پلیمرهای زیستی پلیمرهای طبیعی هستند که توسط موجودات زنده تولید می شوند. آنها از پلیمرهای زیست تخریب پذیر مصنوعی متمایز هستند.

نگرانی فزاینده ای در مورد اثرات منفی آلودگی محیط زیست ناشی از سوخت های فسیلی و زباله های محصولات پتروشیمی وجود دارد. تحقیقات زیادی برای بررسی جایگزین های دیگر برای فرآورده های نفتی انجام شده است که می توانند تجدیدپذیر و همچنین زیست تخریب پذیر باشند و در نتیجه خطر کمتری برای محیط زیست داشته باشند. بیوپلیمرها یکی از راه حل های ممکن برای این مشکل هستند زیرا آنها معمولاً مواد زیست تخریب پذیر هستند که از مواد خام تجدید پذیر به دست می آیند. با این حال، باید توجه داشت که همه پلیمرهای زیست تخریب پذیر بیوپلیمر نیستند (یعنی تولید شده از منابع تجدید پذیر). همانطور که می توان انتظار داشت، چالش های مرتبط با پلیمرهای زیستی مانند نرخ محدود تولید، هزینه تولید و مناسب بودن خواص آنها وجود دارد.

برخی از اولین بیومواد مدرن ساخته شده از پلیمرهای زیستی طبیعی شامل لاستیک، مشمع کف اتاق، سلولوئید و سلفون هستند. دو مورد آخر با استفاده از سلولز ساخته می شوند که به طور طبیعی فراوان ترین پلیمر زیستی و فراوان ترین ماده آلی روی زمین است که یک سوم کل مواد گیاهی را تشکیل می دهد. از اواسط قرن بیستم، این بیوپلیمرهای ساخت بشر تقریباً با مواد مبتنی بر پتروشیمی جایگزین شدند. با این حال، به دلیل نگرانی های رو به رشد زیست محیطی، پلیمرهای زیستی از علاقه مجدد جامعه علمی، بخش صنعتی و حتی در سیاست برخوردار شده اند. [1].

در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:

• خواص بیوپلیمرها
• تولید و فرآوری پلیمرهای زیستی
• کاربردهای پلیمرهای زیستی
• نمونه هایی از پلیمرهای زیستی
• آینده پلیمرهای زیستی

به دنبال کشف انواع مختلف بیوپلیمرهای تجاری موجود هستید؟ بیش از 100 درجه مختلف را در اینجا کاوش کنید.

خواص بیوپلیمرها

علاقه اصلی در بیوپلیمرها جایگزینی بسیاری از اقلام روزمره است که از فرآورده های نفتی ساخته می شوند. این بدان معنی است که آنها باید خواص مشابه، اگر نگوییم بهتر از موادی که جایگزین می‌کنند، نشان دهند تا برای کاربردهای مختلفی که قرار است استفاده شوند، مناسب باشند. بسیاری از اندازه‌گیری‌های خواص بیوپلیمرها به دلیل عواملی مانند درجه پلیمریزاسیون، نوع و غلظت مواد افزودنی و وجود مواد تقویت‌کننده دارای واریانس هستند. اطلاعات در مورد خواص پلیمرهای زیستی به اندازه پلیمرهای سنتی گسترده نیست، اما هنوز عمق قابل توجهی در مورد خواص فیزیکی، مکانیکی و حرارتی آنها وجود دارد. [2].

برخی از پلیمرهای زیستی دارای رسانایی الکترونیکی و یونی هستند و بنابراین بیوپلیمرهای الکترو فعال (EABP) نامیده می شوند. این به آنها پتانسیلی برای جایگزینی سایر مواد مصنوعی داده است. این پلیمرهای زیستی که شامل نشاسته، سلولز، کیتوزان و پکتین هستند، هدایت الکتریکی وسیعی بین 10-3 و 10-14 S/cm نشان می دهند. [3].

میز 1. خواص فیزیکی، مکانیکی و حرارتی برخی بیوپلیمرهای تجاری

(همچنین می توانید این مواد را به صورت بصری در صفحه مقایسه کنید صفحه مقایسه همسان)

تولید و فرآوری پلیمرهای زیستی

روش ها و تکنیک های مختلفی برای تولید بیوپلیمرها استفاده می شود. از آنجایی که بیشتر این پلیمرها قبلاً در طبیعت وجود دارند یا توسط ارگانیسم های طبیعی تولید می شوند، این فرآیندها اغلب استخراج و سپس سنتز هستند. آنها ممکن است شامل ترکیبی از هر یک از تخمیر، فیلتراسیون، ترکیب / دانه بندی، هیدرولیز، استریفیکاسیون، پلی تراکم، اکسیداسیون و کم آبی باشند. در زیر نمونه ای از فرآیند تولید درگیر در ساخت سوکسینات پلی بوتیلن (PBS) آورده شده است.

شکل 1. مسیر فرآیند تولید سوکسینات پلی بوتیلن (PBS) با اسید سوکسینیک زیستی (PBS bb SCA) [1].

کاربردهای پلیمرهای زیستی

بیوپلیمرها در بسیاری از کاربردهای صنعتی و همچنین بسته بندی مواد غذایی، آرایشی و بهداشتی و پزشکی استفاده می شوند [4]. آنها می توانند جایگزین پلاستیک های سنتی مبتنی بر نفت در بسیاری از کاربردها شوند. برخی از پلیمرهای زیستی نیز برای مصارف خاصی به کار رفته اند که پلاستیک های دیگر برای آنها مناسب نیستند، مانند ایجاد بافت مصنوعی. این کاربردها ممکن است به مواد زیست سازگار و زیست تخریب پذیر با حساسیت به تغییرات pH و همچنین نوسانات فیزیکوشیمیایی و حرارتی نیاز داشته باشند. [5].

پلیمرهای زیستی، به طور کلی، اغلب خواص مکانیکی، مقاومت شیمیایی و فرآیندپذیری ضعیفی در مقایسه با پلیمرهای مصنوعی از خود نشان می‌دهند. برای اینکه آنها را برای کاربردهای خاص مناسب تر کنند، می توان آنها را با پرکننده ها تقویت کرد که این خواص را به شدت بهبود می بخشد. بیوپلیمرهایی که به این روش تقویت شده اند، کامپوزیت های بیوپلیمری نامیده می شوند. جدول زیر خلاصه ای از برخی از کامپوزیت های بیوپلیمری رایج، خواص آنها و صنایعی است که قبلاً در آنها به طور گسترده استفاده می شود.

جدول 2. خلاصه ای از روش ها، خواص و کاربردهای تولید کامپوزیت های زیست پلیمری [6].

ماتریس/پرکننده	روش تولید	خواص	برنامه های کاربردی
PLA/PEG/Chit	اکستروژن	سفتی کم/ انعطاف پذیری بالا	بسته بندی مواد غذایی ایمپلنت استخوان و دندان
PLA/سلولز	اکستروژن/تزریق	سفتی و زیست تخریب پذیری بهبود یافته	بسته بندی، خودرو
PLA / پالپ سیب زمینی	اکستروژن/تزریق	سفتی و شکل پذیری کم، پردازش پذیری خوب	بسته بندی غذا
PLA/MgO	ریخته گری محلول	بهبود پایداری و زیست فعالی	ایمپلنت های پزشکی، مهندسی بافت، دستگاه های ارتوپدی
PHB/الیاف خاک اره چوب	اکستروژن	بهبود تخریب در خاک	کشاورزی یا نهالستان
PHBV/TPU/سلولز	اکستروژن/تزریق	مقاومت در برابر حرارت، سفتی و چقرمگی متعادل	مهندسی بافت بسته بندی مواد غذایی
نانوسلولز/CNT	قالب گیری ریخته گری	هدایت الکتریکی خوب	سوپر خازن، سنسور
نشاسته لاستیک/سیب زمینی	اختلاط غلتکی	تسریع در پیری حرارتی	عایق های لرزش، پایه های ضربه، قطعات الکتریکی
نشاسته سیب زمینی/گلوتن گندم	قالب گیری فشاری	حداکثر تنش و کشش بهبود یافته است	توسعه پلاستیک های زیستی
آلژینات/روغن دارچین	ریخته گری محلول	فعالیت ضد باکتریایی خوب	مواد بسته بندی فعال
PVA/Chitosan	الکتروریسی	پایداری شیمیایی خوب	بسته بندی مواد غذایی تحویل دارو
PPC/TPU	ترکیب مذاب	پایداری و سفتی حرارتی خوب	کاربردهای بسته بندی الکترونیکی

نمونه هایی از پلیمرهای زیستی

بیوپلیمرها را می توان به طور کلی بر اساس واحدهای مونومر و ساختارشان به سه دسته طبقه بندی کرد:

• پلی نوکلئوتیدها: DNA (دئوکسی ریبونوکلئیک اسید) و RNA (اسید ریبونوکلئیک)
• پلی ساکاریدها: سلولز، کیتوزان، کیتین و غیره
• پلی پپتیدها: کلاژن، ژلاتین، گلوتن، آب پنیر و غیره

پلیمرهای زیستی را می توان با معیارهای دیگری مانند مواد پایه (حیوانی، گیاهی یا میکروبی)، زیست تخریب پذیری، مسیر سنتز، کاربردها یا خواص آنها طبقه بندی کرد.

نمونه هایی از برخی بیوپلیمرهای تجاری تولید شده عبارتند از [1]:

• پلی استرهای زیستی مانند پلی لاکتیک اسید (PLA)، پلی هیدروکسی بوتیرات (PHB)، پلی بوتیلن سوکسینات (PBS)، پلی بوتیلن سوکسینات آدیپات (PBSA)، پلی تری متیلن ترفتالات (PTT)
• پلی اولفین های زیستی مانند پلی اتیلن (Bio-PE)
• پلی آمیدهای مبتنی بر زیستی (Bio-PA) مانند هموپلی آمیدها (Bio-PA 6، Bio-PA 11) و کوپلی آمیدها (Bio-PA 4.10 – Bio-PA 5.10 – Bio-PA 6.10، Bio-PA 10.10)
• پلی یورتان هایی مانند Bio-PUR
• پلیمرهای پلی ساکارید مانند پلیمرهای مبتنی بر سلولز (سلولز بازسازی شده، دی استات سلولز) و پلیمرهای مبتنی بر نشاسته (نشاسته ترموپلاستیک، مخلوط نشاسته)

آینده پلیمرهای زیستی

شکل زیر افزایش تولید پلیمرهای زیستی را بین سال 2017 و آنچه در سال 2022 تخمین زده می شود نشان می دهد. علاوه بر این، پیش بینی می شود که پلیمرهای زیست تخریب پذیر درصد بیشتری از تولید پلیمرهای زیستی را در سال های آینده تشکیل دهند. واضح است که تولید پلیمرهای زیستی در مسیر صعودی قرار دارد. اگرچه راه درازی در پیش دارد، اما اگر بخواهد از فرآورده های نفتی خارج شود، پیش بینی می شود تولید از 2.27 میلیون تن در سال 2017 به 4.31 میلیون تن در سال 2022 افزایش یابد. این حداقل تا حدی نتیجه تقاضای عمومی و مقررات دولتی است. ، که همچنان تاثیر بسزایی خواهد داشت.

شکل 2. ظرفیت های تولید پلاستیک های زیستی اقتصاد جدید بر اساس نوع مواد [1].

تامین کنندگان پلیمرهای زیستی/زیست پلاستیک

شرکت‌های زیر گریدهای پلیمری مختلفی را ارائه می‌کنند که در Matmatch یافت می‌شوند. از لینک های زیر می توانید با تامین کنندگان تماس بگیرید:

[1] “پلیمرهای زیستی، حقایق و آمار”، موسسه پلاستیک‌های زیستی و کامپوزیت‌های زیستی، Hochschule Hannover، ISSN (چاپ) 2363-8559، ISSN (آنلاین) 2510–3431، ویرایش 5، 2018. [Online]. در دسترس:https://www.ifbb-hannover.de/files/IfBB/downloads/faltblaetter_broschueren/Biopolymers-Facts-Statistics-2018.pdf. [Accessed Apr. 2, 2020].

[2] K. Van de Velde و P. Kiekens، “بیوپلیمرها: مروری بر چندین ویژگی و

عواقب برنامه های آنها” پلیم. تست. 21 (2002) 433-442، اوت 2001.

[3] S. Muthulakshmi، “بررسی پلیمرهای زیستی papain، صمغ اقاقیا، صمغ کتیرا و صمغ گوار: خواص فیزیکی و ضد میکروبی”، پایان نامه دکتری، گروه فیزیک، دانشگاه Manonmaniam Sundaranar، Tirunelveli، 2013.

[4] ME Hassan، J. Bai و D. Dou، “بیوپلیمرها؛ تعریف، طبقه بندی و کاربردها،” مصر. جی. شیمی. جلد 62، شماره 9. ص 1725–1737، 2019.

[5] L. Altomare, L. Bonetti, CE Campiglio, L. De Nardo, L. Draghi, F. Tana and S. Farè, “استراتژی های مبتنی بر پلیمرهای زیستی در طراحی دستگاه های پزشکی هوشمند و اندام های مصنوعی” Int J Artif. اندام ها جلد 41، شماره 6. صص. 337-359، 2018.

[6] AM Díez-Pascual، “سنتز و کاربردهای کامپوزیت های بیوپلیمر”، بین المللی جی. مول. جلد 20, 2321, 2019.