پايه را در يك بسپار با همسان و كمي كردن نسبت ، از آن جايي كه در بسپارهاي پايه نفتی موجود نيست، بررسي مي كند.
در حال حاضر تعدادي نظام های اعتباربخشی كه برچسب هاي بسته بندي با قابليت كمپوست شوندگي را تهيه مي كنند، در سراسر جهان تاسيس شده اند. بعضي از اين نظام ها عبارتند از گواهینامه DIN CERTCO بر پايه DIN EN 13432 ، گواهینامه AIB Vincotte (بلژيك) بر اساس EN 13432، گواهینامه كمپوست شوندگي توسط انجمن كمپوست شوندگي آمريكا بر اساس ASTM D6400 و گواهينامه GreenPla توسط انجمن زيست تخريب پذيري بسپارها (ژاپن) بر اساس JIS K6953.
مطالعات LCA بسپارهاي زيست پايه كاهش اثر محيطي و استفاده از انرژي را برای این مواد در مقايسه با بسپارهاي پايه نفتي نشان مي دهد. براي مثال، پلي لاكتيد(PLA) مشتق از نشاسته، GJ/ton 0 انرژي ماده خام و GJ/ton 53 انرژي فرآيندي مصرف مي كند در حالي كه PET، GJ/ton 39 انرژي ماده خام و GJ/ton 38 انرژي فرآيندي استفاده مي كند.
آينده بسپارهاي زيست پايه
با وجود آن كه بازيافت بسپارهاي زيست پايه از نظر انرژي مطلوب تر از كمپوست شدن آن هاست، اما به علت نياز اين روش به تميز و مرتب كردن مواد ممكن است خيلي عملي نباشد. جاي گزين عملي روش بازيافت، كمپوست شدن است. در حال حاضر سامانه ای براي جمع آوري و كمپوست كردن بسپارهای زيست پايه موجود نيست، بنابراين مزيت اصلي اين مواد داد و ستد محيطي و سبزشان به دليل ارزش بالاي سوختي آنها می باشد. نکته مخاطره-آميز اين ادعا آن است به جاي يافتن راه حلي مناسب براي بسته بندي های پايدار، در واقع يك مشكل بسته بندي به وجود آمده است. بسته بندي هاي كمپوست شونده زمانی يك جاي گزين ارزشمند هستند که فهم درست و آشکاری از زندگی مرحله به مرحله (بدو تولد تا مرگ) آنها وجود داشته باشد. در حال حاضر كشور آلمان در صدر كشورهاي دنيا براي استفاده از اين نوآوري و به كار گرفتن مزاياي كاربردي مواد زيست پايه مي-باشد.
با توجه به مطالب گفته شده مي توان نتيجه گرفت كه انتخاب بسپارهاي زيست پايه در صنعت بسته بندي موجب افزايش مطالعات براي پيدا كردن جاي گزين هاي عملي ای است كه روش مرحله به مرحله استفاده از آنها پايداری بيشتري نسبت به منابع تجديدناپذير دارد. علاوه بر اين كمپوست شدن مي تواند يك روش غالب براي حذف ضايعات بسته بندي ها باشد تا صنايع، دولت-ها و مصرف كنندگان بتوانند به خوبی از آن بهره ببرند.
واژه نامه
مواد زيستي Biomaterials
بسپارهاي زيستي Biopolymers
منابع زيست پايه Biobased resources
پايداري Sustainability
مرحله به مرحله Cradle to cradle
ضايعات جامد شهري Municipal solid waste (MSW)
كمپوست شدن (تجزيه پذيري زيستي) Composting
ازدياد طول در شكست Elongation at break
دمای تغيير شکل حرارتی Heat distortion temperature
لاشبرگ Humus
باكتري ميله اي شكل Actinomecete
آبکافت Hydrolysis
گوارش بي هوازي Anaerobic digestion
تصفیه فاضلاب Wastewater treatment
32% از مواد زايد در آمريكا ظروف و بسته بندي ها هستند. در حدود 65% از اين مقدار را مواد زيست پايه مانند كاغذ، مقوا، چوب و بقيه آن را شيشه، فلزات و پلاستيك ها تشكيل مي-دهند. شيشه ها و فلزات بسيار فراوان هستند. اما پلاستيك ها از منايع نفتي محدود بدست مي آيند. به همين دليل براي كاهش وابستگي به منابع نفتي تمايل زيادي جهت ساخت بسپارهاي زيست پايه وجود دارد. در اين مقاله مروري بر پيشرفت هاي اخير در استفاده از بسپارهاي زيستي در كاربردهاي بسته بندي و پايداري اين بسته بندي ها شده و تحليلي از زندگي آنها از بدو تولد تا مرگ (مرحله به مرحله) و هم چنين قوانين مربوط به اين مواد ارائه مي گردد.
