کلمات کلیدی: بیوپلیمر، پلیمر های زیستی، باکتری، گیاه، تولیدکنندگان
پلیمر های متداول امروزی از نفت خام ساخته می شوند که با توجه به محدود بودن منابع نفتی باید به تدریج با بیوپلیمر ها که از منابع تجدید شونده ساخته می شوند، جانشین شوند.
بیوپلیمر از نظر بیوشیمی دان ها عبارت است از ماکرومولکول های بیولوژی که از تعداد زیادی زیر واحد کوچک و شبیه به هم که با اتصال کووالانسی به هم متصل شده اند ویک زنجیره طولانی را ایجاد می کنند، ساخته شده اند.
پلیمر های متداول امروزی از نفت خام ساخته می شوند که با توجه به محدود بودن منابع نفتی باید به تدریج با بیوپلیمر ها که از منابع تجدید شونده ساخته می شوند، جانشین شوند. بیوپلیمر از نظر بیوشیمی دان ها عبارت است از ماکرومولکول های بیولوژی که از تعداد زیادی زیر واحد کوچک و شبیه به هم که با اتصال کووالانسی به هم متصل شده اند ویک زنجیره طولانی را ایجاد می کنند، ساخته شده اند.
در روند طبیعی، بیوپلیمر ها و یا همان ماکرومولکول ها، ترکیبات داخل سلولی هستند که قابلیت زنده ماندن را به ارگانیسم در شرایط سخت محیطی می دهند.مواد بیوپلیمری در شکل های گوناگونی توسعه یافته اند؛ بنابراین ظرفیت استفاده در صنایع گوناگون را دارند. توسعه مواد بیوپلیمری به چنددلیل اهمیت دارد. اول این که این مواد بر خلاف پلیمر های امروزی که از مواد نفتی به دست می آیند، به محیط زیست برگشت پذیر هستند؛ بنابراین موادآلوده کننده محیط زیست به شمار نمی آیند. در این خصوص مواد بیوپلیمری در ساخت پلاستیک ها به دو صورت استفاده قرار می شوند.
اول استفاده از پلاستیک هایی که درآنها یک ماده تخریب پذیر(مانند نشاسته) به یک پلاستیک متداول (مانندپلی اتیلن) اضافه می شود، درنتیجه این ماده به افزایش سرعت تخریب پلاستیک کمک می کند. این مواد چند سالی هست که وارد بازار شده اند و با آن که کمک زیادی به کاهش زباله های پلاستیکی کرده اند، اما به دلیل این که در آنها از همان پلاستیک های متداول تخریب ناپذیر استفاده می شود و استفاده از مقدار زیادی مواد تخریب پذیر در پلاستیک ویژگی آن را تضعیف می کند، موقعیت چندان محکمی ندارند.
دوم استفاده از پلاستیک های تخریب پذیر ذاتی است که به دلیل ساختمان شیمیایی خاص به وسیله باکتری ها، آب یا آنزیم ها در طبیعت تخریب می شوند و خیلی سریع تر از نوع اول به محیط زیست بر می گردند، دردرجه دوم اهمیت مواد بیوپلیمری به وسیله موجودات زنده ساخته می شوند و در نتیجه در چرخه ساخت و تجزیه مواد بیولوژیک قرار می گیرند، پس هیچ گاه منابع آن محدود و تمام شدنی نیست، در حالی که مواد پلیمری و پلاستیکی امروزی از سوخت های فسیلی ساخته می شود که منابع آن محدود و تمام شدنی است. هر چند این منابع در حال حاضر و به ویژه در کشور ما به وفور یافت می شوند، ولی روزی تمام خواهند شد. سومین مزیت بیوپلیمر ها، اقتصادی بودن این مواد است، زیرا تولید بیوپلیمر نیاز زیادی به کارخانه و صنعت پیشرفته ندارد و با حداقل امکانات می توان به تولید آن مبادرت ورزید. همچنین قیمت بالای نفت خام، کشور ها را به سوی استفاده از این مواد سوق داده است.
هر چند امروزه برای کاربردهای بسیار خاص مانند نخ بخیه جراحی(نخ بخیه حل شونده) به کار می روند، ولی دیری نخواهد پایید که به استفاده گسترده از این پلیمر ها توجه خواهد شد. سه گروه از موجودات زنده می توانند بیوپلیمرها را تولید کنند که عبارتند از:گیاهان، جانوران و میکروارگانیسم ها که از این میان گیاهان و میکروارگانیسم ها اهمیت بیشتری دارند.
