موتور پمپ: MP
شکل ۲-۶: نقشه جریان مواد تولید نشاسته سیب‌زمینی
فصل سوم
بیو‌پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر و خوراکی
۳-۱- مقدمه
استفاده از بیوپلیمرهای‌ زیست‌تخریب‌پذیر[۳۰] (زیست فروپاشنده) برای بسته‌بندی یا پوشش‌دادن مواد غذایی سالیان طولانی است که مورد توجه محققین بوده است. تولید و کاربرد این بیوپلیمر‌ها در صنایع بسته‌بندی می‌تواند مزایای زیر را داشته باشد:
۱) چون بخش عمده‌ای از بیوپلیمرها منشأ کشاورزی دارند و به طور معمول از محصولات گیاهی و حیوانی به دست می‌آیند، می‌توان با تولید و استخراج آنها ارزش افزوده محصولات کشاورزی را بالا برد.
۲) این بیوپلیمرها از منابع تجدید‌پذیر[۳۱] به دست می‌آیند (برخلاف پلیمرهای سنتزی که بیشتر منشا نفتی دارند) بنابراین تولید آنها می‌تواند موجب حفظ منابع تجدیدناپذیر برای نسل‌های آینده گردد.
۳) بیوپلیمرهای حاصل از فراورده‌های کشاورزی قابلیت برگشت به طبیعت را دارند و توسط میکروارگانیسم‌ها در طی فرایند کمپوست[۳۲] به محصولات طبیعی مانند دی‌اکسیدکربن، آب، متان و توده‌زیستی (بیومس)[۳۳] تبدیل می‌شوند. بنابراین این بیوپلیمرها زیست فروپاشنده هستند و موجب آلودگی محیط زیست نمی‌گردند.
بررسی‌ها نشان داده است که بیش از نیمی از زباله‌های شهروندان در کشورهای صنعتی را مواد بسته‌بندی تشکیل می‌دهند. برای مثال در کشور ایالات متحده آمریکا سالانه تقریباً ۵۰ میلیون تن ضایعات حاصل از بسته‌بندی تولید می‌شود که بخش عمده‌ای از آن را مواد پلاستیکی حاصل از مشتقات نفتی تشکیل می‌دهد(گیلبرت، ۱۹۸۶).
در حال حاضر از روش‌های مختلفی برای حل مشکل ضایعات بسته‌بندی استفاده می‌شود. در زیر به چند روش رایج و معایب آنها اشاره شده است:
۱) روش دفن زباله‌ها[۳۴]در این روش زمین زیادی مورد نیاز است و موجب آلودگی آبهای زیرزمینی می‌شود.
۲) روش سوزاندن زباله‌ها[۳۵]این روش موجب افزایش آلودگی هوا و ایجاد باران‌های اسیدی می‌شود. همچنین شناسایی محل‌های مناسب برای سوزاندن مشکل است.
۳) روش بازیافت زباله‌ها[۳۶]: مواد حاصل از بازیافت را نمی‌توان برای مواد غذایی و پزشکی مورد استفاده قرار داد. همچنین هزینه جمع‌آوری و حمل و نقل آن بالاست و نیز به علت اینکه معمولاً بسته‌بندی‌های مواد غذایی از چند لایه متفاوت تشکیل می‌شود بازیافت آنها مشکل است.
با توجه به مسائل ذکر شده، توسعه دانش مربوط به بیوپلیمر و بهبود خواص آنها جهت کسب استانداردهای مواد بسته‌بندی سنتزی، ضروری به نظر می‌رسد. مهمترین این خواص شامل خواص مکانیکی و نفوذپذیری نسبت به گازها (اکسیژن، دی‌اکسید کربن) و بخارآب می‌باشد (گیلبرت، ۱۹۸۶).
بیوپلیمرهای مورد استفاده در بسته‌بندی را می‌توان بر اساس ساختار شیمیایی به چهار دسته پروتئین‌ها، پلی‌‌ساکاریدها، لیپیدها و پلی‌استرها تقسیم کرد:
۱) پروتئین‌: مانند زئین ذرت، گلوتنین و گلیادین گندم، پروتئین‌های سویا، ژلاتین، کلاژن، میوفیبریل گوشت، کازئین شیر، پروتئین‌های آب پنیر شیر، پروتئین‌های تخم مرغ.