معرفي :
مقدار ضايعات جامد شهري (MSW) در سال 2005 به 7/245 ميليون تن رسيد كه 54% از آن در خاک چال ها دفن مي شدند . ظروف و بسته بندي ها 31% از كل مقدار MSW را در آن سال تشكيل مي دادند. اين اعداد نشان مي دهند كه چرا تمايل به كاهش و حذف مقدار بسته بندي هاي دفن شده در خاک چال ها بسيار زياد است.
در سال 2005، 76 ميليون تن از مواد زايد، بسته بندي ها بودند كه 14% از آن شيشه، 3% فولاد، 5/2% آلومينيوم، 51% كاغذ و مقوا ، 18% پلاستيك ، 11% چوب و 5/0% از آن را مواد متفرقه تشكيل مي دادند. از ميان اين مواد با درصدهاي مختلف، 25% از شيشه ها، 5/63% از فولاد، 36% از آلومينيوم، 58% از كاغذ و مقواها، 10% از پلاستيك ها و 5% از چوب ها با روش هايي مانند بازگردانی، سوزاندن و يا كمپوست شدن دوباره به مواد قابل استفاده تبديل مي شوند.
اكثر مواد مورد استفاده در ساخت بسته بندي ها بازيافت شدنی هستند. براي مثال در سال 2005، مقواهای موجدار تا 71% بازيافت شدند. با آلوده شدن بسته بندی ها، مانند بسپار و كاغذ، با غذاها، داروها و يا ساير مواد زيستي، بازيافت فيزيكي اين مواد غيرعملي مي شود. بنابراين مجبور به دفن آنها مي شوند. براي مثال در سال 2005، میزان بازيافت بسپارها كمتر از 10% بود. از آنجايي كه خاک چال ها فضاي بسيار زيادي را اشغال كرده و گازهاي گلخانه اي و ساير آلاینده ها را توليد مي كنند، روش هاي بازيافت مانند دوباره استفاده كردن، بازگردانی يا كمپوست شدن راه هايي براي كاهش دورريز ضايعات بسته بندي ها به حساب مي آيند.
قرن هاست كه بسته بندي ها را از منابع تجديدپذير مانند كاغذ، مقوا، ورق هاي لیفی موجدار و چوب مي سازند. در طول قرن اخير، بعد از اختراع بسپارها حركت به سوي استفاده از اين مواد براي كاربردهاي بسته بندي زياد و زيادتر شد. بسپارها مزاياي بيشتري نسبت به ساير مواد بسته بندي متداول دارند مانند وزن كم، قابلیت تغییرخواص سدگری، قابليت چاپ خوب، قابليت آب بندي و توليد انعطاف پذير. البته اين مواد معايبي هم دارند كه از آن جمله مي توان به توليد آنها از منابع تجديدناپذير و بازيافت مشكل شان اشاره كرد.
با توجه به معايب ذكر شده انگيزه زيادي براي توليد و استفاده از بسپارهاي ساخته شده از منابع تجديدپذير به دليل ويژگي منحصر به فردشان در كمپوست شدن وجود دارد. علاوه براين احتمال كاهش مصرف نفت با توليد اين نوع بسپارها بسيار زياد مي شود. ذكر اين نكته مهم است كه تنها 7% از كل نفت مصرفي براي توليد مواد شيميايي كه شامل پلاستيك ها نيز مي باشد، استفاده مي شود اما همين 7% ارزش افزوده اي معادل 225 ميليارد دلار در سال 2005 ايجاد كرده است.
