تولید پلاستیک از گیاهان

در انتهاى جاده اى سنگلاخى در ایالت آیواى مرکزى، یک کشاورز در افق، به جایى خیره شده است که تا چشم کار مى کند گیاهان بلند و برگ دار ذرت قرار دارند و زیر نسیم موج مى زنند. او لبخندى مى زند زیرا چیزى در مورد کشتزارش مى داند که کمتر کسى از آن آگاه است چون نه فقط دانه هاى ذرت در سنبله آن رشد مى کنند بلکه گرانول هاى پلاستیک نیز در ساقه و برگ هاى آن تولید مى شوند.
به نظر مى رسد که ایده رشد دادن پلاستیک «که در آینده نزدیک قابل حصول است» جالب تر از ساخت پلاستیک ها در کارخانجات پتروشیمى باشد. در این کارخانجات هر ساله حدود ۲۷۰ میلیون تن نفت و گاز مصرف مى شود. در واقع سوخت هاى فسیلى علاوه بر انرژى، مواد اولیه را نیز براى تبدیل نفت خام به پلاستیک هاى معمولى از قبیل پلى استایرن، پلى اتیلن و پلى پروپیلن فراهم مى کنند. کاربرد پلاستیک ها در تمام شئونات زندگى، گسترده شده است و نمى توان روزى، زندگى بدون پلاستیک را تصور کرد چون از بطرى هاى شیر و نوشابه گرفته تا لباس و قطعات خودرو از پلاستیک هستند، گرچه این تولید زیاد پلاستیک ها اساساً زیر سئوال رفته است. انتظار مى رود منابع شناخته شده ذخیره جهانى نفت تا ۸۰ سال دیگر تمام شوند و این در مورد گاز طبیعى ۷۰ سال و براى زغال ۷۰۰ سال است، اما تاثیرات اقتصادى کاهش این منابع خیلى زودتر فرا خواهد رسید. وقتى منابع کاهش یابد، قیمت ها هر روز بالا خواهد رفت و این واقعیتى است که نمى تواند از کانون توجه سیاستگزاران خارج شود. چند سال قبل کلینتون رئیس جمهور آمریکا در ماه اوت ۱۹۹۹ یک دستورالعمل اجرایى صادر کرد و طى آن تاکید کرد که باید کار محققین به سمت جایگزینى سوخت هاى فسیلى با مواد گیاهى به عنوان سوخت و نیز به عنوان مواد خام جهت گیرى شود. با توجه به این نگرانى ها، تلاش مهندسین بیوشیمى براى کشف چگونگى رشد پلاستیک گیاهى از دو جهت سبز است: یکى اینکه قابل ساخت از منابع تجدیدپذیر است و دیگر اینکه اساساً پلاستیک تولیدى پس از دور ریختن قابل تجزیه بیولوژیکى است.
اما تحقیقات اخیر تردیدهایى در مورد صحت این دیدگاه ها به وجود آورده است. اول اینکه، توانایى تجزیه بیولوژیکى داراى «هزینه پنهانى» است. بدین معنى که با تجزیه پلاستیک ها دى اکسیدکربن و متان تشکیل و متصاعد مى شود که این گازها، جزء گازهاى به دام افکننده گرما یا گازهاى گلخانه اى هستند که کوشش هاى امروزه جهانى در جهت کاهش آنها است. علاوه بر این، هنوز به سوخت هاى فسیلى براى ایجاد انرژى مورد نیاز فرایند استخراج پلاستیک از گیاهان نیاز است. براساس محاسبات، این نیاز به انرژى بسیار بیشتر از آن چیزى بود که فکر مى شد. در اینجا است که باید گفت تولید موفقیت آمیز پلاستیک هاى سبز در گرو این است که محققان بتوانند با روش هاى با صرفه، بر موانع مصرف انرژى غلبه کرده در عین حال نیز هیچ بارى بر محیط زیست اضافه نکنند. تولید سنتى پلاستیک ها متضمن مصرف بسیار زیاد سوخت فسیلى است. خودروها، کامیون ها، هواپیماها و نیروگاه ها بیشتر از ۹۰ درصد از مواد تولیدى پالایشگاه ها را مى بلعند، اما پلاستیک ها
از بقیه آن استفاده مى کنند که این مقدار تنها در آمریکا حدود ۸۰ میلیون تن در سال است.
