برآورد اقتصادي توليد و کاربرد پليمر PHB در صنعت بسته بندی

سعيده اسمعيلي: کارشناس ارشد علوم و صنايع غذایي

فاطمه يزديان: استاديار گروه گروه مهندسي علوم زيستي

کيانوش خسروي داراني: دانشيار گروه تحقيقات علوم و صنايع غذايي

چکيده

پليمرهاي زيستي به صورت گرانول‏‏هاي درون سلولي در ريزسازواره‏‌هاي مختلف تشکيل مي‌شوند و داراي کاربرد وسيع در صنعت بسته‏ بندي مي‏ باشند اما توليد در مقياس صنعتي پلي‌استرهاي زيست تخريب‌پذير به دليل هزينه‌هاي نسبتاً بالاي سوبسترا، توليد كم پليمر و هزينه‌هاي زياد جداسازي و نگهداري ريزسازواره با محدوديت‌هايي مواجه است. لذا امروزه مطالعات زيادي در خصوص راهبردهاي مختلف با هدف كاهش قيمت تمام شده پلي هيدروکسي بوتيرات (PHB) درحال انجام مي‏ باشد.

 در اين مقاله عوامل موثر بر برآورد هزينه توليد PHB شامل ميزان تجمع آن در سلول، بهره‏دهي، قيمت سوبسترا و راندمان به ازاي واحد سوبسترا، فرايندهاي پايين دستي، هوادهي و مقياس توليد معرفي مي‌شود. در ادامه برآورد اقتصادي توليد PHB در مقياس صنعت ارائه شده و راهبردهاي مختلف با هدف كاهش قيمت تمام شده آن بيان مي‏شوند. در پايان نيز اشاره گذرا به كاربرد پلاستيک‏هاي زيست‏تخريب‏پذير توليد شده از PHB در تشخيص، درمان و صنعت بسته بندي انجام شده است.

 واژگان کليدي: پليمرهاي زيستي، پلي هيدروکسي بوتيرات، اقتصاد، بسته بندي.

 1-مقدمه

    توليد روزافزون پليمرهاي مقاوم به تخريب زيستي منجر به تجمع ضايعات پليمري در طبيعت شده و مشكلات زيست‌محيطي فراوان ايجاد مي‌كند. توليد پليمرهاي زيستي به صورت گرانول‏هاي درون سلولي در ريزسازواره‏هاي مختلف، جايگزين مناسبي براي پليمرهاي صنعتي در صنعت بسته بندي مي‏باشند. PHB به دليل خواص فيزيكي و مكانيكي مشابه با پلاستيك‌هاي مصنوعی، جذابیت زیاد دارد و علاوه بر خواص مشابه پلي‌پروپلين، ترموپلاستيكي بوده، مقاومت 100% در برابر آب دارد و زيست‏تخريب‌پذيري نيز مي‌باشد. به هر حال توليد در مقياس صنعتي پلي‌استرهاي زيست‏تخريب‌پذير به دليل هزينه‌هاي نسبتاً بالاي سوبسترا، توليد كم پليمر و هزينه‌هاي بالاي جداسازي و نگهداري ريزسازواره با محدوديت‌هايي مواجه است [1] .به دليل همين محدوديت‌ها توليد پلاستيك‌هاي زيست‏تخريب‏پذير قابل رقابت با پلاستيک‏هاي پتروشيميايي مرسوم نمي‌باشد[2].

