بیوپلاستیک

بیوپلاستیک به زبان ساده به انواعی از پلاستیک گفته می‌شود که برخلاف پلاستیک‌های سنتی نفت‌پایه، از منابع زیست‌توده تجدیدپذیر مانند گیاهان تولید می‌شوند و قابلیت تجزیه زیستی دارند. این پلاستیک‌های زیستی راهکاری نوین برای کاهش آلودگی محیط زیست ناشی از انباشت پلاستیک‌های معمولی به شمار می‌روند. پلاستیک‌های معمولی ممکن است صدها سال در طبیعت باقی بمانند و تجزیه نشوند، اما بیوپلاستیک‌ها طوری طراحی شده‌اند که در شرایط مناسب توسط میکروارگانیسم‌ها شکسته شده و به مواد طبیعی مانند آب و دی‌اکسیدکربن تبدیل شوند. به همین دلیل به بیوپلاستیک‌ها پلاستیک سبز نیز گفته می‌شود؛ زیرا ردپای کربن کمتری بر جای می‌گذارند و پس از مصرف، زباله کمتری در طبیعت تولید می‌کنند. در این مقاله با نگاهی تخصصی به مزایا، کاربردها و چالش‌های بیوپلاستیک می‌پردازیم تا ببینیم چگونه این نوآوری می‌تواند به حل مشکل آلودگی پلاستیکی کمک کند.

پلاستیک سبز چیست؟

پلاستیک سبز اصطلاحی است که به پلاستیک‌های سازگارتر با محیط زیست اطلاق می‌شود. این پلاستیک‌ها یا از مواد اولیه زیستی (گیاهی) ساخته می‌شوند یا قابلیت تجزیه‌پذیری زیستی دارند و در حالت ایده‌آل هر دو ویژگی را دارا هستند. برخلاف پلاستیک‌های متداول که از سوخت‌های فسیلی و منابع غیرقابل تجدید تولید می‌شوند، پلاستیک‌های سبز معمولاً بر پایه پلیمرهای گیاهی مانند نشاسته ذرت، نیشکر، روغن‌های گیاهی یا ترکیبات زیستی دیگر ساخته می‌شوند. به عنوان مثال PLA (پلی‌لاکتیک اسید) یک بیوپلاستیک کاملاً زیستی است که از تخمیر نشاسته یا قند گیاهان (مانند ذرت یا نیشکر) به دست می‌آید. همچنین بیوپلی‌اتیلن و بیوپلی‌پروپیلن از اتانول زیستی تولید شده و عملکردی مشابه انواع نفتی خود دارند. پلاستیک سبز به دلیل استفاده از منابع تجدیدپذیر و توان تجزیه‌شدن طبیعی، می‌تواند انتشار گازهای گلخانه‌ای و وابستگی به نفت را کاهش دهد. به عنوان نمونه، بررسی‌های اولیه شرکت کوکاکولا نشان داده است بطری پلاستیکی که ۳۰٪ آن از مواد زیستی (Bio-PET) ساخته شده، تا ۲۰٪ انتشار کربن کمتری نسبت به بطری تمام‌نفتی دارد. پلاستیک‌های سبز در مراحل اولیه توسعه هستند اما رشد سریعی دارند و در طیف گسترده‌ای از کاربردها از محصولات یک‌بارمصرف تا قطعات بادوام به کار می‌روند.

