تولید پلاستیک از گیاهان

تولید پلاستیک از گیاهان
تولید پلاستیک از گیاهاندر انتهای جاده ای سنگلاخی در ایالت آیوای مرکزی، یک کشاورز در افق، به جایی خیره شده است که تا چشم کار می کند گیاهان بلند و برگ دار ذرت قرار دارند و زیر نسیم موج می زنند. او لبخندی می زند زیرا چیزی در مورد کشتزارش می داند که کمتر کسی از آن آگاه است چون نه فقط دانه های ذرت در سنبله آن رشد می کنند بلکه گرانول های پلاستیک نیز در ساقه و برگ های آن تولید می شوند.
به نظر می رسد که ایده رشد دادن پلاستیک «که در آینده نزدیک قابل حصول است» جالب تر از ساخت پلاستیک ها در کارخانجات پتروشیمی باشد. در این کارخانجات هر ساله حدود ۲۷۰ میلیون تن نفت و گاز مصرف می شود. در واقع سوخت های فسیلی علاوه بر انرژی، مواد اولیه را نیز برای تبدیل نفت خام به پلاستیک های معمولی از قبیل پلی استایرن، پلی اتیلن و پلی پروپیلن فراهم می کنند. کاربرد پلاستیک ها در تمام شئونات زندگی، گسترده شده است و نمی توان روزی، زندگی بدون پلاستیک را تصور کرد چون از بطری های شیر و نوشابه گرفته تا لباس و قطعات خودرو از پلاستیک هستند، گرچه این تولید زیاد پلاستیک ها اساساً زیر سئوال رفته است. انتظار می رود منابع شناخته شده ذخیره جهانی نفت تا ۸۰ سال دیگر تمام شوند و این در مورد گاز طبیعی ۷۰ سال و برای زغال ۷۰۰ سال است، اما تاثیرات اقتصادی کاهش این منابع خیلی زودتر فرا خواهد رسید. وقتی منابع کاهش یابد، قیمت ها هر روز بالا خواهد رفت و این واقعیتی است که نمی تواند از کانون توجه سیاستگزاران خارج شود. چند سال قبل کلینتون رئیس جمهور آمریکا در ماه اوت ۱۹۹۹ یک دستورالعمل اجرایی صادر کرد و طی آن تاکید کرد که باید کار محققین به سمت جایگزینی سوخت های فسیلی با مواد گیاهی به عنوان سوخت و نیز به عنوان مواد خام جهت گیری شود. با توجه به این نگرانی ها، تلاش مهندسین بیوشیمی برای کشف چگونگی رشد پلاستیک گیاهی از دو جهت سبز است: یکی اینکه قابل ساخت از منابع تجدیدپذیر است و دیگر اینکه اساساً پلاستیک تولیدی پس از دور ریختن قابل تجزیه بیولوژیکی است.
اما تحقیقات اخیر تردیدهایی در مورد صحت این دیدگاه ها به وجود آورده است. اول اینکه، توانایی تجزیه بیولوژیکی دارای «هزینه پنهانی» است. بدین معنی که با تجزیه پلاستیک ها دی اکسیدکربن و متان تشکیل و متصاعد می شود که این گازها، جزء گازهای به دام افکننده گرما یا گازهای گلخانه ای هستند که کوشش های امروزه جهانی در جهت کاهش آنها است. علاوه بر این، هنوز به سوخت های فسیلی برای ایجاد انرژی مورد نیاز فرایند استخراج پلاستیک از گیاهان نیاز است. براساس محاسبات، این نیاز به انرژی بسیار بیشتر از آن چیزی بود که فکر می شد. در اینجا است که باید گفت تولید موفقیت آمیز پلاستیک های سبز در گرو این است که محققان بتوانند با روش های با صرفه، بر موانع مصرف انرژی غلبه کرده در عین حال نیز هیچ باری بر محیط زیست اضافه نکنند. تولید سنتی پلاستیک ها متضمن مصرف بسیار زیاد سوخت فسیلی است. خودروها، کامیون ها، هواپیماها و نیروگاه ها بیشتر از ۹۰ درصد از مواد تولیدی پالایشگاه ها را می بلعند، اما پلاستیک ها از بقیه آن استفاده می کنند که این مقدار تنها در آمریکا حدود ۸۰ میلیون تن در سال است.