2-عوامل موثر بر برآورد هزينه توليد PHB

    عوامل متعددي بر هزينه توليد PHB مؤثرند. مهمترين اين فاكتورها عبارتند از ميزان تجمع PHB در سلول، بهره‌دهي، قيمت سوبسترا و راندمان تولید به ازاي واحد سوبسترا. يك ريزسازواره ايده‌آل براي توليد PHB بايد قابليت بالايي براي توليد و تجمع آن را در سلول داشته باشد و همچنين بتواند بر روي سوبستراهاي ارزان‌قيمت به سرعت رشد كند. باكتري‏هاي رالستونيا اوتروفا، آلکالي ژنز لاتوس، ازتوباکتر وينيلادي، متيلوتروف‌ها و اشريشيا کلي نوتركيب سويه‌هاي مناسبي براي توليد PHB هستند، زيرا قابليت توليد غلظت از آن در خود را دارند.  قيمت منبع كربن يك فاكتور اساسي در قيمت تمام شده PHB است و %38 از كل هزينه توليد يك واحد با ظرفيت 100000 تن در سال را شامل مي‌شود [3].به دليل قيمت بالاي سوبستراهايي مانند گلوكز و پروپيونيك اسيد، تحقيقات زيادي براي جداسازي ریزسازواره‌هاي قادر به توليد PHB از منابع كربن ارزان‌قيمت انجام شده است [4]. فاكتور موثر ديگر بر قيمت تمام شده PHB، فرآيند بازيابي پليمر مي‌باشد. استخراج با حلال معمولترين فرآيند براي بازيابي PHB است، اما به دليل ويسكوزيته بالاي محلول حلال زیادی مصرف می‌شود (20 حجم حلال براي استخراج 1 حجم پليمر)[5].

    عامل ديگر هوا‌دهي و افزایش مقیاس سيستم مي‌باشد. بازدهي PHB به ازاي واحد سوبسترا فقط بر هزينه سوبسترا تأثير دارد و بر هزينه سرمايه‌گذاري مستقيم (شامل كارگر و واحدهاي کمکی) تأثيري ندارد. با كاهش قيمت سوبسترا، بازدهي PHB افزايش مي‌يابد. همچنين ظرفيت توليد بر روي بازدهي PHB تأثيري ندارد [6].

3-برآورد اقتصادي توليد PHB در مقياس صنعت

    تحقيقات زيادي برای برآورد اقتصادي توليد PHB در مقياس صنعتي و یافتن راه‏هاي كاهش هزينه توليد انجام شده است [6]. براي چهار سويه مختلف، هزينه‌هاي توليد با استفاده از روش بازيابي انتشار بيشتر از روش سورفكتانت به دست آمد. همچنين اشريشيا کلي نوتركيب قادر به مصرف سوبستراهاي ارزان‌قيمت مي‌باشد [2]با افزایش بهره‌دهي PHB، فقط هزينه تجهيزات كاهش مي‌يابد و با افزايش از 98/1 به gPHB/L/hr 29/3 ، قيمت توليد از $/Kg 37/5 به 91/4 كاهش مي‌يابد. ميزان تجمع PHB بر هزينه تجهيزات، بازدهي بازيابي، درجه خلوص محصول و راندمان توليد به ازاي واحد سوبسترا مؤثر است. با افزايش تجمع، بازیابی محصول عامل هضم كمتري نیاز دارد و فاضلاب كمتر توليد مي‌شود. روش بازيابي سورفكتانت هيپوكلريت نسبت به استخراج با حلال كلروفرم ارزان‌تر است، زيرا حلال كمتر مصرف و فاضلاب كمتر تولید مي‌شود. هضم آنزيمي نسبتاً گران و پيچيده است. PHB توليدی از اشريشيا کلي نوتركيب با روش ساده و ارزان جدا مي‌شود. هضم با سود M 2/0 به مدت  h2، PHB با درجه خلوص %5/98 حاصل کرده [6]  و قيمت PHB توليد شده %75 روش سورفكتانت مي‌باشد.

4-استفاده از راهبردهاي مختلف با هدف كاهش قيمت تمام شده PHB

P(3HB)     و P(3HB-CO-3HV) دو عضو خانواده پلي‌هيدروكسي­آلكانوآتها هستند كه توليد تجاري آن‏ها در حال توسعه است [7]. عوامل مؤثر بر قيمت توليد PHA عبارتند از: بهره‌دهي (gL^-1h^-1)، راندمان توليد، قيمت منبع كربن و روش استخراج[8]. نيمي از هزينه توليد PHB مربوط به فرآيند استخراج و خالص‌سازي مي‌باشد. به طور كلي به منظور كاهش قيمت PHAs تحقيقات در چهار زمينه در حال انجام است [8] : 1-جداسازي و پرورش باكتري‏ها با قابليت بهره‌دهي بالا و رشد مناسب بر منابع كربن ارزان قيمت، 2- استفاده از روش‌هاي كشت با تراكم سلولي بالا براي كاهش قيمت تمام شده محصول3-تحقيق در زمينه روش‏هاي ارزان ولي مؤثر در استخراج پلي‌هيدروكسي­آلكانوآتها4- انتقال ژن باكتري‏ها به گياهان