پلاستیک تجزیه‌پذیر چیست؟

پلاستیک تجزیه‌پذیر به پلاستیک‌هایی گفته می‌شود که تحت شرایط طبیعی (وجود میکروب‌ها، اکسیژن، رطوبت و نور) طی مدت زمان معقولی تجزیه شده و به ترکیبات ساده‌تری تبدیل می‌شوند. بسیاری از بیوپلاستیک‌ها ذاتاً تجزیه‌پذیر هستند، بدین معنا که پس از مصرف توسط میکروارگانیسم‌ها شکسته شده و به موادی مانند آب، CO₂ و زیست‌توده تبدیل می‌شوند. این ویژگی کمک می‌کند تا مشکل ماندگاری طولانی‌مدت پلاستیک‌ها در محیط کاهش یابد. برای مقایسه، یک کیسه پلاستیکی معمولی ممکن است حدود ۲۰۰ سال یا بیشتر در طبیعت باقی بماند و موجب آلودگی خاک و آسیب به جانداران شود، در حالی که اگر همین کیسه از جنس پلاستیک تجزیه‌پذیر باشد می‌تواند ظرف چند سال تجزیه گردد. البته تجزیه‌پذیری به شرایط محیطی نیز وابسته است؛ بیشتر پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر برای تجزیه کامل نیازمند شرایط صنعتی یا کمپوستینگ (دما و رطوبت کنترل‌شده) هستند و در محیط‌های عاری از نور و اکسیژن (مثلاً مدفون در خاک یا زباله‌دان) ممکن است بسیار کندتر تجزیه شوند. با این حال، افزودن مواد افزودنی خاص یا استفاده از پلیمرهای زیستی در ترکیب پلاستیک می‌تواند سرعت تجزیه را به طور قابل توجهی کاهش دهد (مثلاً پلاستیک‌های اکسو-زیست‌تخریب‌پذیر که با افزودنی‌های ویژه در معرض نور و هوا طی ۲–۵ سال خرد و تجزیه می‌شوند). در مجموع، پلاستیک تجزیه‌پذیر راهکاری مهم برای کاهش تجمع زباله‌های پایدار پلاستیکی در طبیعت است، مشروط بر اینکه در پایان عمر مفید خود به درستی دفع یا کمپوست شود.

کاربردهای بیوپلاستیک

بیوپلاستیک‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصر‌به‌فردشان در سال‌های اخیر کاربردهای متنوعی پیدا کرده‌اند. صنعت بسته‌بندی بزرگ‌ترین بازار مصرف بیوپلاستیک است. بسیاری از ظروف یک‌بارمصرف غذا، لیوان‌ها، بشقاب‌ها، کارد و چنگال و نی‌های نوشیدنی اکنون از پلیمرهای زیستی مانند PLA ساخته می‌شوند که پس از استفاده تحت شرایط مناسب قابل کمپوست شدن هستند. بسته‌بندی مواد غذایی و کیسه‌های خرید زیست‌تخریب‌پذیر از دیگر کاربردهای رایج هستند که مستقیماً مشکل زباله‌های پلاستیکی را هدف گرفته‌اند. کشاورزی نیز از بیوپلاستیک بهره می‌برد؛ برای مثال فیلم‌های مالچ کشاورزی تجزیه‌شونده می‌توانند پس از برداشت محصول در خاک تجزیه شوند و نیاز به جمع‌آوری پلاستیک از مزارع را برطرف کنند. در پزشکی و داروسازی، پلیمرهای زیستی برای تولید کپسول‌های دارویی قابل جذب، نخ‌های بخیه قابل جذب و داربست‌های زیست‌تخریب‌پذیر در مهندسی بافت استفاده می‌شوند. حتی در صنایع خودروسازی و الکترونیک نیز بیوپلاستیک راه یافته است؛ برخی قطعات داخلی خودرو، قاب تلفن‌همراه و لوازم الکترونیکی اکنون از پلاستیک‌های زیستی تولید می‌شوند تا هم وزن کمتر و هم سازگاری محیطی بیشتری داشته باشند. تنوع کاربردها روز‌به‌روز در حال افزایش است، به طوریکه محصولات بادوام مانند اسباب‌بازی‌ها، لوازم خانگی کوچک و حتی پوشش‌های محافظ هم از مواد پایه‌زیستی ساخته می‌شوند. هرچند در حال حاضر بسته‌بندی و محصولات یک‌بارمصرف بیشترین سهم را دارند، اما با پیشرفت فناوری انتظار می‌رود بیوپلاستیک‌ها در بخش‌های بیشتری جایگزین پلاستیک‌های رایج شوند و به ستون اصلی اقتصاد چرخشی در صنعت پلیمر تبدیل گردند.

بیوپلاستیک در معماری

ورود بیوپلاستیک به حوزه معماری و ساخت‌وساز، افق‌های جدیدی را برای معماری پایدار گشوده است. مهندسان و معماران به دنبال مواد جایگزین دوستدار طبیعت هستند و بیوپلاستیک‌ها گزینه‌ای جذاب در این زمینه محسوب می‌شوند. به طور مثال، از بیوپلاستیک‌های سبک و عایق می‌توان برای تولید مواد عایق‌بندی ساختمان استفاده کرد که ضمن داشتن کارایی حرارتی مناسب، پس از پایان عمر بنا قابل بازگشت به طبیعت هستند.