۲) کربوهیدرات‌ها: مانند سلولز و مشتقات سلولز (متیل سلولز، کربوکسی‌متیل سلولز، هیدروکسی‌پروپیل سلولز)، نشاسته و مشتقات آن، ترکیبات پکتینی، کیتین و کیتوزان، صمغ‌هایی مانند آلژینات، کاراگینان، پولولان و لوان، گزانتان، خرنوب و گوار.
۳) لیپیدها: مانند چربی‌ها و روغن‌های گیاهی و حیوانی، موم‌ها (مانند موم زنبور عسل)، مشتقات گلیسیریدی مانند گلیسرول و مونواستئارات و سورفاکتانت‌ها (امولیسفایرها). چون مواد لیپیدی به صورت پلیمر نیستند فیلم‌های پیوسته و مستقلی تولید نمی‌کنند. لیپیدها بخاطر بازدارندگی در مقابل نفوذ رطوبت در ساختار فیلم مرکب استفاده می شوند. فیلم‌های مرکب به دو صورت هستند-
الف) لایه لیپیدی به عنوان لایه‌ای فرعی روی لایه پروتئینی یا پلی‌ساکاریدی قرار می‌گیرد.
ب) مواد لیپیدی در ماتریکس پروتئین یا پلی‌ساکارید پخش می‌شوند (فیلم امولسیونی).
۴) پلی‌استرها: مانند پلی‌هیدروکسی بوتیرات (PHB)[37]، پلی‌هیدروکسی والرات(PHV)[38]، پلی‌لاکتیک‌اسید (PLA)[39]، پلی‌گلیکولیک اسید. این دسته بیشتر حالت زیست تخریب‌پذیری غیر خوراکی دارد (کستر و فنیما، ۱۹۸۶).
بیوپلیمرها به دو صورت زیر در تولید بسته‌بندی زیستی بکار می‌روند:
الف) آلیاژکردن بیوپلیمرها با پلیمر سنتزی
ب) استفاده مستقیم از بیوپلیمرها برای بسته‌بندی‌های زیستی
الف) آلیاژکردن بیوپلیمرها با پلیمر سنتزیوقتی بیوپلیمرها با پلیمرهای سنتزی برای تولید موادبسته‌بندی آلیاژ می‌شوند در برابر تهاجم م

برای دانلود فایل متن کامل پایان نامه به سایت ۴۰y.ir مراجعه نمایید.

یکروارگانیسم‌ها مساعدتر می‌شوند و زیست‌تخریب‌پذیری آنها نیز افزایش می‌یابد.
در حال حاضر اکثر محصولات تجاری که با این روش ساخته می‌شوند از اختلاط بیوپلیمر نشاسته و یک پلیمر سنتزی ساخته می‌شوند. استفاده از بیوپلیمرهای دیگر مانند سلولز، پروتئین‌ها و لیپیدها در این روش هنوز رایج نشده است.
بیوپلیمرها به شکل مواد پرکننده و همچنین بصورت مواد ترکیبی در ساختار پلیمرهای سنتزی بکار می‌روند:
۱) استفاده از بیوپلیمرها به عنوان پرکننده: نخستین پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر با استفاده از اکسترودکردن گرنولهای نشاسته (به میزان ۵ تا ۲۰ درصد) با پلیمرهای سنتزی به همراه افزودنی‌های پرواکسیداتیو و اتواکسیداتیو به دست آمد. در این روش، در اثر اکسترودکردن، گرانول‌های نشاسته بدون هیچ برهمکنشی در ماتریکس پلیمر سنتزی (معمولاً پلی‌اتیلن) پراکنده می‌شوند (گیلبرت، ۱۹۸۶).
به علت زیست فروپاشی نشاسته با آنزیم‌ها، سطح بین پلیمر سنتزی و اتمسفر اطراف (اکسیژن، آب و غیره) بیشتر می‌شود و قابلیت تجزیه و تخریب‌پذیری آن افزایش می‌یابد. به تخریب‌شدن این مواد در محیط، زیست‌شکنندگی[۴۰] می‌گویند. معمولا ۳ تا ۵ سال طول می‌کشد تا این مواد کاملاً تجزیه گردد.
