توليد پلاستيك از گياهان
روزنامه شرق :
در انتهاى جاده اى سنگلاخى در ايالت آيواى مركزى، يك كشاورز در افق، به جايى خيره شده است كه تا چشم كار مى كند گياهان بلند و برگ دار ذرت قرار دارند و زير نسيم موج مى زنند. او لبخندى مى زند زيرا چيزى در مورد كشتزارش مى داند كه كمتر كسى از آن آگاه است چون نه فقط دانه هاى ذرت در سنبله آن رشد مى كنند بلكه گرانول هاى پلاستيك نيز در ساقه و برگ هاى آن توليد مى شوند.
به نظر مى رسد كه ايده رشد دادن پلاستيك «كه در آينده نزديك قابل حصول است» جالب تر از ساخت پلاستيك ها در كارخانجات پتروشيمى باشد. در اين كارخانجات هر ساله حدود ۲۷۰ ميليون تن نفت و گاز مصرف مى شود. در واقع سوخت هاى فسيلى علاوه بر انرژى، مواد اوليه را نيز براى تبديل نفت خام به پلاستيك هاى معمولى از قبيل پلى استايرن، پلى اتيلن و پلى پروپيلن فراهم مى كنند. كاربرد پلاستيك ها در تمام شئونات زندگى، گسترده شده است و نمى توان روزى، زندگى بدون پلاستيك را تصور كرد چون از بطرى هاى شير و نوشابه گرفته تا لباس و قطعات خودرو از پلاستيك هستند، گرچه اين توليد زياد پلاستيك ها اساساً زير سئوال رفته است. انتظار مى رود منابع شناخته شده ذخيره جهانى نفت تا ۸۰ سال ديگر تمام شوند و اين در مورد گاز طبيعى ۷۰ سال و براى زغال ۷۰۰ سال است، اما تاثيرات اقتصادى كاهش اين منابع خيلى زودتر فرا خواهد رسيد. وقتى منابع كاهش يابد، قيمت ها هر روز بالا خواهد رفت و اين واقعيتى است كه نمى تواند از كانون توجه سياستگزاران خارج شود. چند سال قبل كلينتون رئيس جمهور آمريكا در ماه اوت ۱۹۹۹ يك دستورالعمل اجرايى صادر كرد و طى آن تاكيد كرد كه بايد كار محققين به سمت جايگزينى سوخت هاى فسيلى با مواد گياهى به عنوان سوخت و نيز به عنوان مواد خام جهت گيرى شود. با توجه به اين نگرانى ها، تلاش مهندسين بيوشيمى براى كشف چگونگى رشد پلاستيك گياهى از دو جهت سبز است: يكى اينكه قابل ساخت از منابع تجديدپذير است و ديگر اينكه اساساً پلاستيك توليدى پس از دور ريختن قابل تجزيه بيولوژيكى است.
اما تحقيقات اخير ترديدهايى در مورد صحت اين ديدگاه ها به وجود آورده است. اول اينكه، توانايى تجزيه بيولوژيكى داراى «هزينه پنهانى» است. بدين معنى كه با تجزيه پلاستيك ها دى اكسيدكربن و متان تشكيل و متصاعد مى شود كه اين گازها، جزء گازهاى به دام افكننده گرما يا گازهاى گلخانه اى هستند كه كوشش هاى امروزه جهانى در جهت كاهش آنها است. علاوه بر اين، هنوز به سوخت هاى فسيلى براى ايجاد انرژى مورد نياز فرايند استخراج پلاستيك از گياهان نياز است. براساس محاسبات، اين نياز به انرژى بسيار بيشتر از آن چيزى بود كه فكر مى شد. در اينجا است كه بايد گفت توليد موفقيت آميز پلاستيك هاى سبز در گرو اين است كه محققان بتوانند با روش هاى با صرفه، بر موانع مصرف انرژى غلبه كرده در عين حال نيز هيچ بارى بر محيط زيست اضافه نكنند. توليد سنتى پلاستيك ها متضمن مصرف بسيار زياد سوخت فسيلى است. خودروها، كاميون ها، هواپيماها و نيروگاه ها بيشتر از ۹۰ درصد از مواد توليدى پالايشگاه ها را مى بلعند، اما پلاستيك ها
از بقيه آن استفاده مى كنند كه اين مقدار تنها در آمريكا حدود ۸۰ ميليون تن در سال است.