پانل‌ها و ورق‌های ساخته شده از پلیمرهای زیستی به عنوان عناصر سازه‌ای یا نما نیز مورد آزمایش قرار گرفته‌اند؛ پژوهش‌ها نشان می‌دهد برخی بیوپلاستیک‌های تقویت‌شده توان تحمل بارهای ساختمانی را دارند و می‌توانند در ساخت دیوارهای پیش‌ساخته یا المان‌های غیرحمال استفاده شوند. در طراحی داخلی، بیوپلاستیک به ساخت مبلمان، تزئینات و پوشش‌های دکوراتیو راه یافته است. برای مثال صندلی‌ها، چراغ‌ها یا کاشی‌های دکوراتیو از جنس بیوپلاستیک علاوه بر زیبایی، از لحاظ زیست‌محیطی نیز کم‌ضررتر هستند. ویژگی عدم انتشار مواد سمی و نداشتن VOCs (ترکیبات آلی فرار) در بسیاری از بیوپلاستیک‌ها باعث بهبود کیفیت هوای داخل ساختمان می‌شود. حتی در اجزای تأسیساتی ساختمان مانند لوله‌ها و اتصالات برق هم نسخه‌های زیستی پدید آمده‌اند که عملکردی مشابه پلاستیک‌های معمولی دارند اما زیست‌تخریب‌پذیرند. یکی از جذاب‌ترین کاربردهای بیوپلاستیک در معماری، ساخت سازه‌های موقت نظیر غرفه‌های نمایشگاهی و پاویون‌هاست. به دلیل وزن کم و امکان تجزیه پس از اتمام رویداد، بیوپلاستیک گزینه‌ای ایده‌آل برای این کاربردها به شمار می‌رود. در مجموع، هرچند بیوپلاستیک هنوز به طور گسترده در ساختمان‌سازی استفاده نشده است، اما نمونه‌های اولیه نشان می‌دهد که با پیشرفت فناوری می‌توان در آینده سازه‌ها و بناهایی ساخت که بخش قابل توجهی از مصالح آنها از پلاستیک‌های سبز و قابل تجزیه باشد. این رویکرد می‌تواند ردپای زیست‌محیطی صنعت ساخت‌وساز را به میزان چشمگیری کاهش دهد.

تولید پلاستیک‌های سبز چگونه است؟

تولید بیوپلاستیک از مسیرهای مختلفی انجام می‌شود که وجه مشترک همه آن‌ها استفاده از مواد اولیه زیستی به جای نفت خام است. یکی از روش‌های متداول، استخراج نشاسته یا قند از منابع گیاهی (مثل ذرت، نیشکر یا سیب‌زمینی) و تخمیر آن توسط میکروارگانیسم‌ها است که منجر به تولید مونومرهای لازم (مانند اسید لاکتیک) و سپس پلیمریزاسیون آن به پلیمرهایی چون PLA می‌شود. روش دیگر استفاده از میکروارگانیسم‌ها برای تولید مستقیم پلیمر است؛ به عنوان مثال باکتری‌ها می‌توانند در شرایط مناسب پلی‌هیدروکسی‌آلکانوات‌ها (PHA) را درون سلول‌های خود انباشته کنند که پس از استخراج به عنوان پلاستیک زیستی کاربرد دارد. همچنین برخی بیوپلاستیک‌ها با اصلاح شیمیایی پلیمرهای طبیعی تولید می‌شوند؛ مثلاً سلولز یا نشاسته را با تغییرات شیمیایی به پلاستیک قابل‌حرارت‌دهی تبدیل می‌کنند (مانند استات‌سلولز یا نشاسته‌ترموپلاستیک). در مقیاس صنعتی، تولید بیوپلاستیک تاکنون در حجم محدود نسبت به پلاستیک معمولی انجام شده است.

