كريات حمض البولي لاكتيك وبولي هيدروكسي ألكانوات

التلوث البلاستيكي العالمي والحاجة إلى بدائل مستدامة

تملأ النفايات البلاستيكية مدافن النفايات وتلوث المحيطات على مستوى العالم. تمثل المواد البلاستيكية المهملة مشكلة متزايدة في معظم البلدان، حيث تضر بالحياة البرية والموائل الطبيعية.

إعادة التدوير مفيدة جزئياً ولكنها ليست حلاً كاملاً للمشكلة. في معظم الأماكن، لا تزال المواد البلاستيكية المعاد تدويرها تفقد جودتها بعد بضع دورات. ويدعو الاستخدام الواسع النطاق للوقود الأحفوري في إنتاج البلاستيك اليوم إلى إيجاد بدائل صديقة للبيئة. تقدم البدائل القابلة للتحلل حلاً واعداً. يمكن للبلاستيك الذي يمكن أن يتحلل بشكل طبيعي أن يقلل من العبء على نظامنا البيئي ويؤدي إلى أنظمة بيئية أنظف.

البلاستيك القابل للتحلل الحيوي: حمض البوليلاكتيك والبولي هيدروكسي ألكانوات

يعد حمض البولي لاكتيك والبولي هيدروكسي ألكانوات من أشهر أنواع البلاستيك القابل للتحلل الحيوي. كلاهما مصنوعان من عمليات طبيعية مختلفة. يُصنع حمض البولي لاكتيك من موارد متجددة مثل الذرة وقصب السكر. ويُصنع البولي هيدروكسي ألكانوات من التخمير الميكروبي. تتحلل كلتا هاتين المادتين دون ترك مخلفات ضارة. ويسمح تركيبها الكيميائي للكائنات الحية المفيدة أو البيئة الطبيعية بتفكيكها إلى أشكال أبسط. ويعتبر غالبية الباحثين والمهندسين هذه المواد البلاستيكية بديلاً مناسباً للبلاستيك التقليدي.

لماذا يُعتبر حمض بولي لاكتيك وبولي هيدروكسي ألكانوات صديقاً للبيئة

ي تحللحمض البولي لاكتيك عن طريق التسميد الصناعي. يحتاج إلى الحرارة والماء لكي يتحلل إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. يتميز البولي هيدروكسي ألكانوات بأن معظم أشكاله تتحلل بشكل طبيعي في التربة والماء. وهي تقوم بذلك من خلال مساعدة البكتيريا الشائعة.

كلا النوعين من البلاستيك لهما بصمة كربونية أقل من البلاستيك التقليدي الذي يتم إنتاجه من النفط. ويستخدمان مواد خام متجددة في عمليات إنتاجهما. وهذا يعني استهلاك أقل للوقود الأحفوري.

وقد أظهرت العديد من الاختبارات أيضاً أن هذه المواد تطلق مواد كيميائية سامة أقل بمجرد تحللها. فهي لا تترك وراءها أي مواد كيميائية سامة يمكن أن تؤذي النباتات أو الحيوانات المحلية. وحقيقة أن الطبيعة يمكنها التعامل مع هذه المواد البلاستيكية بهذه السهولة تعطينا بصيص أمل في مستقبل أنظف وخالٍ من النفايات.

ما الذي يحدث عندما تتلامس هذه الكريات مع التربة أو الماء أو الميكروبات

تتحلل كريات حمض بولي لاكتيك وبولي هيدروكسي ألكانوات عندما تتلامس مع الماء أو التربة أو الميكروبات. يتحلل حمض البولي لاكتيك ببطء إلى حمض اللاكتيك عندما يتلامس مع الماء ودرجة الحرارة المناسبة. وبالنسبة إلى البولي هيدروكسي ألكانوات، تلعب البكتيريا الموجودة بشكل طبيعي دوراً مهماً. تفرز البكتيريا الإنزيمات التي تفكك سلاسل البوليمر الطويلة إلى سلاسل أقصر. ويتم تكسيرها إلى ماء وثاني أكسيد الكربون. وتحاكي هذه العملية التحلل الطبيعي، مثل تحلل المواد النباتية. ويعتمد معدل تحلل هذه الكريات على الظروف البيئية. فدرجة الحرارة والرطوبة والتجمعات الميكروبية تؤثر جميعها على معدل التحلل. في الظروف المثالية، تتحلل بعض البولي هيدروكسي ألكانوات بالكامل في غضون أسابيع إلى أشهر. ومع ذلك، في المناطق الأكثر برودة أو جفافًا، تكون العملية أكثر بطئًا.