تا به امروز کوشش صنایع بیوتکنولوژیکی و کشاورزی در مورد جایگزینی پلاستیک های معمولی با پلاستیک های گیاهی به سه دیدگاه منجر شده است که عبارتند از: تبدیل شکرهای گیاهی به پلاستیک، تولید پلاستیک در داخل بدن میکروارگانیسم های گیاهی، رشد پلاستیک در ذرت و دیگر غلات.
شرکت کارگیل (Cargill) یکی از غول های صنایع کشاورزی به همراه شرکت داو (Dow) برترین شرکت شیمیایی جهان، چند سال پیش به توسعه دیدگاه اول همت گماشتند که به تبدیل شکر حاصل از ذرت و دیگر گیاهان پلاستیکی به نام پلی لاکتید (PLA) منجر شد. در مرحله اول میکروارگانیسم ها شکر را به اسیدلاکتیک تبدیل می کنند و در مرحله بعدی، به طور شیمیایی مولکول های اسید لاکتیک به یکدیگر متصل می شوند تا زنجیره ای مشابه زنجیره پلی اتیلن ترفنالات (PET) که پلاستیکی پتروشیمیایی است و در بطری نوشابه های خانواده و در الیاف لباس ها استفاده می شود، به دست آید. در واقع جست وجوی محصولات جدید از شکر ذرت، جزیی از فعالیت های طبیعی شرکت کارگیل بود که با استفاده از کارخانه های آسیای مرطوب دانه های ذرت را به محصولاتی از قبیل شربت با فروکتوز بالای ذرت، اسید سیتریک، روغن نباتی، بیواتانول و غذاهای حیوانات تبدیل می کند. در سال ۱۹۹۹ کارخانه های این شرکت ۳۹ میلیون تن ذرت را فرایند کردند که این مقدار تقریباً ۱۵ درصد کل برداشت ذرت آمریکا در آن سال بود. در ابتدای سال ۲۰۰۰ مجموعه کارگیل- داو طرحی با سرمایه ۳۰۰ میلیون دلار به منظور تولید انبوه پلاستیک جدیدشان راه اندازی کرد. این طرح با نام تجاری Nature Works و برای تولید انبوه PLA ارائه شد.
دیگر شرکت ها از جمله صنایع شیمیایی سلطنتی (ICI) روش هایی برای تولید نوع دوم این پلاستیک ها ابداع کردند. این پلاستیک پلی هیدروکسی آلکانوایت (PHA) نام دارد. PHA شبیه PLA از شکر گیاهی ساخته شده و تجزیه پذیر است. البته در مورد PHA یک باکتری به نام Ralstona eutropha شکر را مستقیماً به پلاستیک تبدیل می کند. برای تولید PLA یک مرحله شیمیایی خارج از ارگانیسم باید انجام گیرد اما در تولید PHA، این زنجیره به طور طبیعی در داخل میکروارگانیسم تا ۹۰ درصد از جرم سلول منفرد به صورت گرانول تجمع می کند.