تا به امروز کوشش صنایع بیوتکنولوژیکى و کشاورزى در مورد جایگزینى پلاستیک هاى معمولى با پلاستیک هاى گیاهى به سه دیدگاه منجر شده است که عبارتند از: تبدیل شکرهاى گیاهى به پلاستیک، تولید پلاستیک در داخل بدن میکروارگانیسم هاى گیاهى، رشد پلاستیک در ذرت و دیگر غلات.
شرکت کارگیل (Cargill) یکى از غول هاى صنایع کشاورزى به همراه شرکت داو (Dow) برترین شرکت شیمیایى جهان، چند سال پیش به توسعه دیدگاه اول همت گماشتند که به تبدیل شکر حاصل از ذرت و دیگر گیاهان پلاستیکى به نام پلى لاکتید (PLA) منجر شد. در مرحله اول میکروارگانیسم ها شکر را به اسیدلاکتیک تبدیل مى کنند و در مرحله بعدى، به طور شیمیایى مولکول هاى اسید لاکتیک به یکدیگر متصل مى شوند تا زنجیره اى مشابه زنجیره پلى اتیلن ترفنالات (PET) که پلاستیکى پتروشیمیایى است و در بطرى نوشابه هاى خانواده و در الیاف لباس ها استفاده مى شود، به دست آید. در واقع جست وجوى محصولات جدید از شکر ذرت، جزیى از فعالیت هاى طبیعى شرکت کارگیل بود که با استفاده از کارخانه هاى آسیاى مرطوب دانه هاى ذرت را به محصولاتى از قبیل شربت با فروکتوز بالاى ذرت، اسید سیتریک، روغن نباتى، بیواتانول و غذاهاى حیوانات تبدیل مى کند. در سال ۱۹۹۹ کارخانه هاى این شرکت ۳۹ میلیون تن ذرت را فرایند کردند که این مقدار تقریباً ۱۵ درصد کل برداشت ذرت آمریکا در آن سال بود. در ابتداى سال ۲۰۰۰ مجموعه کارگیل- داو طرحى با سرمایه ۳۰۰ میلیون دلار به منظور تولید انبوه پلاستیک جدیدشان راه اندازى کرد. این طرح با نام تجارى Nature Works و براى تولید انبوه PLA ارائه شد.
دیگر شرکت ها از جمله صنایع شیمیایى سلطنتى (ICI) روش هایى براى تولید نوع دوم این پلاستیک ها ابداع کردند. این پلاستیک پلى هیدروکسى آلکانوایت (PHA) نام دارد. PHA شبیه PLA از شکر گیاهى ساخته شده و تجزیه پذیر است. البته در مورد PHA یک باکترى به نام Ralstona eutropha شکر را مستقیماً به پلاستیک تبدیل مى کند. براى تولید PLA یک مرحله شیمیایى خارج از ارگانیسم باید انجام گیرد اما در تولید PHA، این زنجیره به طور طبیعى در داخل میکروارگانیسم تا ۹۰ درصد از جرم سلول منفرد به صورت گرانول تجمع مى کند.
