سفارش تبلیغ
صبا ویژن


خلاصه:
32% از مواد زاید در آمریکا ظروف و بسته بندی ها هستند. در حدود 65% از این مقدار را مواد زیست پایه مانند کاغذ، مقوا، چوب و بقیه آن را شیشه، فلزات و پلاستیک ها تشکیل می-دهند. شیشه ها و فلزات بسیار فراوان هستند. اما پلاستیک ها از منایع نفتی محدود بدست می آیند. به همین دلیل برای کاهش وابستگی به منابع نفتی تمایل زیادی جهت ساخت بسپارهای زیست پایه وجود دارد. در این مقاله مروری بر پیشرفت های اخیر در استفاده از بسپارهای زیستی در کاربردهای بسته بندی و پایداری این بسته بندی ها شده و تحلیلی از زندگی آنها از بدو تولد تا مرگ (مرحله به مرحله) و هم چنین قوانین مربوط به این مواد ارائه می گردد.

معرفی :
مقدار ضایعات جامد شهری (MSW) در سال 2005 به 7/245 میلیون تن رسید که 54% از آن در خاک چال ها دفن می شدند . ظروف و بسته بندی ها 31% از کل مقدار MSW را در آن سال تشکیل می دادند. این اعداد نشان می دهند که چرا تمایل به کاهش و حذف مقدار بسته بندی های دفن شده در خاک چال ها بسیار زیاد است.

در سال 2005، 76 میلیون تن از مواد زاید، بسته بندی ها بودند که 14% از آن شیشه، 3% فولاد، 5/2% آلومینیوم، 51% کاغذ و مقوا ، 18% پلاستیک ، 11% چوب و 5/0% از آن را مواد متفرقه تشکیل می دادند. از میان این مواد با درصدهای مختلف، 25% از شیشه ها، 5/63% از فولاد، 36% از آلومینیوم، 58% از کاغذ و مقواها، 10% از پلاستیک ها و 5% از چوب ها با روش هایی مانند بازگردانی، سوزاندن و یا کمپوست شدن دوباره به مواد قابل استفاده تبدیل می شوند.
اکثر مواد مورد استفاده در ساخت بسته بندی ها بازیافت شدنی هستند. برای مثال در سال 2005، مقواهای موجدار تا 71% بازیافت شدند. با آلوده شدن بسته  بندی ها، مانند بسپار و کاغذ، با غذاها، داروها و یا سایر مواد زیستی، بازیافت فیزیکی این مواد غیرعملی می شود. بنابراین مجبور به دفن آنها می شوند. برای مثال در سال 2005، میزان بازیافت بسپارها کمتر از 10% بود. از آنجایی که خاک چال ها فضای بسیار زیادی را اشغال کرده و گازهای گلخانه ای و سایر آلاینده ها را تولید می کنند، روش های بازیافت مانند دوباره استفاده کردن، بازگردانی یا کمپوست شدن راه هایی برای کاهش دورریز ضایعات بسته بندی ها به حساب می آیند.
قرن هاست که بسته بندی ها را از منابع تجدیدپذیر مانند کاغذ، مقوا، ورق های لیفی موجدار و چوب می سازند. در طول قرن اخیر، بعد از اختراع بسپارها حرکت به سوی استفاده از این مواد برای کاربردهای بسته بندی زیاد و زیادتر شد. بسپارها مزایای بیشتری نسبت به سایر مواد بسته بندی متداول دارند مانند وزن کم، قابلیت تغییرخواص سدگری، قابلیت چاپ خوب، قابلیت آب بندی و تولید انعطاف پذیر. البته این مواد معایبی هم دارند که از آن جمله می توان به تولید آنها از منابع تجدیدناپذیر و بازیافت مشکل شان اشاره کرد.
با توجه به معایب ذکر شده انگیزه زیادی برای تولید و استفاده از بسپارهای ساخته شده از منابع تجدیدپذیر به دلیل ویژگی منحصر به فردشان در کمپوست شدن وجود دارد. علاوه براین احتمال کاهش مصرف نفت با تولید این نوع بسپارها بسیار زیاد می شود. ذکر این نکته مهم است که تنها 7% از کل نفت مصرفی برای تولید مواد شیمیایی که شامل پلاستیک ها نیز می باشد، استفاده می شود اما همین 7% ارزش افزوده ای معادل 225 میلیارد دلار در سال 2005 ایجاد کرده است.
در گزارشی از Parrika آمده که کل پتانسیل انرژی مواد زیستی پایدار در حدود ژول در سال است که تنها 40% از آن مورد استفاده قرار می گیرد. گیاهان، جلبک ها و بعضی باکتری ها از نور خورشید به عنوان انرژی استفاده کرده و مواد معدنی را به کربن آلی تبدیل می کنند. بیش از سال طول می کشد تا این مواد آلی، فسیل شده و به نفت، زغال و گاز طبیعی تبدیل شوند. انسان از این منابع تجدید ناپذیر سوخت، مواد شیمیایی و بسپارها را ساخته و در مدت زمانی برابر با 10 سال این کربن را به هوا منتقل می کند. Narayan معتقد است که عدم تعادل زمانی بین تولید کربن و آزادسازی آن مشکل به وجود می آورد. او هم چنین ادعا کرده است که با استفاده از منابع تجدید پذیر مانند محصولات کشاورزی یا مواد زیستی به عنوان مواد خام در هنگام تولید سوخت، مواد شیمیایی و بسپارها می توان این مشکل را حل کرد. بنابراین سرعت تولید کربن در حدود 10 سال شده و مشکل عدم تعادل پدید آمده حل می شود. در نهایت او نتیجه گرفته است که مدیریت درست مواد زیستی (مانند افزایش کاشت مواد زیستی نسبت به مصرف آنها) می تواند این عدم تعادل را معکوس کرده و تجزیه گیاهان به بیشتر از آزادسازی آن شود. برای حرکت در این مسیر باید چند نکته را مورد توجه قرار داد. نکته اول در اختیار نداشتن مواد زیستی کافی برای جایگزین شدن به جای منابع تجدیدناپذیر است، برای مثال کل اتانول تولیدی در سال 2005 (4 میلیارد گالن) تنها جایگزین 3% از 140 میلیارد گالن بنزین مورد استفاده در آمریکا در همان سال شد. بنابراین باید تمرکز بیشتری بر استفاده از مواد زیست پایه برای محصولات با ارزش افزوده بالاتر کرد. دومین نکته آن است که رشد محصولات کشاورزی نیاز به استفاده فراوان از علف کش ها و حشره کش ها دارد که این مواد باعث فرسایش خاک می شوند. به همین دلیل می بایست از روش های بهتری مانند استفاده از سلولز و لیگنین برای تولید محصولات وابسته استفاده کرد. نکته سوم لزوم برآورد دوره زندگی یا طول عمر مواد زیستی جایگزین قبل از به کار بردن آنها به جای مواد متداول است.