در پاسخ به بحران نفت در دهه ،۱۹۷۰ ICI فرایند تخمیری در مقیاس صنعتی خود را که طی آن میکروارگانیسم ها شکر را به PHA تبدیل می کنند، با ظرفیت چند تن در سال ارائه کرد. شرکت های دیگری این پلاستیک را قالب ریزی کرده و از آن اقلام تجارتی مثل تیغ ریش قابل تجزیه بیولوژیکی و بطری های شامپو ساخته و به بازار ارائه کردند. اما این اقلام پلاستیکی اساساً قیمت بالاتری از اقلام با پلاستیک های معمولی داشتند و هیچ مزیت عملکردی به غیر از تجزیه پذیری بیولوژیکی نداشتند. در سال ۱۹۹۵ شرکت مونسانتو (Monsanto) فرایند و دستگاه های مربوطه را خریداری کرد، اما سودآوری آن هم مبهم باقی مانده است. بسیاری شرکت ها و گروه های علمی و نیز شرکت مونسانتو کوشش های خود را معطوف به سومین دیدگاه تولید PHA یعنی رشد دادن پلاستیک در گیاه کرده اند. با تصحیح ژنتیکی گیاه غله می توان آن را قادر به سنتز پلاستیک ساخت و در نتیجه فرایند تخمیر را حذف کرد. یعنی به جای رشد دادن غله، سپس برداشت آن، فرایند کردن آن، تولید شکر و نهایتاً تخمیر شکر و تولید پلاستیک می توان مستقیماً پلاستیک را در خود گیاه ساخت. بسیاری محققین این دیدگاه را جذاب ترین و با بازده ترین راه حل ساخت پلاستیک از منابع انرژی تجدیدپذیر می دانند. طی این سال ها گروه های زیادی در تعقیب این هدف بوده و هستند.
در اواسط دهه ۱۹۸۰ استیون اسلاتر (Steven C.Salter) عضو گروهی بود که وظیفه آن جداسازی ژن های سازنده پلاستیک از باکتری بود. محققین پیش بینی می کنند که قرار دادن این آنزیم ها در داخل یک گیاه می تواند تبدیل استیل کوآنزیم A (ماده ی که حین تبدیل نور خورشید به انرژی، به طور طبیعی در گیاه تشکیل می شود) به نوعی پلاستیک را انجام پذیر سازد. در سال ۱۹۹۲ همکاری بین دانشمندان دانشگاه دولتی میشیگان و دانشگاه جیمز مادیسون با این هدف شروع شد. محققین با انجام مهندسی ژنتیک روی گیاه Arabidopsis Thalianan توانستند نوعی PHA ترد بسازند. دو سال بعد شرکت مونسانتو کار برای ساخت نوع انعطاف پذیرتر PHA را روی یک گیاه معمول تر یعنی ذرت شروع کرد. از آنجا که تولید پلاستیک نمی تواند با تولید غذا رقابت کند، محققین هدف خود را به سوی استفاده از قسمت هایی از گیاه ذرت که برداشت نمی شود (مثل برگ و ساقه) متوجه ساختند. رشد دادن پلاستیک در برگ و ساقه به کشاورزان هنوز این امکان را می دهد که بتوانند با کمباین های معمولی میوه ذرت را برداشت کرده و با زیرورو کردن مجدد مزرعه، برگ ها و ساقه های حاوی پلاستیک را برداشت کنند. برخلاف تولید PHA و PLA به روش تخمیر که باید با استفاده از زمین برای تولید ذرت برای دیگر مقاصد رقابت کند، رشد دادن PHA در برگ و ساقه ذرت این امکان را به وجود می آورد که بتوان ذرت و پلاستیک را به طور همزمان از یک مزرعه به دست آورد. ضمناً با استفاده از گیاهان مناسب شرایط نامساعد مثل Switch grass می توان از این تقابل بین تولید پلاستیک و دیگر استفاده ها از زمین جلوگیری کرد. یعنی لزومی ندارد که فقط زمین های مخصوص کشت ذرت را به این کار اختصاص دهید. محققین به پیشرفت های فنی وسیعی در زمینه افزایش میزان پلاستیک در گیاه و همچنین تغییر زنجیره پلاستیک به منظور حصول به خواص مفید، دست یافته اند. گرچه این نتایج وقتی مستقلاً دیده می شوند تشویق کننده اند ولی حصول به هر دو ویژگی یعنی ترکیب مفید و نیز میزان بالای پلاستیک در گیاه خود یک مشکل است. تاکنون اثبات شده است که کلروپلاست های برگ بهترین مکان برای تولید پلاستیک هستند. اما کلروپلاست ها اعضای سبزی هستند که وظیفه شان جذب نور است و این در حالی است که غلظت بالای پلاستیک از فتوسنتز جلوگیری کرده و بازدهی گیاه را کاهش می دهد. همچنین جداسازی پلاستیک از گیاه خود یک چالش است. ابتدائاً محققین شرکت مونسانتو تاسیسات استخراج را به عنوان واحد جانبی کارخانه فرآوری ذرت در نظر گرفتند. اما وقتی این واحد را روی کاغذ طراحی کردند متوجه شدند استخراج و جمع آوری پلاستیک به مقادیر زیادی حلال نیاز دارد که در نتیجه می بایست بعداً به منظور استفاده مجدد بازیابی شود. این زیرساختار فرایند از لحاظ اندازه با کارخانه های موجود پتروشیمیایی برابری می کند و اندازه کارخانه آسیای ذرت را به شدت افزایش می دهد. باید توجه داشت که انجام سرمایه گذاری و گذشت زمان باعث می شود که محققین بر این موانع فنی غلبه کنند.