5-كاربرد پلاستيک‏هاي زيست تخريب پذير توليد شده از PHB

    تحقيقات زیادی بر خاصيت زيست‌‌تخريب‌پذيري، ترموپلاستيكي، سازگاري با سامانه‌هاي حياتي و طبيعت پلي‌استري پلي‌هيدروكسي­آلكانوآتها انجام شده است. پلي‌هيدروكسي­آلكانوآتها از منابع تجديدپذير توليد مي‌شوند لذا كاربردهاي فراوان آنها قابل توجيه است. مونومرهای هيدروكسي بوتيرات و هيدروكسي والرات داراي كربن فعال نوري بوده و هر دو داراي شكل فضايي D(-) هستند. از اين خاصيت پليمر براي سنتز شيميايي مواد فعال نوري كه فقط در شكل فضايي خاصي داراي فعاليت زیستی هستند (مانند بعضي داروها) استفاده شده است. در كروماتوگرافي نيز براي جداسازي ايزومرهاي نوري مي‌توان از اين پليمر استفاده نمود[9] .خاصيت زيست تخريب‌پذيري PHB و سازگاري آن با سامانه‌هاي حياتي سبب شده كه از اين پليمر در آزادسازي كنترل شدة داروها در داروسازي و دامپزشكي استفاده شود. استخوان و PHB خواص پيزوالكتريك مشابهي دارند. تحريك الكتريكي سبب تقويت و تحكيم استخوان مي‌شود. هنگامي كه شكستگي در استخوان رخ مي‌دهد با استفاده از صفحه‌اي از PHB مي‌توان استخوان را نگه داشته و رشد آن را نيز تحريك نمود. همچنین زيست تخريب‌پذير آن سبب جذب آرام آن شده و از عمل جراحي مجدد براي برداشتن قطعه پيوندي جلوگيري مي‌شود [10].بعضي از کاربردهاي پلي‌هيدروكسي­آلكانوآتها در پزشکي عبارتند از :[11] اشياء دورريز مانند تيغ، پوشك و محصولات بهداشتي، بست، نخ و دستكش جراحي، ماده اوليه براي توليد تركيبات با خواص نوري، پوشش زخم، جايگزين رگ، محرك رشد و التيام استخوان، جايگزين‌‌هاي استخوان (پروتز). در كشاورزي براي محافظت گندم از آفات خاك مي‌توان از حشره‌كش با پوششي از PHB استفاده نمود. همراه با بذرافشاني در پائيز گرانول‏هايي از PHB حاوي حشره‌كش نيز كاشته مي‌شوند. فعاليت باكتري‏هاي تخريب كننده PHB در شروع بهار سبب آزاد شدن تدريجي حشره‌كش شده بذرها در محيط فاقد آفات خاك جوانه مي‌زنند. با شروع زمستان دما كاهش يافته و فعاليت باكتري‏هاي تخريب‌كنندة PHB كاهش مي‌يابد. بنابراين حشره‌كش كمتري آزاد مي‌شود. اين امر بسيار ايده‌آل است زيرا در همان زمان فعاليت آفات هم كم مي‌شود. اما در بهار كه فعاليت آفات بيشتر است، حشره‌كش بيشتري هم آزاد مي‌شود [11]

يكي از ساده‌ترين اما مهمترین كاربردهاي P(HB-CO-HV) در بسته ‌بندي ظروف غذا، بطري‏هاي نوشابه، فيلم‏هاي پلاستيكي وكيسه‌ها است. با استفاده از اين پليمرها در موارد مذكور از انباشته شدن زباله در محيط جلوگيري به عمل مي‌آيد [10] .