تولید مواد زیستی
توسعه مواد زیست پایه بر استفاده از مواد خامی چون نشاسته، پروتئین سویا و سلولز برای تولید بسپارهای زیستی یا ترکیبات شیمیایی پایه متمرکز شده است. تولید پلی استرهایی که از طریق واکنش های انجام شده داخل برخی باکتری ها به وجود می-آیند هم به عنوان روشی برای تولید بسپارهای زیستی پذیرفته شده است.

در گزارشی با عنوان "مواد شیمیایی ساخته شده از مواد زیستی با ارزش افزوده بالا" که در سال 2004 توسط سازمان انرژی آمریکا منتشر شده است، دوازده عنصر شیمیایی بدست آمده از شکر که از طریق تبدیل های شیمیایی یا زیستی به وجود آمده اند، معرفی شده اند (مانند 1و4- دی اسیدها، 2و5- فوران، 3 هیدروکسی، اسپارتیک،گلوکاریک، گلوماتیک، ایتاکونیک، لولینیک اسیدها، 3-هیدروکسی بوتیرولاکتون، گلیسرول، سوربیتول، زایلیتول). بسیاری از این مواد شیمیایی می توانند به مواد شیمیایی ثانویه یا خانواده های مشتقات آنها برای بدست آوردن تکپارهای زیستی و در نتیجه تولید بسپارهای زیستی تبدیل شوند.

خواص مواد زیست پایه
بسپارهای زیستی مانند بسپارهای بر پایه نشاسته، پلی لاکتیک اسید (PLA)، پلی کاپرولاکتون (PCL) و پلی هیدروکسی بوتیرات (PHA) به میزان زیادی در حال استفاده در کاربردهای بسته بندی غذایی، بهداشتی و وسایل مصرفی هستند. مدول کشسانی PLA مشابه PS و PHB است و به همین دلیل این این بسپار گزینه مناسبی برای جای گزینی بسپارهای پایه نفتی در صنعت بسته بندی غذا که نیاز به طول عمر کم دارند ( مانند ظروف مواد غذایی تازه، لیوان های نوشیدنی، لیوان های بستنی، فیلم های چند لایه و چسب زخم) به شمار می رود. با وجود آن که PLA یک بسپار زیستی و تجاری مهم در صنعت بسته بندی است، مشکلاتی چون دمای تغییر شکل حرارتی کم (کمتر از ?C 55) و نفوذپذیری کمتر آن نسبت به اکسیژن و آب استفاده از آن را در سایر کاربردهای بسته بندی محدود کرده است. از PCL و Ecoflax هم برای تولید کیسه های زباله و فیلم هایی که قابلیت افزایش طول یکی از شرایط مهم آنها محسوب می شود، استفاده می کنند.

قابلیت کمپوست شدن بسپارهای زیست پایه
یکی از جذابیت های بسپارهای زیست پایه برای استفاده در صنایع بسته بندی قابلیت کمپوست شدن این مواد است. کمپوست شدن یک فرآیند طبیعی است که طی آن ماده آلی به یک ماده خاک مانند به نام گیاه خاک یا لاشبرگ ( خاک دارای مواد گیاهی و حیوانی) تبدیل می شود. قسمت عمده فرآیند تجزیه توسط ریزجانداران که شامل باکتری ها، قارچ ها و باکتری های میله ای می باشد، انجام می شود. این ریزجانداران از مواد آلی به عنوان منبع غذایی خود استفاده و تولید می کنند و در نهایت به لاشبرگ (گیاخاک) تبدیل می شوند.
بر اساس استاندارد ASTM D 6400 یک پلاستیک کمپوست شونده پلاستیکی است که توسط فرآیندهای زیستی در حین کمپوست شدن تخریب شده و دی اکسیدکربن، آب، ترکیبات معدنی و مواد زیستی با سرعتی سازگار با سایر مواد کمپوست شونده شناخته شده، تولید کند و در نهایت هیچ پسماند سمی یا قابل مشاهده ای از خود باقی نگذارد. بنابراین همه پلاستیک های کمپوست شونده زیست تخریب پذیر هستند اما عکس آن صادق نیست.
زیست تخریب پذیری پلاستیک ها علاوه بر محیطی که در آن قرار داده می شوند به طبیعت شیمیایی بسپار نیز بستگی دارد. زیست-تخریب پذیری یک واکنش آنزیمی است، بنابراین منحصر به ساختارهای شیمیایی و اتصالات بسپار می شود. این پدیده توسط سازوکارهای مختلفی اتفاق می افتد. یک سازوکار رایج زیست-تخریب پذیری آبکافت است که طی آن شکست تصادفی زنجیرهای غیرآنزیمی گروه های استری باعث کاهش وزن مولکولی می شود.  بسپارهای زیست تخریب پذیر معمولاً دارای اتصالات استری، آمیدی یا کربنات-های قابل آبکافت در زنجیره اصلی خود هستند. وجود این گروه-های عاملی آبکافت شونده استعداد زیست تخریب پذیری را افزایش می دهد. سایر عوامل موثر بر زیست تخریب پذیری شامل بلورینگی، وزن مولکولی و در مورد همبسپارها، ترکیب همبسپار می باشد.
برای ارزیابی قابلیت زیست تخریب پذیری بسپارها در محیط های مختلف مانند کمپوست شدن، گوارش بی هوازی، تصفیه فاضلاب، استانداردهای ASTM و ISO پیشرفت هایی داشته اند. در استاندارد ASTM D6400 توضیح داده می شود که یک محصول در صورتی کمپوست شونده است که آزمایش های تلاشی، زیست تخریب پذیری و ایمنی در آب و خشکی را در مقیاس کنترل شده آزمایشگاهی پشت سر بگذارد. به طور مشابه استانداردی در ISO (EN 13432) تعریف شده که مخصوص بسته بندی هاست و قابلیت کمپوست شوندگی بسته بندی ها را بر اساس ویژگی ها، زیست تخریب پذیری، تلاشی و کیفیت کمپوست شدن آنها بررسی می کند. علاوه بر این یک استاندارد ASTM جدید با شماره D6866 نیز میزان ترکیبات زیست پایه را در یک بسپار با همسان و کمی کردن نسبت ، از آن جایی که در بسپارهای پایه نفتی موجود نیست، بررسی می  کند.