اما اینجا سئوالی که مطرح می شود این است که کدام راه حل ارزشمندتر است؟ وقتی انرژی و ماده خام لازم برای هر مرحله رشد PHA در گیاهان، برداشت، خشک کردن برگ و ساقه، استخراج PHA از برگ و ساقه، تخلیص پلاستیک، جداسازی و بازیایی حلال و تبدیل پلاستیک به رزین را بررسی کنید خواهید دید که این دیدگاه، انرژی خیلی بیشتری نسبت به تولید مواد پلاستیکی از منابع فسیلی در اغلب روش های پتروشیمیایی، مصرف می کند. در یک تحقیق که اخیراً تکمیل شده است، محققین متوجه شدند که ساخت یک کیلوگرم PHA از گیاه ذرت (تصحیح شده ژنتیکی) حدود ۳۰۰ درصد انرژی بیشتر از ۲۹ مگاژول لازم برای ساخت مقدار برابر پلی اتیلن (ساخته شده از سوخت فسیلی) مصرف می کند. بنابراین ناامیدانه باید گفت مزیت استفاده از ذرت به جای نفت به عنوان ماده خام، جبران کننده این میزان اختلاف در انرژی مصرفی نیست. براساس الگوهای امروزی مصرف انرژی در صنایع فرآوری ذرت، برای تولید یک کیلوگرم PHA نیاز به ۶۵/۲ کیلوگرم سوخت فسیلی است. براساس اطلاعات جمع آوری شده توسط جامعه سازندگان اروپایی پلاستیک ها (APME) از ۳۶ کارخانه اروپایی تولید پلاستیک، تخمین زده شد که برای تولید یک کیلوگرم پلی اتیلن تنها به ۲/۲ کیلوگرم نفت و گاز طبیعی نیاز است که تقریباً نصف آن در محصول نهایی ظاهر می شود. این موضوع به این معنی است که تنها ۶۰ درصد از مقدار نفت و گاز مصرفی یعنی ۳/۱ کیلوگرم از آن به منظور تولید انرژی سوزانده می شود.
با توجه به این مقایسه، ممکن نیست متقاعد شوید که رشد دادن پلاستیک در ذرت و سپس استخراج آن توسط انرژی ناشی از سوخت های فسیلی باعث حفظ منابع فسیلی می شود. در واقع با جایگزینی منبع تجدیدپذیر به جای منبع تجدیدناپذیر، ناگزیر به استفاده از مقدار بیشتری از آن خواهید شد. در مطالعه قدیمی تری، آقای «تیلمان جرن جروس» (Tilman Gorngross) کشف کرد که تولید یک کیلوگرم PHA به وسیله تخمیر میکروبی همان میزان سوخت فسیلی، یعنی ۳۹/۲ کیلوگرم، نیاز دارد. این نتایج مایوس کننده قسمتی از دلایلی بود که براساس آن شرکت مونسانتو، پیشرو تولید PHA از گیاه، سال گذشته اعلام کرد که توسعه چنین سیستم های تولید پلاستیک را متوقف خواهد کرد. هم اکنون تنها پلاستیک کارخانه ای به این روش که صنعتی شده است، پلاستیک PLAی Cargill- Dow است. این فرایند ۲۰ تا ۵۰ درصد منابع فسیلی کمتری نسبت به ساختن پلاستیک از نفت مصرف می کند، اما هنوز از دیدگاه انرژی بسیار پرمصرف تر از بسیاری فرایندهای پتروشیمیایی است. مسئولان شرکت انتظار دارند نهایتاً بتوانند میزان انرژی لازم را کاهش دهند. راه دیگر همانا توسعه دیگر منابع شکر گیاهی که انرژی کمتری برای فرآوری نیاز دارند، (مثل گندم و چغندر) است که می تواند استفاده از سوخت های فسیلی را کاهش دهد.