گیاهان تولیدکننده
بیشترین تحقیقات بیوپلیمری روی مهندسی ژنتیک گیاهان تولیدکننده فیبر مانند کتان، کنف و ... متمرکز شده است. به عبارت دیگر، توسعه واکنش های مولکولی درون سلولی گیاهان که به تولید مواد بیوپلیمری منجر می شود، مورد توجه مهندسان ژنتیک و بیوتکنولوژی قرار گرفته است. مواد بیوپلیمری که در سلول های گیاهی ساخته می شود، بیشتر از جنس پلی هیدروکسی بوتیرات (PHB) است. این ماده از نظر خصوصیات فیزیکی و مکانیکی بسیار شبیه پلی پروپیلن حاصل از مواد نفتی است. امروزه با همسانه سازی کردن ژن تولید کننده پلیمر پلی هیدروکسی بوتیرات در گیاهان معمولی که قابلیت تولید بیوپلیمر را ندارند، توانسته اند این محصول پلیمری را به طور انبوه تولید کنند. گیاهان، نیشکر، یونجه، درخت خردل و ذرت برای تولید این بیوپلیمر از طریق مهندسی ژنتیک انتخاب شده اند که ژن تولید کننده این پلیمر به داخل ژنوم این گیاهان وارد می شود و گیاه یادشده را به ساختن بیوپلیمر پلی هیدروکسی بوتیرات قادرمی سازد.
ارگانیه های تولیدکننده بیوپلیمر ها
درحدود ۸۰ سال قبل برای نخستین بار بیوپلیمر پلی هیدروکسی بوتیرات از باکتری باسیلوس مگاتریوم جدا سازی شد. ازآن پس دانشمندان بیوپلیمر به دنبال یافتن راه هایی هستند که تولیدات بیوپلیمری باکتریایی را توسعه دهند و به صورت تجاری درآورند.
بیوپلیمر هایی که سلول های باکتریایی قادر به تولید آن هستند و از آنها جداسازی شده اند، عبارتند از: پلی هیدروکسی آلکانوات (PHA)، پلی لاکتیک اسید (PLA) و پلی هیدروکسی بوتیرات (PHA). این بیوپلیمر ها از نظر خصوصیات فیزیکی به پلیمر های پلی استیلن و پلی پروپیلن شبیه هستند. بیوپلیمر های میکروبی در طبیعت به عنوان ترکیبات داخل سلولی میکروب ها یافت می شوند و بیشتر زمانی که باکتری ها در شرایط نامساعد محیطی قرار می گیرند، اقدام به تولید این مواد می کنند. این مواد در حالت طبیعی به عنوان یک منبع انرژی راحت و در دسترس عمل می کنند.
همچنین هنگامی که محیط اطراف باکتری غنی از کربن باشد و از نظر دیگر مواد غذایی مورد استفاده باکتری دچار کمبود باشد، باکتری اقدام به ساخت بیوپلیمر های یادشده می کند. باکتری ها برای ساختن بیوپلیمر های PHA و PHB از واکنش های تخمیری استفاده می کنند که در این واکنش ها نیز ازمواد خام گوناگونی استفاده می شود. PHB به وسیله یک باکتری به نام استافیلوکوکوس اپیدرمیس ساخته می شود که روی تفاله های حاصل از واکنش های روغن گیری دانه های کنجد رشد می کند و این بیوپلیمر را می سازد.
PHB در درون سیتوپلاسم باکتری به صورت دانه های ذخیره ای (اینکلوژن بادی) ذخیره می شود که این مواد را به وسیله سانتریفیوژ و واکنش های شست وشوی چند مرحله ای می توان استخراج و خالص سازی و ازآن استفاده کرد.در یک نتیجه گیری کلی در مورد استفاده از بیوپلیمر ها به جای پلاستیک ها و پلیمر های نفتی می توان گفت که با توجه به ماهیت و خصوصیات بیوپلیمر ها که مواد تجدید شونده و قابل برگشت به محیط زیست و یا به عبارتی دوست محیط زیست هستند، استفاده از آنها کاری معقول و اقتصادی خواهد بود. از سوی دیگر، با توجه به قیمت بالای نفت خام و محدود بودن منابع آن، استفاده از آن برای تولید مواد پلاستیکی که هم آلوده کننده محیط زیست است و هم در جامعه ما ارزش چندانی ندارد، کاری غیر اقتصادی است. پس امید می رود با توجه به سرعت روز افزون علم در زمینه مواد بیوپلیمری در بیشتر کشورها، درکشور ما نیز به این مقوله توجه بیشتری شود و با جانشین کردن مواد بیوپلیمری با پلیمر های نفتی، طلای سیاه را برای آیندگان به میراث بگذاریم.
مهندسی پلیمر
با پیشرفت علم و تکنولوژی بشر به دنبال مواد و وسایلی می گشت تا بتواند توسط آنها کارایی و کیفیت اشیای ساخته دست خود را افزایش دهد .