در پاسخ به بحران نفت در دهه ،۱۹۷۰ ICI فرایند تخمیرى در مقیاس صنعتى خود را که طى آن میکروارگانیسم ها شکر را به PHA تبدیل مى کنند، با ظرفیت چند تن در سال ارائه کرد. شرکت هاى دیگرى این پلاستیک را قالب ریزى کرده و از آن اقلام تجارتى مثل تیغ ریش قابل تجزیه بیولوژیکى و بطرى هاى شامپو ساخته و به بازار ارائه کردند. اما این اقلام پلاستیکى اساساً قیمت بالاترى از اقلام با پلاستیک هاى معمولى داشتند و هیچ مزیت عملکردى به غیر از تجزیه پذیرى بیولوژیکى نداشتند. در سال ۱۹۹۵ شرکت مونسانتو (Monsanto) فرایند و دستگاه هاى مربوطه را خریدارى کرد، اما سودآورى آن هم مبهم باقى مانده است. بسیارى شرکت ها و گروه هاى علمى و نیز شرکت مونسانتو کوشش هاى خود را معطوف به سومین دیدگاه تولید PHA یعنى رشد دادن پلاستیک در گیاه کرده اند. با تصحیح ژنتیکى گیاه غله مى توان آن را قادر به سنتز پلاستیک ساخت و در نتیجه فرایند تخمیر را حذف کرد. یعنى به جاى رشد دادن غله، سپس برداشت آن، فرایند کردن آن، تولید شکر و نهایتاً تخمیر شکر و تولید پلاستیک مى توان مستقیماً پلاستیک را در خود گیاه ساخت. بسیارى محققین این دیدگاه را جذاب ترین و با بازده ترین راه حل ساخت پلاستیک از منابع انرژى تجدیدپذیر مى دانند. طى این سال ها گروه هاى زیادى در تعقیب این هدف بوده و هستند.
146841.jpg
در اواسط دهه ۱۹۸۰ استیون اسلاتر (Steven C.Salter) عضو گروهى بود که وظیفه آن جداسازى ژن هاى سازنده پلاستیک از باکترى بود. محققین پیش بینى مى کنند که قرار دادن این آنزیم ها در داخل یک گیاه مى تواند تبدیل استیل کوآنزیم A (ماده ى که حین تبدیل نور خورشید به انرژى، به طور طبیعى در گیاه تشکیل مى شود) به نوعى پلاستیک را انجام پذیر سازد. در سال ۱۹۹۲ همکارى بین دانشمندان دانشگاه دولتى میشیگان و دانشگاه جیمز مادیسون با این هدف شروع شد. محققین با انجام مهندسى ژنتیک روى گیاه Arabidopsis Thalianan توانستند نوعى PHA ترد بسازند. دو سال بعد شرکت مونسانتو کار براى ساخت نوع انعطاف پذیرتر PHA را روى یک گیاه معمول تر یعنى ذرت شروع کرد. از آنجا که تولید پلاستیک نمى تواند با تولید غذا رقابت کند، محققین هدف خود را به سوى استفاده از قسمت هایى از گیاه ذرت که برداشت نمى شود (مثل برگ و ساقه) متوجه ساختند. رشد دادن پلاستیک در برگ و ساقه به کشاورزان هنوز این امکان را مى دهد که بتوانند با کمباین هاى معمولى میوه ذرت را برداشت کرده و با زیرورو کردن مجدد مزرعه، برگ ها و ساقه هاى حاوى پلاستیک را برداشت کنند. برخلاف تولید PHA و PLA به روش تخمیر که باید با استفاده از زمین براى تولید ذرت براى دیگر مقاصد رقابت کند، رشد دادن PHA در برگ و ساقه ذرت این امکان را به وجود مى 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 مى توان از این تقابل بین تولید پلاستیک و دیگر استفاده ها از زمین جلوگیرى کرد. یعنى لزومى ندارد که فقط زمین هاى مخصوص کشت ذرت را به این کار اختصاص دهید. محققین به پیشرفت هاى فنى وسیعى در زمینه افزایش میزان پلاستیک در گیاه و همچنین تغییر زنجیره پلاستیک به منظور حصول به خواص مفید، دست یافته اند. گرچه این نتایج وقتى مستقلاً دیده مى شوند تشویق کننده اند ولى حصول به هر دو ویژگى یعنى ترکیب مفید و نیز میزان بالاى پلاستیک در گیاه خود یک مشکل است. تاکنون اثبات شده است که کلروپلاست هاى برگ بهترین مکان براى تولید پلاستیک هستند. اما کلروپلاست ها اعضاى سبزى هستند که وظیفه شان جذب نور است و این در حالى است که غلظت بالاى پلاستیک از فتوسنتز جلوگیرى کرده و بازدهى گیاه را کاهش مى دهد. همچنین جداسازى پلاستیک از گیاه خود یک چالش است. ابتدائاً محققین شرکت مونسانتو تاسیسات استخراج را به عنوان واحد جانبى کارخانه فرآورى ذرت در نظر گرفتند. اما وقتى این واحد را روى کاغذ طراحى کردند متوجه شدند استخراج و جمع آورى پلاستیک به مقادیر زیادى حلال نیاز دارد که در نتیجه مى بایست بعداً به منظور استفاده مجدد بازیابى شود. این زیرساختار فرایند از لحاظ اندازه با کارخانه هاى موجود پتروشیمیایى برابرى مى کند و اندازه کارخانه آسیاى ذرت را به شدت افزایش مى دهد. باید توجه داشت که انجام سرمایه گذارى و گذشت زمان باعث مى شود که محققین بر این موانع فنى غلبه کنند.