در همین زمان، دانشمندان در Cargill- Dow تخمین می زنند اولین تاسیسات ساخت PLA که هم اکنون در Blair نبراسکا در حال ساخت است، بتواند برای هر کیلوگرم پلاستیک ۵۶ مگاژول انرژی مصرف کند که این مقدار ۵۰ درصد بیشتر از انرژی لازم برای PET ولی ۴۰ درصد کمتر از نایلون است.
انرژی لازم برای تولید پلاستیک های گیاهی دومین و حتی اولین مشکل زیست محیطی این فرایند است.
نفت اولین منبع برای تولید پلاستیک های معمول است، اما ساخت پلاستیک از گیاهان عمدتاً بر زغال و گاز طبیعی تکیه دارد که برای راه انداختن مزارع ذرت و صنایع فرآوری ذرت مصرف می شود. به همین دلیل تعدادی از روش های گیاهی از سوخت های کمیاب (نفت) به سوخت های فراوان (زغال) تغییر سوخت داده اند. بعضی متخصصان معتقدند این تغییر سوخت گامی به سمت توسعه پایدار است. موضوع فراموش شده در این منطق، این حقیقت است که تمامی سوخت فسیلی مصرف شده برای ساخت پلاستیک ها از مواد خام تجدیدپذیر (ذرت) می بایست سوخته شوند تا انرژی تولید کنند، در حالی که در فرایندهای پتروشیمیایی قسمت عمده ای از سوخت به محصول نهایی تبدیل می شود.
سوزاندن سوخت بیشتر باعث وخیم تر کردن مشکل دیگری می شود که آن افزایش انتشار گازهای گلخانه ای مثل دی اکسیدکربن است. همچنین به طور طبیعی دیگر انتشارات مرتبط با احتراق سوخت فسیلی، مثل دی اکسید گوگرد نیز افزایش می یابد. این گاز باعث تولید باران اسیدی می شود و مورد نگرانی است. باید توجه داشت که هر فرایندی که انتشار چنین گازهایی را افزایش دهد، در تقابل با پروتکل کیوتو قرار می گیرد. این قرارداد ناشی از کوشش بین المللی است که توسط سازمان ملل به منظور تصحیح کیفیت هوا و محدود کردن گرم شدن جهانی از طریق کاهش دی اکسیدکربن و دیگر گازهای مسئول در اتمسفر برقرار شده است.
چنین نتیجه گیری از تحلیل های ارائه شده، اجتناب ناپذیر است. مزیت زیست محیطی رشد پلاستیک ها در گیاهان در سایه مضراتی چون افزایش مصرف انرژی و افزایش انتشار گازها قرار گرفته است. به نظر می آید PLA تنها پلاستیک گیاهی باشد که بتواند در این زمینه رقابت کند. گرچه این راه حل به اندازه ساخت PHA در گیاه مناسب نیست، اما دارای مزایایی است که یک فرایند را با بازده جلوه گر می کند. یعنی نیاز به انرژی کم و درصد بالای تبدیل (بیش از ۸۰ درصد از هر کیلوگرم از شکر گیاهی در محصول نهایی ظاهر می شود). اما به رغم PLA بر پلاستیک گیاهی، حین تولید این پلاستیک به ناچار مقادیر بیشتری گاز گلخانه ای نسبت به فرایندهای پتروشیمیایی مشابه منتشر می شود.

نویسنده : استفن اسلاتر، تلمن گرنگراس
مترجم : عبدالله مصطفایی- محمد طغرایی

منبع : گیگاپارس

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *