البلاستيك الحيوي PHA
نحن محاطون بالبلاستيك. كل ما نقوم به وكل منتج نستهلكه، من الطعام الذي نتناوله إلى الأجهزة الكهربائية، تعامل بطريقة أو بأخرى مع البلاستيك، وعلى الأقل تم استخدام هذه المواد في عبواته.
وفي دولة مثل أستراليا يتم إنتاج حوالي مليون طن من البلاستيك سنوياً، يستخدم 40% منها للاستخدام المنزلي. يتم استهلاك حوالي 6 ملايين كيس بلاستيكي في هذا البلد كل عام.
على الرغم من أن التغليف البلاستيكي ذو السعر المنخفض يوفر إمكانية حماية ممتازة لمختلف المنتجات، وخاصة المواد الغذائية، إلا أنه لسوء الحظ فإن المشكلة البيئية الكبيرة الناجمة عنها أصابت البشرية. يتم إنتاج معظم المواد البلاستيكية الشائعة في السوق من منتجات النفط والفحم ولا يمكن إعادتها إلى البيئة، ويستغرق الأمر آلاف السنين لتحللها وإعادتها إلى البيئة.
ومن أجل حل هذه المشكلة، يبحث الباحثون في العلوم البيولوجية عن إنتاج مواد بلاستيكية قابلة للتحلل من مصادر متجددة مثل الكائنات الحية الدقيقة والنباتات.
كلمة “قابلة للتحلل” تعني المواد التي تتحلل بسهولة إلى الوحدات الفرعية المكونة لها من خلال نشاط الكائنات الحية وبالتالي لا تبقى في البيئة.
هناك عدة معايير لتحديد قابلية التحلل الحيوي للمنتج، والتي تقتصر بشكل أساسي على تحلل 60 إلى 90 بالمائة من المنتج خلال شهرين إلى ستة أشهر. هذا المعيار يختلف في بلدان مختلفة.
لكن السبب الرئيسي لعدم قابلية التحلل الحيوي للمواد البلاستيكية الشائعة هو الطول الطويل لجزيء البوليمر والرابطة القوية بين مونومراته، مما يجعل من الصعب تفكيكه عن طريق الكائنات الحية المتحللة.
ومع ذلك، فإن إنتاج المواد البلاستيكية باستخدام موارد طبيعية مختلفة يجعلها سهلة التحلل بواسطة المحللات الطبيعية. ولهذا الغرض وبهدف وجود صناعة في خدمة التنمية المستدامة والحفاظ على النظم البيئية الطبيعية، فإن إنتاج جيل جديد من المواد الخام التي تحتاجها الصناعة القائمة على العمليات الطبيعية يقع على أجندة العديد من الدول المتقدمة.
ولهذا الغرض وبهدف وجود صناعة في خدمة التنمية المستدامة والمحافظة على البيئة الطبيعية، فإن إنتاج جيل جديد من المواد الخام التي تحتاجها الصناعة المعتمدة على العمليات الطبيعية يأتي على أجندة العديد من الدول المتقدمة. .
وفي الوقت نفسه، فإن إنتاج البوليمرات الحيوية له مكانة خاصة. وفي الوقت نفسه، يحتل إنتاج البوليمرات الحيوية مكانة خاصة. ولأن هذه المواد لها أساس طبيعي، فإنها تستهلكها كائنات حية أخرى أيضا، وتعد المحللات من أهم هذه الكائنات الحية في حديثنا.
ولأن هذه المواد لها أساس طبيعي، فإنها تستهلك كائنات حية أخرى أيضا، والعديد من هذه الكائنات الحية الأكثر أهمية في أحاديثنا.
أ) الرؤية البيئية: ويجب أن تتحلل هذه المواد بسرعة في البيئة، ولا تفسد نسيج التربة، ويمكن إزالتها بسهولة من البيئة من خلال برامج إدارة النفايات وإعادة التدوير.
ب) الرؤية الصناعية: ويجب أن تتمتع هذه المواد بالخصائص المتوقعة للصناعة، بما في ذلك المتانة والكفاءة، والأهم من ذلك أنه بعد معادلة الجودة أو تحسينها مقارنة بالمواد المعتادة، يجب أن يكون لها سعر تكلفة معقول.
وفي كلا القطاعين وخاصة القطاع الثاني لا بد من استخدام هندسة إنتاج المواد لتحقيق الأهداف المتوقعة.
وكما ذكرنا فإن إنتاج البوليمرات المتجددة باستخدام الزراعة يعد أحد أساليب الإنتاج الصناعي المستدام. هناك طريقتان رئيسيتان لهذا الغرض:
هناك طريقتان رئيسيتان لهذا الغرض: تشمل البوليمرات التي تنتجها هذه الطريقة بشكل أساسي السليلوز والنشا والبروتينات المختلفة والألياف والدهون النباتية، والتي تستخدم كأساس للمواد البوليمرية والمنتجات الطبيعية.
والفئة الأخرى هي المواد التي يمكن استخدامها كمونومرات للبوليمرات التي تتطلبها الصناعة بعد خضوعها لعمليات مثل التخمير والتحلل المائي. يمكن أيضًا تحويل المونومرات البيولوجية إلى بوليمرات بواسطة الكائنات الحية، ومن الأمثلة الواضحة على ذلك بولي هيدروكسي ألكانوات.
وتعد البكتيريا من الكائنات الحية التي تنتج هذه الفئة من المواد على شكل حبيبات في أجسامها الخلوية. تنمو هذه البكتيريا بسهولة في وسط الاستزراع ويتم حصاد منتجها.
وهناك نهج آخر يتمثل في عزل الجينات المشاركة في هذه العملية ونقلها إلى النباتات، وقد تم تنفيذ مشاريع في هذا المجال، بما في ذلك نقل الجينات البكتيرية المنتجة لـ PHA إلى الذرة.
وهناك نقطة لا ينبغي إغفالها وهي أنه على الرغم من ارتفاع أسعار إنتاج المواد البلاستيكية القابلة للتحلل، إلا أن سعرها الفعلي قد يكون أقل بكثير من أسعار المواد البلاستيكية التقليدية؛ لأن سعر التدمير البيئي وتكلفة إعادة التدوير بعد الإنتاج لا يتم حسابهما أبدًا.
PHA
المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي:
يتم الحصول على جميع المواد البلاستيكية الشائعة في السوق تقريبًا من المنتجات البتروكيماوية التي لا يمكن إعادتها إلى البيئة. الحل البديل لهذا الغرض هو استغلال بكتيريا التربة مثل رالستونيا إوترفوس، القادرة على تراكم بوليمرات غير سامة وقابلة للتحلل من بولي هيدروكسي ألكانوات (PHA) بنسبة تصل إلى 80٪ من كتلتها الحيوية.
يتم تصنيع PHAs عمومًا من وحدة فرعية من بيتا هيدروكسي ألكانوات عبر مسار بسيط مع 3 إنزيمات من أسيتيل أنزيم A، وأشهرها بولي هيدروكسي بويترات (PHB).
خلال الثمانينات، صممت شركة ICI الإنجليزية ونفذت عملية تخمير يتم من خلالها إنتاج PHB وغيرها من PHAs باستخدام ثقافة E.coli المعدلة وراثيا والتي تلقت جينات إنتاج PHA من البكتيريا التي تنتج هذه البوليمرات. ولسوء الحظ، فإن تكلفة إنتاج هذه المواد البلاستيكية القابلة للتحلل كانت حوالي 10 أضعاف تكلفة إنتاج المواد البلاستيكية العادية.
وعلى الرغم من الفوائد البيئية التي لا تعد ولا تحصى لهذه المواد البلاستيكية، مثل تحللها الكامل في التربة خلال بضعة أشهر، فإن التكلفة العالية لإنتاجها جعلت الإنتاج التجاري على نطاق صناعي غير اقتصادي.
ومع ذلك، تم إنشاء سوق صغير ومربح لهذه المنتجات وتم استخدام المواد البلاستيكية القابلة للتحلل في صناعة الأنسجة الاصطناعية. ومن خلال إدخال هذه المواد البلاستيكية إلى الجسم، فإنها تتحلل تدريجياً ويقوم الجسم بتجديد الأنسجة الطبيعية على شكل البلاستيك المُدخل. وفي هذا التطبيق الطبي المتخصص، لا يمكن مقارنة سعر هذه المنتجات البيولوجية مع القيمة الاقتصادية المنخفضة للبلاستيك في صناعات الألعاب والسيارات والحقائب.
سيتم تخفيض تكلفة إنتاج PHAs بشكل كبير من خلال إنتاجها في النباتات المعدلة وراثيا وزراعتها على نطاق واسع في الأراضي الزراعية. تسببت هذه المشكلة في حصول شركة مونسانتو على ترخيص إنتاج PHA من شركة ICI في منتصف التسعينيات ونقل الجينات البكتيرية إلى مصنع المندب. إن تهيئة الظروف لتراكم PHAs في البلاستيد بدلاً من العصارة الخلوية جعل من الممكن حصاد المنتج البوليمري من الأوراق والبذور.
إن أهم مشكلة لم يتم حلها بعد في الجزء الفني من هذا المشروع هي كيفية استخلاص هذا البوليمر من الأنسجة النباتية بطريقة منخفضة التكلفة وفعالة.
هناك مشكلة أخرى في مجال PHB، وهي في الواقع أهم مجموعة من PHAs، ولكنها للأسف هشة وبالتالي لا تصلح للعديد من التطبيقات. أفضل المواد البلاستيكية القابلة للتحلل هي البوليمرات المشتركة من بولي هيدروكسي بوتيرات مع PHAs الأخرى مثل بولي هيدروكسي فاليرات. يعد إنتاج مثل هذه البوليمرات المشتركة في النباتات المعدلة وراثيا أكثر صعوبة من إنتاج بوليمرات مونومر مفردة. في عام 2001، تسببت هذه المشكلات بالإضافة إلى المشكلات المالية لشركة مونسانتو في قيام هذه الشركة بتسليم امتياز إنتاج PHA المعدل وراثيًا إلى شركة Metabolix.
وفي شكل مشروع تعاوني مع وزارة الطاقة الأمريكية بقيمة 14.8 مليون دولار تقريبًا، تعمل شركة Metabolix على إنتاج PHA في النباتات المعدلة وراثيًا بحلول نهاية العقد الأول من القرن الحادي والعشرين.
تحاول مجموعات أخرى أيضًا إنتاج PHA في نباتات مثل زيت النخيل. وعلينا أن ننتظر حتى نرى أخيرًا الإنتاج الاقتصادي لهذه المنتجات الصديقة للبيئة في المستقبل القريب.