با پیشرفت علم و تکنولوژی بشر به دنبال مواد و وسایلی می گشت تا بتواند توسط آنها کارایی و کیفیت اشیای ساخته دست خود را افزایش دهد . همچنین بشر به دنبال آن بود که بتواند موادی بسازد تا توسط آنها اشیایی با کیفیت مورد نظر خود تهیه کند به عنوان مثال بدنه هواپیما باید علاوه بر مقاومت در برابر نیرو های وارد از جنسی سبک ساخته شود تا هواپیما بتواند به آسانی به هوا بلند شود در ابتدا بنه هواپیما ها را از فلز آلومنیوم که نسبت به سایر فلزات سبکتر است می ساختند لیکن با پیدایش مواد پلیمری به تدریج این مواد جایگزین فلز آلومنیوم شدند مثال دیگر در این زمینه یکی از مشکلات عمده ای است که اکثر افراد عینکی با آن رو به رو هستند افتادن در پی آن شکستن عدسی عینک که در نتیجه آن افراد هزینه زیادی را متحمل می شوند اگر بتوان ¬عدسی عینک را از ماده ای ساخت که علاوه بر شفافیت و عملکرد مناسب در مقابل ضربه نیز مقاوم باشد مشکل این افراد نیز حل خواهد شد. لنزهای چشمی که به تازگی وارد بازار شده اند این قابلیت را دارا هستند این لنز ها از جنس مواد پلیمری هستند . یکی از مشکلات عمده ای که اکثر انسان ها با آن روبه رو هستند خرابی دندان و نیز ترمیم دندانهای فاسد یا جایگزینی آنها با دندانهای مصنوعی است . تا چند سال پیش دندانهای خراب فقط با استفاده از فلزات آلیاژی نقره ای رنگی به نام آمالگام تعمیر می شد این مواد علاوه بر رنگ ناموزون نسبت به سایر دندانها به خوبی به دندان نیم چسبد و پس از مدتی جدا شده داخل دندان خالی می شود همچنین حرارت را به خوبی از خود عبور داده گاهی هنگام خوردن و آشامیدن غذاهای سرد و گرم ، فرد دچار دندان درد می شود . دندان های مصنوعی نیز از چینی ساخته می شوند که در برابر ضربه مقاوم نبوده سریعا می شکنند برای رفع عیوب فوق به تازگی از موادی استفاده می شود که علاوه بر داشتن رنگ سفید و مناسب در برابر سایش و ضربه نیز مقاوم بوده و به خوبی به دندان می چسبند و مانند عایق حرارتی گرما و سرما را از خود عبورنمی دهند این مواد از جنس پلیمر ساخته شده اند اکریلیک و کامپوزیت نام دارند .
مطالب فوق گویای اهمیت مواد پلیمری است و نشان می دهد که نیاز بشر به
مصنوعی تهیه می شوند از مواد شیمیایی به وجود می آیند و در اثر واکنشهای شیسیایی حاصل می شوند بنابر این می توان چنین نتیجه گرفت که برای ساخت و تهیه مواد پلیمری نیاز به دانش شیمی است به عبارت دیگر علوم مورد نیاز برای پلیمرها بخشی از علم شیمی است بنابر این متخصصین این رشته باید با دانش شیمی نیز آشنا شوند . تا چندی پیش رشته مهندسی پلیمر به واسطه نزدیکی آن با رشته مهندسی شیمی در تمام مراکز علمی دنیا جز رشته مهندسی شیمی در تمام مراکز علمی دنیا جز رشته مهدسی شیمی و شاخه ای از این رشته تلقی می شد و هنوز نیز در برخی از دانشگاهها همین رویه دنبال می شود لیکن با تخصصی شدن علوم این رشته از مهندسی شیمی جدا شد البته هنوز در برخی از دانشگاهها این رشته جز رشته مهندسی شیمی محسوب می شود .
پلیمر از فرهنگستا علوم معادل فارسی «بسپار» را برای آن پیشنهاد کرده است به موادی گفته می شود که از به هم پیوستن تعدادی مولکول یکسان تشکیل شده است . مولکلولهایی که پلیمر ها را به وجود می آورند مونومر نامیده می شوند .
مونومر در زبان فارسی تکپاره نامگذاری شده است . عملیات پلیمر یزاسیون بدین صورت است که در اثر افزودن یک ماده شیمیایی یا عواملی مانند حرارت گاهی پلیمر از دو یا چند مونومر تشکیل می شود و گاهی تعداد مونومر ها به هزاران و حتی میلیونها عدد در یک مولکول پلیمر می رسد .
در نتیجه عملیات پلیمر یزاسیون تغییر اساسی در خواص ماده اولیه رخ می دهد و در حالی که مونومر ها به یکدیگر متصل می شوند خواص محصول پلیمریزاسیون نیز عوض می گردد . همچنین برای دستیابی به محصولی با کیفیت لازم و مورد نظر موادی به پلیمر ها اضافه می شود که به آنها اضافه شوند ه می گویند .