مقارنة حمض البولي لاكتيك مقابل بولي هيدروكسي ألكانوات

يشترك حمض البولي لاكتيك والبولي هيدروكسي ألكانوات في العديد من الصفات الإيجابية. كما أن بينهما بعض الاختلافات المهمة. يحتاج حمض البولي لاكتيك إلى مزيد من الحرارة ليتحلل بشكل صحيح. ويعمل بشكل أفضل في ظروف الحرارة والرطوبة الخاضعة للتحكم مثل مرافق التسميد الصناعي. يتحلل البولي هيدروكسي ألكانوات بشكل طبيعي أكثر. وهي تعمل بشكل جيد في ظروف مختلفة، مثل التربة الطبيعية والبيئات المائية. تختلف الخواص الميكانيكية أيضاً. يكون حمض البولي لاكتيك بشكل عام أقوى وأكثر صلابة. وهذا يجعله مناسبًا لعناصر مثل أدوات المائدة والتغليف. بولي هيدروكسي ألكانوات أكثر مرونة. وتُستخدم عادةً في الأجهزة والأفلام الطبية. كما تختلف تكلفة الإنتاج والعمليات أيضًا. وصل حمض البولي لاكتيك إلى مستوى الإنتاج على نطاق واسع. لا يزال البولي هيدروكسي ألكانوات أكثر تخصصًا وأحيانًا أكثر تكلفة في الإنتاج.

التطبيقات والتأثير

تجد هذه الكريات القابلة للتحلل الحيوي تطبيقات في استخدامات مختلفة. في صناعة الأغذية، يُستخدم حمض البولي لاكتيك في أدوات المائدة والأكواب والحاويات التي تستخدم لمرة واحدة. وتستغل صناعة التعبئة والتغليف قوته ووضوحه. يحظى بولي هيدروكسي ألكانوات بتقدير كبير في الصناعة الطبية. ويتم تصنيعها في أنظمة توصيل الأدوية والخيوط الجراحية وضمادات الجروح. وتستخدمها بعض الشركات المصنعة في صناعة الأغشية الزراعية. وتقلل فوائدها البيئية من تلوث التربة عند استخدامها. ويمكن أن تواجه المدن والبلديات مشاكل أقل في إدارة النفايات باستخدام هذه المواد. وعمومًا، في معظم الحالات، تساعد المنتجات المصنوعة من هذه البوليمرات في تقليل الأثر البيئي. أظهرت الاختبارات الواقعية أن استبدال بلاستيك الوقود الأحفوري بهذه المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي يقلل من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. ومع تحول المزيد من الشركات إلى شركات صديقة للبيئة، فإن هذه المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي في طليعة الشركات التي تعمل على تطوير اقتصاد أكثر اخضراراً.

فكرة تجربة العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات

تجربة بسيطة توضح عملية التحلل. احصل على كمية صغيرة من كريات حمض البولي لاكتيك ومثلها من كريات البولي هيدروكسي ألكانوات. ضع كل منهما في برطمانات مع تربة رطبة. حافظ على البرطمانات في درجة حرارة ثابتة دافئة. لاحظ أي تغيرات في قوام المادة على مدار عدة أسابيع. لاحظ تغيرات الشكل واللون والوزن. يمكن ملاحظة علامات مثل ظهور الشظايا أو التليين. كما سيُظهر اختبار سريع باستخدام مجموعة اختبار الأس الهيدروجيني البسيطة التغيرات التي تطرأ على الأحماض العضوية.

تقدم التجربة طريقة عملية لمشاهدة تحلل المواد وتمكن الطلاب من رؤية العمليات الطبيعية. وهي مناسبة تماماً للمشاريع المدرسية أو نادي العلوم المدرسية، وتعزز المفاهيم الرئيسية في العلوم البيئية وهندسة المواد.

الخلاصة

تعتبر المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي بديلاً واعداً في كوكب غارق في النفايات البلاستيكية التقليدية. ويُعد حمض البولي لاكتيك والبولي هيدروكسي ألكانوات اثنين من هذه البدائل عملياً. فكلاهما يُنتج من مواد أولية متجددة ويمكن أن يتحلل بشكل طبيعي عند تعرضه للظروف المناسبة. وكلاهما يقلل من استهلاك الوقود الأحفوري والضغط على كوكبنا. لمزيد من المعلومات وتجارب العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

س: ما الذي يستخدمونه لإنتاج كريات حمض متعدد اللبنيك (polylactic acid)؟

س: إنها مصنوعة من موارد نباتية متجددة مثل الذرة وقصب السكر.

و: كيف يتحلل البولي هيدروكسي ألكانوات في البيئة؟

س: تُفرز البكتيريا الطبيعية إنزيمات تُحلِّل البوليمر إلى ثاني أكسيد الكربون والماء.

و: ما هي فوائد هذه المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي؟

س: تقلل من استهلاك الوقود الأحفوري وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري والتلوث البيئي.