طبق آمار، کل ظرفیت تولید جهانی بیوپلاستیک‌ها در سال ۲۰۲۰ حدود ۲٫۱ میلیون تن بوده که تقریباً ۱٪ از تولید کل پلاستیک جهان را شامل می‌شود. این رقم تا سال ۲۰۲۵ به حدود ۲٫۸۷ میلیون تن در سال پیش‌بینی شده است. پرمصرف‌ترین بیوپلیمرها در بازار کنونی PLA و انواع پلی‌استرهای زیستی (مثل PHA) هستند که به دلیل قیمت ارزان‌تر و فرآیند تولید آسان‌تر، سهم بیشتری دارند. تولید بیوپلاستیک چالش‌هایی نیز دارد؛ از جمله نیاز به تامین پایدار مواد خام کشاورزی و هزینه تولید بالاتر در قیاس با پلاستیک‌های پتروشیمی. با این وجود، روند رو به رشد تقاضا و سرمایه‌گذاری شرکت‌های بزرگ (از جمله سرمایه‌گذاری کوکاکولا در PlantBottle با Bio-PET) نشان می‌دهد تولید پلاستیک‌های سبز در حال ورود به فاز صنعتی جدی‌تری است.

نوآوری‌هایی مانند تولید پلیمر از جلبک‌ها، پسماندهای کشاورزی یا حتی دی‌اکسیدکربن هوا در دست تحقیق است که می‌تواند در آینده وابستگی به محصولات کشاورزی را کاهش داده و تولید پلاستیک زیستی را پایدارتر کند. به طور خلاصه، فرآیند تولید بیوپلاستیک در حال بلوغ بوده و انتظار می‌رود با بهبود فناوری و مقیاس تولید، قیمت تمام‌شده کاهش یافته و رقابت‌پذیری آن با پلاستیک‌های سنتی بیشتر شود.

تولید بیوپلاستیک در ایران

در ایران نیز طی یکی دو دهه اخیر توجه به بیوپلاستیک و پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر افزایش یافته است. براساس گزارش‌ها، از اوایل دهه ۱۳۹۰ برخی شرکت‌های ایرانی اقدام به تولید محصولات پلاستیکی تجزیه‌پذیر کردند. به عنوان نمونه در سال ۱۳۹۰ گروه مادیران شرکتی به نام «کیمیا‌سبز» تأسیس کرد که عمده فعالیت آن تولید کیسه‌های پلاستیکی زیست‌تخریب‌پذیر بر پایه نشاسته ذرت بود. این ابتکار را می‌توان یکی از نخستین گام‌های صنعتی ایران در عرصه بیوپلاستیک دانست. پس از آن چندین شرکت دیگر نیز با استفاده از افزودنی‌های اکسو-زیست‌تخریب‌پذیر، تولید نایلون‌ها و نایلکس‌های تجزیه‌پذیر را آغاز کردند؛ چنان‌که شرکت دارا پلاستیک غرب ادعا کرده نخستین تولیدکننده این نوع محصولات در ایران بوده و موفق به دریافت نشان ملی استاندارد برای پلاستیک‌های اکسوزیست‌تخریب‌پذیر شده است. علاوه بر صنعت، مراکز پژوهشی نیز در توسعه بیوپلاستیک نقش داشته‌اند.

پژوهشگران شهرک علمی تحقیقاتی اصفهان اخیراً پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر پایه‌نشاسته و نانوالیاف طبیعی را طراحی کرده‌اند و با یک قرارداد صنعتی قرار است سالانه ۵ هزار تن از این پلیمرها برای صنایع بسته‌بندی تولید شود. همچنین در پارک علم و فناوری البرز یک شرکت دانش‌بنیان موفق به تولید نوعی بسته‌بندی زیست‌تخریب‌پذیر شده که دارای بذر گل است و پس از مصرف با کاشت یا آبیاری، از آن گیاه رشد می‌کند.

این نوآوری که برای نخستین بار در جهان گزارش شده، علاوه بر کاهش زباله پلاستیکی می‌تواند به سرسبزی محیط هم کمک کند. هرچند ایران در زمینه تولید انبوه بیوپلیمرهای پیشرفته (مانند PLA یا PHA در مقیاس صنعتی بزرگ) هنوز گام‌های ابتدایی را طی می‌کند، اما افزایش آگاهی عمومی و سیاست‌های حمایت از محیط زیست باعث شده تقاضا برای محصولات پلاستیکی سبز در حال رشد باشد. به عنوان مثال، تولید و مصرف کیسه‌های پلاستیکی تجزیه‌پذیر در فروشگاه‌ها و صنایع بسته‌بندی غذایی نسبت به گذشته بیشتر شده و برخی شهرداری‌ها نیز طرح‌هایی برای جایگزینی کیسه‌های معمولی با انواع زیست‌تخریب‌پذیر اجرا کرده‌اند. در مجموع می‌توان گفت ایران در ابتدای مسیر توسعه صنعت بیوپلاستیک قرار دارد، اما با توجه به ظرفیت علمی و لزوم حل معضل آلودگی پلاستیکی، پتانسیل پیشرفت سریعی در این حوزه دیده می‌شود.