 6-نتيجه‏گيري

    کاربرد وسيع PHB در صنايع بسته بندي به دلیل قابليت تخريب زيستي و شباهت به پليمرهاي پتروشيميايي زیاد است. مشکلات زيست محيطي ناشي از تجمع ضايعات پليمري در طبيعت، اخيراً تحقيقات زيادي در مورد برآورد اقتصادي توليد در مقياس صنعتي و جايگزيني آن‏ها با پليمرهاي پتروشيميايي و یافتن راه‏هايي براي كاهش هزينه توليد پليمرهاي زيستي انجام شده است که محوريت آن‏ها بر پايه پرورش باكتري‏هاي داراي قابليت بهره‌دهي بالا در منابع كربن ارزان قيمت، روش‌هاي كشت با تراكم سلولي بالا، روش‏هاي ارزان ولي مؤثر استخراج PHAs و انتقال ژن باكتري‏ها به گياهان مي‏باشد. به طور کلی در کشور ما به دلیل وفور پلیمرهای شیمیایی از یک طرف و وجود مساحت زیاد کشور (به ويژه در مقایسه با کشورهای اروپایی و ژاپن) هنوز تقاضای لازم و کافی برای تولید PHB و کاربرد آن در صنایع بسته بندی وجود ندارد، اما به نظر میرسد با راهکارهای معرفی شده در آینده نزدیک شاهد مصرف پلیمر زیست تخریب پذیر  در بسته بندی مواد غذایی باشیم.

References

[1] O. Hrabak, Industrial production of polyhydroxybutyrate, FEMS Microbiol. Rev. 103 (1992) 251-256.

[2] RJ. Wegen, Y. Ling, A.P.J. Middelberg, Industrial production of polyhydroxyalkanoates using Escherichia coli: an economic analysis, Trans. Chem. E. 76 (1998) 417-426.

[3] J. Choi, S.Y. Lee, Factors affecting the economics of polyhydroxyalkanoates production by bacterial fermentation, Appl. Microbiol. Biotechnol. 51(1999) 13-21.

[4] W.J. Page, Production of polyhydroxyalkanoates by Azotobacter vinelandii strain UWD in beet molasses culture, FEMS Microbiol. Rev. 103 (1992) 149-158.

[5] S.Y. Lee, Bacterial polyhydroxyalkanoates, Biotechnol. Bioeng. 49 (1996) 1-14.

[6] J. Choi, S.Y. Lee, Process analysis and economic evaluation for poly(3-hydroxybutyrates) production by fermentation, Bioproc. Eng. 17 (1997) 335-342.

[7] S.I. Hong, Y.R. Pyun, Membrane damage and enzyme inactivation of Lactobacillus plantarum by high pressure CO₂ treatment, Int. J. Food Microbiol. 63 (2001) 19-28.

[8] A.J. Mesiano, E.J. Beckman, A.J. Russell, Supercritical biocatalysis, Chem. Rev. 99 (1999):623–633.

 [9] F.O. Ayorinde, K.A. Saeed, E. Eribo, A. Morrow, W.E. Collis, F. Mclnnis, S.K. Pollack, B.e. Eribo, Production of polyhydroxubutyrate from saponified Veronia galamesis  oil by Alcaligenesis eutrophus,  J. Indus. Microbiol. Biotechnol. 21(1998) 46-50.

[10] B. Fuchtenbusch, A. Steinbuchel, Biosynthesis of polyhydroxyalkanoates from low rank coal liquefaction products by Pseudomonas oleovorance and Rhodococcus rubber, Appl Microbiol Biotechnol. 52 (1999) 91-95.

[11] B. Sonneleitner, G. Heinzle, G. Braunegg, R.M. Lafferty, Formal kinetics of polyhydroxubutyrate production in Alcaligenesis eutrophus H16 and Mycoplana rubra to the dissolved oxygen tension in ammonium limited batch cultures, Europ. J. Appl. Microbiol. 7(1979) 1-10.