تا به امروز كوشش صنايع بيوتكنولوژيكى و كشاورزى در مورد جايگزينى پلاستيك هاى معمولى با پلاستيك هاى گياهى به سه ديدگاه منجر شده است كه عبارتند از: تبديل شكرهاى گياهى به پلاستيك، توليد پلاستيك در داخل بدن ميكروارگانيسم هاى گياهى، رشد پلاستيك در ذرت و ديگر غلات.
شركت كارگيل (Cargill) يكى از غول هاى صنايع كشاورزى به همراه شركت داو (Dow) برترين شركت شيميايى جهان، چند سال پيش به توسعه ديدگاه اول همت گماشتند كه به تبديل شكر حاصل از ذرت و ديگر گياهان پلاستيكى به نام پلى لاكتيد (PLA) منجر شد. در مرحله اول ميكروارگانيسم ها شكر را به اسيدلاكتيك تبديل مى كنند و در مرحله بعدى، به طور شيميايى مولكول هاى اسيد لاكتيك به يكديگر متصل مى شوند تا زنجيره اى مشابه زنجيره پلى اتيلن ترفنالات (PET) كه پلاستيكى پتروشيميايى است و در بطرى نوشابه هاى خانواده و در الياف لباس ها استفاده مى شود، به دست آيد. در واقع جست وجوى محصولات جديد از شكر ذرت، جزيى از فعاليت هاى طبيعى شركت كارگيل بود كه با استفاده از كارخانه هاى آسياى مرطوب دانه هاى ذرت را به محصولاتى از قبيل شربت با فروكتوز بالاى ذرت، اسيد سيتريك، روغن نباتى، بيواتانول و غذاهاى حيوانات تبديل مى كند. در سال ۱۹۹۹ كارخانه هاى اين شركت ۳۹ ميليون تن ذرت را فرايند كردند كه اين مقدار تقريباً ۱۵ درصد كل برداشت ذرت آمريكا در آن سال بود. در ابتداى سال ۲۰۰۰ مجموعه كارگيل- داو طرحى با سرمايه ۳۰۰ ميليون دلار به منظور توليد انبوه پلاستيك جديدشان راه اندازى كرد. اين طرح با نام تجارى Nature Works و براى توليد انبوه PLA ارائه شد.
ديگر شركت ها از جمله صنايع شيميايى سلطنتى (ICI) روش هايى براى توليد نوع دوم اين پلاستيك ها ابداع كردند. اين پلاستيك پلى هيدروكسى آلكانوايت (PHA) نام دارد. PHA شبيه PLA از شكر گياهى ساخته شده و تجزيه پذير است. البته در مورد PHA يك باكترى به نام Ralstona eutropha شكر را مستقيماً به پلاستيك تبديل مى كند. براى توليد PLA يك مرحله شيميايى خارج از ارگانيسم بايد انجام گيرد اما در توليد PHA، اين زنجيره به طور طبيعى در داخل ميكروارگانيسم تا ۹۰ درصد از جرم سلول منفرد به صورت گرانول تجمع مى كند.
در پاسخ به بحران نفت در دهه ،۱۹۷۰ ICI فرايند تخميرى در مقياس صنعتى خود را كه طى آن ميكروارگانيسم ها شكر را به PHA تبديل مى كنند، با ظرفيت چند تن در سال ارائه كرد. شركت هاى ديگرى اين پلاستيك را قالب ريزى كرده و از آن اقلام تجارتى مثل تيغ ريش قابل تجزيه بيولوژيكى و بطرى هاى شامپو ساخته و به بازار ارائه كردند. اما اين اقلام پلاستيكى اساساً قيمت بالاترى از اقلام با پلاستيك هاى معمولى داشتند و هيچ مزيت عملكردى به غير از تجزيه پذيرى بيولوژيكى نداشتند. در سال ۱۹۹۵ شركت مونسانتو (Monsanto) فرايند و دستگاه هاى مربوطه را خريدارى كرد، اما سودآورى آن هم مبهم باقى مانده است. بسيارى شركت ها و گروه هاى علمى و نيز شركت مونسانتو كوشش هاى خود را معطوف به سومين ديدگاه توليد PHA يعنى رشد دادن پلاستيك در گياه كرده اند. با تصحيح ژنتيكى گياه غله مى توان آن را قادر به سنتز پلاستيك ساخت و در نتيجه فرايند تخمير را حذف كرد. يعنى به جاى رشد دادن غله، سپس برداشت آن، فرايند كردن آن، توليد شكر و نهايتاً تخمير شكر و توليد پلاستيك مى توان مستقيماً پلاستيك را در خود گياه ساخت. بسيارى محققين اين ديدگاه را جذاب ترين و با بازده ترين راه حل ساخت پلاستيك از منابع انرژى تجديدپذير مى دانند. طى اين سال ها گروه هاى زيادى در تعقيب اين هدف بوده و هستند.
146841.jpg
در اواسط دهه ۱۹۸۰ استيون اسلاتر (Steven C.Salter) عضو گروهى بود كه وظيفه آن جداسازى ژن هاى سازنده پلاستيك از باكترى بود. محققين پيش بينى مى كنند كه قرار دادن اين آنزيم ها در داخل يك گياه مى تواند تبديل استيل كوآنزيم A (ماده ى كه حين تبديل نور خورشيد به انرژى، به طور طبيعى در گياه تشكيل مى شود) به نوعى پلاستيك را انجام پذير سازد. در سال ۱۹۹۲ همكارى بين دانشمندان دانشگاه دولتى ميشيگان و دانشگاه جيمز ماديسون با اين هدف شروع شد. محققين با انجام مهندسى ژنتيك روى گياه Arabidopsis Thalianan توانستند نوعى PHA ترد بسازند. دو سال بعد شركت مونسانتو كار براى ساخت نوع انعطاف پذيرتر PHA را روى يك گياه معمول تر يعنى ذرت شروع كرد. از آنجا كه توليد پلاستيك نمى تواند با توليد غذا رقابت كند، محققين هدف خود را به سوى استفاده از قسمت هايى از گياه ذرت كه برداشت نمى شود (مثل برگ و ساقه) متوجه ساختند. رشد دادن پلاستيك در برگ و ساقه به كشاورزان هنوز اين امكان را مى دهد كه بتوانند با كمباين هاى معمولى ميوه ذرت را برداشت كرده و با زيرورو كردن مجدد مزرعه، برگ ها و ساقه هاى حاوى پلاستيك را برداشت كنند. برخلاف توليد PHA و PLA به روش تخمير كه بايد با استفاده از زمين براى توليد ذرت براى ديگر مقاصد رقابت كند، رشد دادن PHA در برگ و ساقه ذرت اين امكان را به وجود مى آورد كه بتوان ذرت و پلاستيك را به طور همزمان از يك مزرعه به دست آورد. ضمناً با استفاده از گياهان مناسب شرايط نامساعد مثل Switch grass مى توان از اين تقابل بين توليد پلاستيك و ديگر استفاده ها از زمين جلوگيرى كرد. يعنى لزومى ندارد كه فقط زمين هاى مخصوص كشت ذرت را به اين كار اختصاص دهيد. محققين به پيشرفت هاى فنى وسيعى در زمينه افزايش ميزان پلاستيك در گياه و همچنين تغيير زنجيره پلاستيك به منظور حصول به خواص مفيد، دست يافته اند. گرچه اين نتايج وقتى مستقلاً ديده مى شوند تشويق كننده اند ولى حصول به هر دو ويژگى يعنى تركيب مفيد و نيز ميزان بالاى پلاستيك در گياه خود يك مشكل است. تاكنون اثبات شده است كه كلروپلاست هاى برگ بهترين مكان براى توليد پلاستيك هستند. اما كلروپلاست ها اعضاى سبزى هستند كه وظيفه شان جذب نور است و اين در حالى است كه غلظت بالاى پلاستيك از فتوسنتز جلوگيرى كرده و بازدهى گياه را كاهش مى دهد. همچنين جداسازى پلاستيك از گياه خود يك چالش است. ابتدائاً محققين شركت مونسانتو تاسيسات استخراج را به عنوان واحد جانبى كارخانه فرآورى ذرت در نظر گرفتند. اما وقتى اين واحد را روى كاغذ طراحى كردند متوجه شدند استخراج و جمع آورى پلاستيك به مقادير زيادى حلال نياز دارد كه در نتيجه مى بايست بعداً به منظور استفاده مجدد بازيابى شود. اين زيرساختار فرايند از لحاظ اندازه با كارخانه هاى موجود پتروشيميايى برابرى مى كند و اندازه كارخانه آسياى ذرت را به شدت افزايش مى دهد. بايد توجه داشت كه انجام سرمايه گذارى و گذشت زمان باعث مى شود كه محققين بر اين موانع فنى غلبه كنند.