چالش‌ها و موانع توسعه بیوپلاستیک

با وجود مزایای چشمگیر، بیوپلاستیک‌ها راه‌حل جادویی مشکل پلاستیک نیستند و با چالش‌هایی رو‌به‌رو هستند. یکی از مهم‌ترین موانع، هزینه تولید بالا و ظرفیت محدود است؛ پلاستیک‌های زیستی هنوز نسبت به همتایان نفتی گران‌ترند و در بسیاری کاربردها از نظر اقتصادی رقابت‌پذیر نیستند. چالش دیگر، خواص فنی و عملکردی آن‌هاست. بسیاری از بیوپلاستیک‌ها استحکام یا مقاومت حرارتی کمتری نسبت به پلاستیک‌های سنتی دارند و نمی‌توانند در همه موارد به سادگی جایگزین شوند. برای مثال PLA در برابر حرارت بالا تحمل کمی دارد و برای بسته‌بندی مایعات داغ مناسب نیست.

همچنین زیرساخت‌های بازیافت و دفع برای بیوپلاستیک‌ها مهیا نشده است. این مواد اگر با پلاستیک‌های معمولی قاطی شوند، می‌توانند روند بازیافت را مختل کنند چون دمای ذوب و ترکیبشان متفاوت است. از سوی دیگر، تجزیه‌پذیری بسیاری از بیوپلاستیک‌ها منوط به وجود تأسیسات صنعتی کمپوست است که در همه جا در دسترس نیست. در غیاب این شرایط، حتی پلاستیک‌های برچسب‌خورده به عنوان “قابل‌کمپوست” ممکن است در محیط طبیعی یا زباله‌دان سال‌ها سالم بمانند. پژوهش‌ها تأکید می‌کنند تصور اینکه بطری‌ها و بسته‌بندی‌های گیاهی را می‌توان به راحتی دور انداخت تا خودبه‌خود ناپدید شوند، تصور درستی نیست.

در واقع اگر این مواد در لندفیل‌ها مدفون شوند، به دلیل نبود اکسیژن و نور کافی ممکن است به کندی تجزیه شوند و در عوض گاز متان (یک گاز گلخانه‌ای قوی) متصاعد کنند. تأمین مواد اولیه زیستی نیز چالش‌آفرین است. تولید پلاستیک زیستی در مقیاس بسیار بزرگ مستلزم اختصاص زمین‌های کشاورزی برای کشت گیاهان صنعتی (مثل ذرت، نیشکر یا سیب‌زمینی) است که می‌تواند با تولید مواد غذایی رقابت کند. هرچند در حال حاضر سهم زمین‌های کشاورزی که صرف کشت مواد خام بیوپلاستیک می‌شود ناچیز (کمتر از ۰٫۰۲٪) است، اما در صورت رشد فزاینده این صنعت باید به بهره‌وری کشاورزی و استفاده از ضایعات برای تولید پلیمر توجه کرد. به طور خلاصه، بیوپلاستیک‌ها مزایای زیست‌محیطی قابل توجهی دارند (کاهش کربن و سموم، تجدیدپذیری منابع و کاهش زباله) اما حل کامل معضل آلودگی پلاستیکی مستلزم رفع موانعی نظیر کاهش هزینه تولید، بهبود خواص فنی، ایجاد زیرساخت‌های دفع مناسب و اعمال سیاست‌های تشویقی (مثل مسئولیت تولیدکننده در بازیافت) است. در کنار توسعه بیوپلاستیک، کارشناسان بر این نکته تأکید دارند که بهترین راه‌حل، کاهش مصرف پلاستیک‌های یک‌بارمصرف، بهبود نظام بازیافت و جایگزینی با مواد قابل‌کودشدن (مانند کاغذ) است. بیوپلاستیک می‌تواند بخشی از راه‌حل باشد ولی به تنهایی کافی نخواهد بود.