در گزارشي از Parrika آمده كه كل پتانسيل انرژي مواد زيستي پايدار در حدود ژول در سال است كه تنها 40% از آن مورد استفاده قرار مي گيرد. گياهان، جلبك ها و بعضي باكتري ها از نور خورشيد به عنوان انرژي استفاده کرده و مواد معدني را به كربن آلي تبديل مي كنند. بيش از سال طول مي كشد تا اين مواد آلي، فسيل شده و به نفت، زغال و گاز طبيعي تبديل شوند. انسان از اين منابع تجديد ناپذير سوخت، مواد شيميايي و بسپارها را ساخته و در مدت زماني برابر با 10 سال اين كربن را به هوا منتقل مي كند. Narayan معتقد است كه عدم تعادل زماني بين توليد كربن و آزادسازي آن مشكل به وجود مي آورد. او هم چنين ادعا كرده است كه با استفاده از منابع تجديد پذير مانند محصولات كشاورزي يا مواد زيستي به عنوان مواد خام در هنگام توليد سوخت، مواد شيميايي و بسپارها مي توان اين مشكل را حل كرد. بنابراين سرعت توليد كربن در حدود 10 سال شده و مشكل عدم تعادل پدید آمده حل مي شود. در نهايت او نتيجه گرفته است كه مديريت درست مواد زيستي (مانند افزايش كاشت مواد زيستي نسبت به مصرف آنها) مي تواند این عدم تعادل را معكوس كرده و تجزيه گياهان به بيشتر از آزادسازي آن شود. براي حركت در اين مسير بايد چند نكته را مورد توجه قرار داد. نكته اول در اختيار نداشتن مواد زيستي كافي براي جايگزين شدن به جاي منابع تجديدناپذير است، براي مثال كل اتانول توليدي در سال 2005 (4 ميليارد گالن) تنها جايگزين 3% از 140 ميليارد گالن بنزين مورد استفاده در آمريكا در همان سال شد. بنابراين بايد تمركز بيشتري بر استفاده از مواد زيست پايه براي محصولات با ارزش افزوده بالاتر كرد. دومين نكته آن است كه رشد محصولات كشاورزي نياز به استفاده فراوان از علف كش ها و حشره كش ها دارد که این مواد باعث فرسايش خاك مي شوند. به همين دليل مي بايست از روش هاي بهتري مانند استفاده از سلولز و ليگنين براي توليد محصولات وابسته استفاده كرد. نكته سوم لزوم برآورد دوره زندگي يا طول عمر مواد زيستي جايگزين قبل از به كار بردن آنها به جاي مواد متداول است.
توليد مواد زيستي
توسعه مواد زيست پايه بر استفاده از مواد خامي چون نشاسته، پروتئين سويا و سلولز براي توليد بسپارهاي زيستي يا تركيبات شيميايي پايه متمركز شده است. توليد پلي استرهايي كه از طريق واكنش های انجام شده داخل برخي باكتري ها به وجود مي-آيند هم به عنوان روشي براي توليد بسپارهاي زيستي پذيرفته شده است.
در گزارشي با عنوان "مواد شيميايي ساخته شده از مواد زيستي با ارزش افزوده بالا" كه در سال 2004 توسط سازمان انرژي آمريكا منتشر شده است، دوازده عنصر شيميايي بدست آمده از شكر كه از طريق تبديل هاي شيميايي يا زيستي به وجود آمده اند، معرفي شده اند (مانند 1و4- دي اسيدها، 2و5- فوران، 3 هيدروكسي، اسپارتيك،گلوكاريك، گلوماتيك، ايتاكونيك، لولينيك اسيدها، 3-هيدروكسي بوتيرولاكتون، گليسرول، سوربيتول، زايليتول). بسياري از اين مواد شيميايي مي توانند به مواد شيميايي ثانويه يا خانواده هاي مشتقات آنها براي بدست آوردن تکپارهاي زيستي و در نتيجه توليد بسپارهاي زيستي تبديل شوند.