اما اینجا سئوالى که مطرح مى شود این است که کدام راه حل ارزشمندتر است؟ وقتى انرژى و ماده خام لازم براى هر مرحله رشد PHA در گیاهان، برداشت، خشک کردن برگ و ساقه، استخراج PHA از برگ و ساقه، تخلیص پلاستیک، جداسازى و بازیایى حلال و تبدیل پلاستیک به رزین را بررسى کنید خواهید دید که این دیدگاه، انرژى خیلى بیشترى نسبت به تولید مواد پلاستیکى از منابع فسیلى در اغلب روش هاى پتروشیمیایى، مصرف مى کند. در یک تحقیق که اخیراً تکمیل شده است، محققین متوجه شدند که ساخت یک کیلوگرم PHA از گیاه ذرت (تصحیح شده ژنتیکى) حدود ۳۰۰ درصد انرژى بیشتر از ۲۹ مگاژول لازم براى ساخت مقدار برابر پلى اتیلن (ساخته شده از سوخت فسیلى) مصرف مى کند. بنابراین ناامیدانه باید گفت مزیت استفاده از ذرت به جاى نفت به عنوان ماده خام، جبران کننده این میزان اختلاف در انرژى مصرفى نیست. براساس الگوهاى امروزى مصرف انرژى در صنایع فرآورى ذرت، براى تولید یک کیلوگرم PHA نیاز به ۶۵/۲ کیلوگرم سوخت فسیلى است. براساس اطلاعات جمع آورى شده توسط جامعه سازندگان اروپایى پلاستیک ها (APME) از ۳۶ کارخانه اروپایى تولید پلاستیک، تخمین زده شد که براى تولید یک کیلوگرم پلى اتیلن تنها به ۲/۲ کیلوگرم نفت و گاز طبیعى نیاز است که تقریباً نصف آن در محصول نهایى ظاهر مى شود. این موضوع به این معنى است که تنها ۶۰ درصد از مقدار نفت و گاز مصرفى یعنى ۳/۱ کیلوگرم از آن به منظور تولید انرژى سوزانده مى شود.
با توجه به این مقایسه، ممکن نیست متقاعد شوید که رشد دادن پلاستیک در ذرت و سپس استخراج آن توسط انرژى ناشى از سوخت هاى فسیلى باعث حفظ منابع فسیلى مى شود. در واقع با جایگزینى منبع تجدیدپذیر به جاى منبع تجدیدناپذیر، ناگزیر به استفاده از مقدار بیشترى از آن خواهید شد. در مطالعه قدیمى ترى، آقاى «تیلمان جرن جروس» (Tilman Gorngross) کشف کرد که تولید یک کیلوگرم PHA به وسیله تخمیر میکروبى همان میزان سوخت فسیلى، یعنى ۳۹/۲ کیلوگرم، نیاز دارد. این نتایج مایوس کننده قسمتى از دلایلى بود که براساس آن شرکت مونسانتو، پیشرو تولید PHA از گیاه، سال گذشته اعلام کرد که توسعه چنین سیستم هاى تولید پلاستیک را متوقف خواهد کرد. هم اکنون تنها پلاستیک کارخانه اى به این روش که صنعتى شده است، پلاستیک PLAى Cargill- Dow است. این فرایند ۲۰ تا ۵۰ درصد منابع فسیلى کمترى نسبت به ساختن پلاستیک از نفت مصرف مى کند، اما هنوز از دیدگاه انرژى بسیار پرمصرف تر از بسیارى فرایندهاى پتروشیمیایى است. مسئولان شرکت انتظار دارند نهایتاً بتوانند میزان انرژى لازم را کاهش دهند. راه دیگر همانا توسعه دیگر منابع شکر گیاهى که انرژى کمترى براى فرآورى نیاز دارند، (مثل گندم و چغندر) است که مى تواند استفاده از سوخت هاى فسیلى را کاهش دهد.