در حال حاضر تعدادی نظام های اعتباربخشی که برچسب های بسته بندی با قابلیت کمپوست شوندگی را تهیه می کنند، در سراسر جهان تاسیس شده اند. بعضی از این نظام ها عبارتند از گواهینامه DIN CERTCO بر پایه DIN EN 13432 ، گواهینامه AIB Vincotte (بلژیک) بر اساس EN 13432، گواهینامه کمپوست شوندگی توسط انجمن کمپوست شوندگی آمریکا بر اساس ASTM D6400 و گواهینامه GreenPla توسط انجمن زیست تخریب پذیری بسپارها (ژاپن) بر اساس JIS K6953.
مطالعات LCA بسپارهای زیست پایه کاهش اثر محیطی و استفاده از انرژی را برای این مواد در مقایسه با بسپارهای پایه نفتی نشان می دهد. برای مثال، پلی لاکتید(PLA) مشتق از نشاسته، GJ/ton 0 انرژی ماده خام و GJ/ton 53 انرژی فرآیندی مصرف می کند در حالی که PET، GJ/ton 39 انرژی ماده خام و GJ/ton 38 انرژی فرآیندی استفاده می کند.

آینده بسپارهای زیست پایه
با وجود آن که بازیافت بسپارهای زیست پایه از نظر انرژی مطلوب تر از کمپوست شدن آن هاست، اما به علت نیاز این روش به تمیز و مرتب کردن مواد ممکن است خیلی عملی نباشد. جای گزین عملی روش بازیافت، کمپوست شدن است. در حال حاضر سامانه ای برای جمع آوری و کمپوست کردن بسپارهای زیست پایه موجود نیست، بنابراین مزیت اصلی این مواد داد و ستد محیطی و سبزشان به دلیل ارزش بالای سوختی آنها می باشد. نکته مخاطره-آمیز این ادعا آن است به جای یافتن راه حلی مناسب برای بسته بندی های پایدار، در واقع یک مشکل بسته بندی به وجود آمده است. بسته بندی های کمپوست شونده زمانی یک جای گزین ارزشمند هستند که فهم درست و آشکاری از زندگی مرحله به مرحله (بدو تولد تا مرگ) آنها وجود داشته باشد. در حال حاضر کشور آلمان در صدر کشورهای دنیا برای استفاده از این نوآوری و به کار گرفتن مزایای کاربردی مواد زیست پایه می-باشد.
با توجه به مطالب گفته شده می توان نتیجه گرفت که انتخاب بسپارهای زیست پایه در صنعت بسته بندی موجب افزایش مطالعات برای پیدا کردن جای گزین های عملی ای است که روش مرحله به مرحله استفاده از آنها پایداری بیشتری نسبت به منابع تجدیدناپذیر دارد. علاوه بر این کمپوست شدن می تواند یک روش غالب برای حذف ضایعات بسته بندی ها باشد تا صنایع، دولت-ها و مصرف کنندگان بتوانند به خوبی از آن بهره ببرند.


واژه نامه
مواد زیستی Biomaterials
بسپارهای زیستی Biopolymers
منابع زیست پایه Biobased resources
پایداری Sustainability
مرحله به مرحله Cradle to cradle
ضایعات جامد شهری Municipal solid waste (MSW)
کمپوست شدن (تجزیه پذیری زیستی) Composting
ازدیاد طول در شکست Elongation at break
دمای تغییر شکل حرارتی Heat distortion temperature
لاشبرگ Humus
باکتری میله ای شکل Actinomecete
آبکافت Hydrolysis
گوارش بی هوازی Anaerobic digestion
تصفیه فاضلاب Wastewater treatment

برگردان: فاطمه جعفریان





تاریخ : شنبه 89/8/1 | 12:6 عصر | نویسنده : مهندس سجاد شفیعی | نظرات ()
.: Weblog Themes By BlackSkin :.