خواص مواد زيست پايه
بسپارهاي زيستي مانند بسپارهاي بر پايه نشاسته، پلي لاكتيک اسید (PLA)، پلي كاپرولاكتون (PCL) و پلي هيدروكسي بوتيرات (PHA) به ميزان زيادي در حال استفاده در كاربردهاي بسته بندي غذايي، بهداشتي و وسايل مصرفي هستند. مدول کشسانی PLA مشابه PS و PHB است و به همين دليل اين اين بسپار گزينه مناسبي براي جاي گزيني بسپارهاي پايه نفتي در صنعت بسته بندي غذا كه نياز به طول عمر كم دارند ( مانند ظروف مواد غذايي تازه، ليوان هاي نوشيدني، ليوان هاي بستني، فيلم هاي چند لايه و چسب زخم) به شمار مي رود. با وجود آن كه PLA يك بسپار زيستي و تجاري مهم در صنعت بسته بندي است، مشكلاتي چون دماي تغيير شكل حرارتي کم (كمتر از ºC 55) و نفوذپذيري كمتر آن نسبت به اكسيژن و آب استفاده از آن را در ساير كاربردهاي بسته بندي محدود كرده است. از PCL و Ecoflax هم براي توليد كيسه هاي زباله و فيلم هايي كه قابلیت افزایش طول يكي از شرايط مهم آنها محسوب مي شود، استفاده مي كنند.
قابليت كمپوست شدن بسپارهاي زيست پايه
يكي از جذابيت هاي بسپارهاي زيست پايه براي استفاده در صنايع بسته بندي قابليت كمپوست شدن این مواد است. كمپوست شدن يك فرآيند طبيعي است كه طي آن ماده آلی به يك ماده خاك مانند به نام گياه خاك يا لاشبرگ ( خاك داراي مواد گياهي و حيواني) تبديل مي شود. قسمت عمده فرآیند تجزيه توسط ریزجانداران كه شامل باكتري ها، قارچ ها و باكتري هاي ميله اي می باشد، انجام مي شود. اين ریزجانداران از مواد آلي به عنوان منبع غذايي خود استفاده و توليد مي كنند و در نهايت به لاشبرگ (گياخاك) تبديل مي شوند.
بر اساس استاندارد ASTM D 6400 يك پلاستيك كمپوست شونده پلاستيكي است كه توسط فرآيندهاي زيستي در حين كمپوست شدن تخريب شده و دي اكسيدكربن، آب، تركيبات معدني و مواد زيستي با سرعتي سازگار با ساير مواد كمپوست شونده شناخته شده، تولید كند و در نهایت هيچ پسماند سمي يا قابل مشاهده اي از خود باقي نگذارد. بنابراين همه پلاستيك هاي كمپوست شونده زيست تخريب پذير هستند اما عكس آن صادق نيست.
زيست تخريب پذيري پلاستيك ها علاوه بر محيطي كه در آن قرار داده مي شوند به طبيعت شيميايي بسپار نیز بستگي دارد. زيست-تخريب پذيري يك واكنش آنزيمي است، بنابراين منحصر به ساختارهاي شيميايي و اتصالات بسپار مي شود. اين پديده توسط سازوکارهاي مختلفي اتفاق مي افتد. يك سازوکار رایج زیست-تخریب پذیری آبکافت است كه طي آن شكست تصادفي زنجيرهاي غيرآنزيمي گروه هاي استري باعث كاهش وزن مولكولي مي شود. بسپارهاي زيست تخريب پذير معمولاً داراي اتصالات استري، آميدي يا كربنات-هاي قابل آبکافت در زنجيره اصلي خود هستند. وجود اين گروه-هاي عاملي آبکافت شونده استعداد زيست تخريب پذيري را افزايش مي دهد. ساير عوامل موثر بر زيست تخريب پذيري شامل بلورينگي، وزن مولكولي و در مورد همبسپارها، تركيب همبسپار مي باشد.
براي ارزيابي قابليت زيست تخريب پذيري بسپارها در محيط هاي مختلف مانند كمپوست شدن، گوارش بي هوازي، تصفیه فاضلاب، استانداردهاي ASTM و ISO پيشرفت هايي داشته اند. در استاندارد ASTM D6400 توضيح داده مي شود كه يك محصول در صورتي كمپوست شونده است كه آزمايش هاي تلاشي، زيست تخريب پذيري و ايمني در آب و خشكي را در مقياس كنترل شده آزمايشگاهي پشت سر بگذارد. به طور مشابه استانداردي در ISO (EN 13432) تعريف شده كه مخصوص بسته بندي هاست و قابليت كمپوست شوندگي بسته بندي ها را بر اساس ويژگي ها، زيست تخريب پذيري، تلاشي و كيفيت كمپوست شدن آنها بررسي مي كند. علاوه بر اين يك استاندارد ASTM جديد با شماره D6866 نیز ميزان تركيبات زيست پايه را در يك بسپار با همسان و كمي كردن نسبت ، از آن جايي كه در بسپارهاي پايه نفتی موجود نيست، بررسي مي كند.