در همین زمان، دانشمندان در Cargill- Dow تخمین مى زنند اولین تاسیسات ساخت PLA که هم اکنون در Blair نبراسکا در حال ساخت است، بتواند براى هر کیلوگرم پلاستیک ۵۶ مگاژول انرژى مصرف کند که این مقدار ۵۰ درصد بیشتر از انرژى لازم براى PET ولى ۴۰ درصد کمتر از نایلون است.
انرژى لازم براى تولید پلاستیک هاى گیاهى دومین و حتى اولین مشکل زیست محیطى این فرایند است.
نفت اولین منبع براى تولید پلاستیک هاى معمول است، اما ساخت پلاستیک از گیاهان عمدتاً بر زغال و گاز طبیعى تکیه دارد که براى راه انداختن مزارع ذرت و صنایع فرآورى ذرت مصرف مى شود. به همین دلیل تعدادى از روش هاى گیاهى از سوخت هاى کمیاب (نفت) به سوخت هاى فراوان (زغال) تغییر سوخت داده اند. بعضى متخصصان معتقدند این تغییر سوخت گامى به سمت توسعه پایدار است. موضوع فراموش شده در این منطق، این حقیقت است که تمامى سوخت فسیلى مصرف شده براى ساخت پلاستیک ها از مواد خام تجدیدپذیر (ذرت) مى بایست سوخته شوند تا انرژى تولید کنند، در حالى که در فرایندهاى پتروشیمیایى قسمت عمده اى از سوخت به محصول نهایى تبدیل مى شود.
سوزاندن سوخت بیشتر باعث وخیم تر کردن مشکل دیگرى مى شود که آن افزایش انتشار گازهاى گلخانه اى مثل دى اکسیدکربن است. همچنین به طور طبیعى دیگر انتشارات مرتبط با احتراق سوخت فسیلى، مثل دى اکسید گوگرد نیز افزایش مى یابد. این گاز باعث تولید باران اسیدى مى شود و مورد نگرانى است. باید توجه داشت که هر فرایندى که انتشار چنین گازهایى را افزایش دهد، در تقابل با پروتکل کیوتو قرار مى گیرد. این قرارداد ناشى از کوشش بین المللى است که توسط سازمان ملل به منظور تصحیح کیفیت هوا و محدود کردن گرم شدن جهانى از طریق کاهش دى اکسیدکربن و دیگر گازهاى مسئول در اتمسفر برقرار شده است.
چنین نتیجه گیرى از تحلیل هاى ارائه شده، اجتناب ناپذیر است. مزیت زیست محیطى رشد پلاستیک ها در گیاهان در سایه مضراتى چون افزایش مصرف انرژى و افزایش انتشار گازها قرار گرفته است. به نظر مى آید PLA تنها پلاستیک گیاهى باشد که بتواند در این زمینه رقابت کند. گرچه این راه حل به اندازه ساخت PHA در گیاه مناسب نیست، اما داراى مزایایى است که یک فرایند را با بازده جلوه گر مى کند. یعنى نیاز به انرژى کم و درصد بالاى تبدیل (بیش از ۸۰ درصد از هر کیلوگرم از شکر گیاهى در محصول نهایى ظاهر مى شود). اما به رغم PLA بر پلاستیک گیاهى، حین تولید این پلاستیک به ناچار مقادیر بیشترى گاز گلخانه اى نسبت به فرایندهاى پتروشیمیایى مشابه منتشر مى شود.

استفن اسلاتر، تلمن گرنگراس
ترجمه: عبدالله مصطفایى- محمد طغرایى