اما اينجا سئوالى كه مطرح مى شود اين است كه كدام راه حل ارزشمندتر است؟ وقتى انرژى و ماده خام لازم براى هر مرحله رشد PHA در گياهان، برداشت، خشك كردن برگ و ساقه، استخراج PHA از برگ و ساقه، تخليص پلاستيك، جداسازى و بازيايى حلال و تبديل پلاستيك به رزين را بررسى كنيد خواهيد ديد كه اين ديدگاه، انرژى خيلى بيشترى نسبت به توليد مواد پلاستيكى از منابع فسيلى در اغلب روش هاى پتروشيميايى، مصرف مى كند. در يك تحقيق كه اخيراً تكميل شده است، محققين متوجه شدند كه ساخت يك كيلوگرم PHA از گياه ذرت (تصحيح شده ژنتيكى) حدود ۳۰۰ درصد انرژى بيشتر از ۲۹ مگاژول لازم براى ساخت مقدار برابر پلى اتيلن (ساخته شده از سوخت فسيلى) مصرف مى كند. بنابراين نااميدانه بايد گفت مزيت استفاده از ذرت به جاى نفت به عنوان ماده خام، جبران كننده اين ميزان اختلاف در انرژى مصرفى نيست. براساس الگوهاى امروزى مصرف انرژى در صنايع فرآورى ذرت، براى توليد يك كيلوگرم PHA نياز به ۶۵/۲ كيلوگرم سوخت فسيلى است. براساس اطلاعات جمع آورى شده توسط جامعه سازندگان اروپايى پلاستيك ها (APME) از ۳۶ كارخانه اروپايى توليد پلاستيك، تخمين زده شد كه براى توليد يك كيلوگرم پلى اتيلن تنها به ۲/۲ كيلوگرم نفت و گاز طبيعى نياز است كه تقريباً نصف آن در محصول نهايى ظاهر مى شود. اين موضوع به اين معنى است كه تنها ۶۰ درصد از مقدار نفت و گاز مصرفى يعنى ۳/۱ كيلوگرم از آن به منظور توليد انرژى سوزانده مى شود.
با توجه به اين مقايسه، ممكن نيست متقاعد شويد كه رشد دادن پلاستيك در ذرت و سپس استخراج آن توسط انرژى ناشى از سوخت هاى فسيلى باعث حفظ منابع فسيلى مى شود. در واقع با جايگزينى منبع تجديدپذير به جاى منبع تجديدناپذير، ناگزير به استفاده از مقدار بيشترى از آن خواهيد شد. در مطالعه قديمى ترى، آقاى «تيلمان جرن جروس» (Tilman Gorngross) كشف كرد كه توليد يك كيلوگرم PHA به وسيله تخمير ميكروبى همان ميزان سوخت فسيلى، يعنى ۳۹/۲ كيلوگرم، نياز دارد. اين نتايج مايوس كننده قسمتى از دلايلى بود كه براساس آن شركت مونسانتو، پيشرو توليد PHA از گياه، سال گذشته اعلام كرد كه توسعه چنين سيستم هاى توليد پلاستيك را متوقف خواهد كرد. هم اكنون تنها پلاستيك كارخانه اى به اين روش كه صنعتى شده است، پلاستيك PLAى Cargill- Dow است. اين فرايند ۲۰ تا ۵۰ درصد منابع فسيلى كمترى نسبت به ساختن پلاستيك از نفت مصرف مى كند، اما هنوز از ديدگاه انرژى بسيار پرمصرف تر از بسيارى فرايندهاى پتروشيميايى است. مسئولان شركت انتظار دارند نهايتاً بتوانند ميزان انرژى لازم را كاهش دهند. راه ديگر همانا توسعه ديگر منابع شكر گياهى كه انرژى كمترى براى فرآورى نياز دارند، (مثل گندم و چغندر) است كه مى تواند استفاده از سوخت هاى فسيلى را كاهش دهد.