تاکنون فرآورده‌های گوناگونی تحت نام‌های تجاری مختلف با استفاده از این روش تولید شده‌اند. برای مثال در کانادا با نام تجاری Ecoster، در آمریکا با نام‌های Polyclean و Polychim و در فرانسه تحت عنوان Ecopolym به بازار معرفی شده‌اند. اگرچه این فراورده‌ها زیست تخریب‌پذیری نسبتاً بالایی در مقایسه با پلیمرهای سنتزی خالص دارند ولی به علت سازگاری ضعیف نشاسته و پلی‌اتیلن، خواص مکانیکی آنها ضعیف خواهد بود. بنابراین درصد نشاسته‌ای که در این محصولات بکار می‌رود محدود می‌باشد.
۲) استفاده از بیوپلیمرها به عنوان مواد ترکیبی: در این روش نشاسته به حالت ژلاتینه شده (نه به شکل گرانولی) با پلیمرهای سنتزی آبگریز مانند پلی‌‌اتیلن و یک ماده سازگار کننده مانند کوپلیمرهای اتیلن با اسید آکریلیک، وینیل‌الکل، پلی‌ونیل الکل و استات وینیل آلیاژ می‌شود. در این روش برخلاف روش قبل بین نشاسته و پلیمرهای سنتزی نوعی برهمکنش ایجاد می‌شود و نشاسته به فاز پراکنده محدود نمی‌شود. برای ایجاد برهمکنش بین بیوپلیمر نشاسته و پلیمر سنتزی از سازگار کننده‌های مناسب استفاده می‌شود (گیلبرت، ۱۹۸۶).
تخریب کامل نشاسته ۴۰ روز طول می‌کشد و تخریب کامل فیلم ترکیبی حداقل به دو تا سه سال زمان نیاز دارد در حالیکه حداقل ۲۰۰ سال طول می‌کشد که پلیمر سنتزی پلی‌اتیلن در محیط طبیعی تجزیه گردد. محصولات تولید شده تحت این روش، تحت نام‌های تجاری مختلف ارائه می‌شوند. برای مثال در آمریکا تحت عنوان Polygrade II و در ایتالیا تحت نام Mater-B عرضه می‌شوند.
ب) استفاده مستقیم از بیوپلیمرها در بسته‌بندی‌های زیستیمی‌توان بیوپلیمرها را بدون ترکیب با پلیمرهای سنتزی برای تولید مواد بسته‌بندی مورد استفاده قرار داد. بسته‌‌بندی‌های زیستی حاصل از بیوپلیمرهای خالص دارای سرعت زیست تخریب‌پذیری بالایی نسبت به فیلم‌های آلیاژ شده می‌باشند. ولی کیفیت مکانیکی و نفوذپذیری آنها به نسبت، پایین‌تر است (گیلبرت، ۱۹۸۶ و ویبر، ۲۰۰۰).
بسته بندی‌های زیستی را بر اساس هضم‌پذیری می‌توان به دو دسته خوراکی و غیرخوراکی تقسیم کرد. فیلم‌ها و پوشش‌ها معمولاً جزو بسته‌بندی‌های خوراکی طبقه‌بندی می‌شوند به شرطی که در ساخت آنها از افزودنی‌های مضّر استفاده نشود. بسته‌بندی‌های زیستی سخت و نیمه سخت مانند سینی‌ها، بطری‌ها و پاچ‌ها جزو دسته غیرخوراکی طبقه‌بندی می‌شوند.
اگر خواص بیوپلیمرها با آن چیزی که مورد نیاز است مطابقت نداشته باشد یا اگر بیوپلیمرها، ماهیّت ترموپلاستیک نداشته باشند باید اصلاحات معینّی روی آنها صورت گیرد. معمولاً یک بیوپلیمر بعد از اصلاح نیز نمی‌تواند به تنهایی خواص بسیار ویژه مورد نیاز مانند نفوذپذیری بسیار پایین نسبت به گازها و مقاومت بالا نسبت به آب را برآورده کند. بنابراین برای تولید مواد بسته‌بندی مناسب، مجبور به استفاده از چندین نوع پلیمر در ترکیب، لامینه کردن با لایه‌های مختلف و اکسترودکردن مواد مختلف می‌باشیم.
۳-۲- روش‌های تولید بسته‌بندی‌های زیستی