در حال حاضر تعدادي نظام های اعتباربخشی كه برچسب هاي بسته بندي با قابليت كمپوست شوندگي را تهيه مي كنند، در سراسر جهان تاسيس شده اند. بعضي از اين نظام ها عبارتند از گواهینامه DIN CERTCO بر پايه DIN EN 13432 ، گواهینامه AIB Vincotte (بلژيك) بر اساس EN 13432، گواهینامه كمپوست شوندگي توسط انجمن كمپوست شوندگي آمريكا بر اساس ASTM D6400 و گواهينامه GreenPla توسط انجمن زيست تخريب پذيري بسپارها (ژاپن) بر اساس JIS K6953.
مطالعات LCA بسپارهاي زيست پايه كاهش اثر محيطي و استفاده از انرژي را برای این مواد در مقايسه با بسپارهاي پايه نفتي نشان مي دهد. براي مثال، پلي لاكتيد(PLA) مشتق از نشاسته، GJ/ton 0 انرژي ماده خام و GJ/ton 53 انرژي فرآيندي مصرف مي كند در حالي كه PET، GJ/ton 39 انرژي ماده خام و GJ/ton 38 انرژي فرآيندي استفاده مي كند.
آينده بسپارهاي زيست پايه
با وجود آن كه بازيافت بسپارهاي زيست پايه از نظر انرژي مطلوب تر از كمپوست شدن آن هاست، اما به علت نياز اين روش به تميز و مرتب كردن مواد ممكن است خيلي عملي نباشد. جاي گزين عملي روش بازيافت، كمپوست شدن است. در حال حاضر سامانه ای براي جمع آوري و كمپوست كردن بسپارهای زيست پايه موجود نيست، بنابراين مزيت اصلي اين مواد داد و ستد محيطي و سبزشان به دليل ارزش بالاي سوختي آنها می باشد. نکته مخاطره-آميز اين ادعا آن است به جاي يافتن راه حلي مناسب براي بسته بندي های پايدار، در واقع يك مشكل بسته بندي به وجود آمده است. بسته بندي هاي كمپوست شونده زمانی يك جاي گزين ارزشمند هستند که فهم درست و آشکاری از زندگی مرحله به مرحله (بدو تولد تا مرگ) آنها وجود داشته باشد. در حال حاضر كشور آلمان در صدر كشورهاي دنيا براي استفاده از اين نوآوري و به كار گرفتن مزاياي كاربردي مواد زيست پايه مي-باشد.
با توجه به مطالب گفته شده مي توان نتيجه گرفت كه انتخاب بسپارهاي زيست پايه در صنعت بسته بندي موجب افزايش مطالعات براي پيدا كردن جاي گزين هاي عملي ای است كه روش مرحله به مرحله استفاده از آنها پايداری بيشتري نسبت به منابع تجديدناپذير دارد. علاوه بر اين كمپوست شدن مي تواند يك روش غالب براي حذف ضايعات بسته بندي ها باشد تا صنايع، دولت-ها و مصرف كنندگان بتوانند به خوبی از آن بهره ببرند.
واژه نامه
مواد زيستي Biomaterials
بسپارهاي زيستي Biopolymers
منابع زيست پايه Biobased resources
پايداري Sustainability
مرحله به مرحله Cradle to cradle
ضايعات جامد شهري Municipal solid waste (MSW)
كمپوست شدن (تجزيه پذيري زيستي) Composting
ازدياد طول در شكست Elongation at break
دمای تغيير شکل حرارتی Heat distortion temperature
لاشبرگ Humus
باكتري ميله اي شكل Actinomecete
آبکافت Hydrolysis
گوارش بي هوازي Anaerobic digestion
تصفیه فاضلاب Wastewater treatment
برگردان: فاطمه جعفريان