در همين زمان، دانشمندان در Cargill- Dow تخمين مى زنند اولين تاسيسات ساخت PLA كه هم اكنون در Blair نبراسكا در حال ساخت است، بتواند براى هر كيلوگرم پلاستيك ۵۶ مگاژول انرژى مصرف كند كه اين مقدار ۵۰ درصد بيشتر از انرژى لازم براى PET ولى ۴۰ درصد كمتر از نايلون است.
انرژى لازم براى توليد پلاستيك هاى گياهى دومين و حتى اولين مشكل زيست محيطى اين فرايند است.
نفت اولين منبع براى توليد پلاستيك هاى معمول است، اما ساخت پلاستيك از گياهان عمدتاً بر زغال و گاز طبيعى تكيه دارد كه براى راه انداختن مزارع ذرت و صنايع فرآورى ذرت مصرف مى شود. به همين دليل تعدادى از روش هاى گياهى از سوخت هاى كمياب (نفت) به سوخت هاى فراوان (زغال) تغيير سوخت داده اند. بعضى متخصصان معتقدند اين تغيير سوخت گامى به سمت توسعه پايدار است. موضوع فراموش شده در اين منطق، اين حقيقت است كه تمامى سوخت فسيلى مصرف شده براى ساخت پلاستيك ها از مواد خام تجديدپذير (ذرت) مى بايست سوخته شوند تا انرژى توليد كنند، در حالى كه در فرايندهاى پتروشيميايى قسمت عمده اى از سوخت به محصول نهايى تبديل مى شود.
سوزاندن سوخت بيشتر باعث وخيم تر كردن مشكل ديگرى مى شود كه آن افزايش انتشار گازهاى گلخانه اى مثل دى اكسيدكربن است. همچنين به طور طبيعى ديگر انتشارات مرتبط با احتراق سوخت فسيلى، مثل دى اكسيد گوگرد نيز افزايش مى يابد. اين گاز باعث توليد باران اسيدى مى شود و مورد نگرانى است. بايد توجه داشت كه هر فرايندى كه انتشار چنين گازهايى را افزايش دهد، در تقابل با پروتكل كيوتو قرار مى گيرد. اين قرارداد ناشى از كوشش بين المللى است كه توسط سازمان ملل به منظور تصحيح كيفيت هوا و محدود كردن گرم شدن جهانى از طريق كاهش دى اكسيدكربن و ديگر گازهاى مسئول در اتمسفر برقرار شده است.
چنين نتيجه گيرى از تحليل هاى ارائه شده، اجتناب ناپذير است. مزيت زيست محيطى رشد پلاستيك ها در گياهان در سايه مضراتى چون افزايش مصرف انرژى و افزايش انتشار گازها قرار گرفته است. به نظر مى آيد PLA تنها پلاستيك گياهى باشد كه بتواند در اين زمينه رقابت كند. گرچه اين راه حل به اندازه ساخت PHA در گياه مناسب نيست، اما داراى مزايايى است كه يك فرايند را با بازده جلوه گر مى كند. يعنى نياز به انرژى كم و درصد بالاى تبديل (بيش از ۸۰ درصد از هر كيلوگرم از شكر گياهى در محصول نهايى ظاهر مى شود). اما به رغم PLA بر پلاستيك گياهى، حين توليد اين پلاستيك به ناچار مقادير بيشترى گاز گلخانه اى نسبت به فرايندهاى پتروشيميايى مشابه منتشر مى شود.
استفن اسلاتر، تلمن گرنگراس
ترجمه: عبدالله مصطفايى- محمد طغرايى
صالح آرا 