پلیمرها بسته به نوع مونومرهای تشکیل دهنده آنها متفاوت هستند . هموپلیمر ها مولکولهای بزرگی ( ماکرومولکولهایی ) هستند که از واحد هایی ( مونومرهای ) یکسان ساخته شده اند . در صورتی که واحد های تشکیل دهنده پلیمر متفاوت باشد به ان کوپلیمر می گویند پلیمرها ممکن است ساختمان خطی یا شاخه ای یا فضایی داشته باشند . مثالهای زیادی از پلیمر ها در طبیعت یافت می شود که از آنها لاستیک طبیعی را نام برد .
پلیمرهای مصنوعی نیز بسیار فراوان بوده ، در اطراف ما به وفور یافت می شوند . از جمله آنها می توان به مواد لاستیکی ، پلاستیکی ، بیشتر رنگها و جوهر ها اشاره کرد .مواد پلیمری عمدتاً دارای خواصی مانند مقاومت زیاد در برابر کشش ، و مقاومت خوب در برابر پارگی و سایش هستند .
رشته ی مهندسی پلیمر دارای دو گرایش ( صنایع پلیمر ) و ( علوم و تکنو لوژی رنگ ) است که در ادامه در مورد آنها توضیح داده می شود . در خصوص این دو گرایش باید تذکر داده شود که علی رغم آنکه هر دو گرایش در گروه مهندسی پلیمر قرار دارند ، لیکن در مورد دروس ارایه شده ، تفاوت نسبتاً زیادی مشاهده می شود و در حیطه ی کاری نیز باید گفت که مهندسی صنایع پلیمر تقریباً همه ی انواع پلیمری را شامل شده ، محدود به نوع خاصی از اینگونه مواد نمی شود ، لیکن شاخه ی علوم و تکنولوژی رنگ ، همان گونه که از نامش پیداست ، ویژه ی مسایل مربوط به پوشش اجسام و انواع رنگها ی پلیمری و معدنی است و مسایل مربوط به این صنعت را به صورت تخصصی بررسی می کند .
دروس مهندسی پلیمر
دروس پایه
ریاضیات عمومی 1 و 2 فیزیک عمومی 1و 2 و آزمایشگاه برنامه نویسی کامپیوتر کارگاه عمومی شیمی آلی 1 و 2 و آزمایشگاه .
از آن رو که رشته مهندسی پلیمر نیاز به دانش شیمی دارد دروس شیمی ارایه شده در این رشته نسبت به رشته هایی مانند مهندسی مکانیک برق عمران بیشتر و جامع تر است .
دروس اصلی
دروس اصلی رشته مهندسی پلیمر با دروس اصلی رشته مهندسی شیمی ارتباط نزدیکی داشته در اکثر موارد دقیقا
مشابه یکدیگر هستند که در ذیل به معرفی آن می پردازیم :
مبانی مهندسی برق و آزمایشگاه : آشنایی با موتور ها و ژنراتور ها و قطعات مدارهای الکتریکی و الکترونیکی به همراه کار عملی در آزمایشگاه .
موازنه انرژی و مواد : طبق قوانین بقای ماده و انرژی میزان کل مواد و انرژی در جهان ثابت ست . در درس موازنه انرژی و مواد با توجه به این قوانین محاسبات مربوط به انرژی و مواد جا به جا شده در یک فرآیند انجام می شود .
ترمودینامیک مهندسی : به مباحثی پیرامون انرژی داخلی مواد و نیز کار و انرژی مصرف شده می پردازد .
شیمی پلیمریزاسیون : اصول مربوط به عملیات پلیمریزاسیون در این درس مطرح می گردد . دانشجویان با مواد پلیمری خواص آنها و روشهای پلیمریزاسیون و حالت های مختلف این روش ها آشنا می شوند .
مکانیک سیالات : با توجه به اینکه بیشتر مواد مورد استفاده در واکنش پلیمریزاسیون و نیز عملیات انجام شده بر روی مواد توسط مواد سیال صورت می پذیرد شناخت رفتار و عملکرد آنها در اثر نیروهای وارد برای دانشجویان ضرورت دارد .
انتقال حرارت : روش های انتقال گرما و حرارت محاسبات مربوط به میزان حرارت جا به جا شده و نحوه طراحی سیستم لازم برای آن از مطالب عمده این درس است .
انتقال جرم : در اثر واکنش های شیمیایی یا تماس فیزیکی دو ماده با یکدیگر احتمال جا به جا شدن و حرکت مواد از یک ماده به سمت ماده دیگر وجود دارد . در این درس بر اساس قوانین بقای جرم و قوانین حرکت ذرات جامد ( قانون فیک ) ، موارد فوق محاسبه می گردند .
عملیات واحد : این درس در حین ارایه مطالب انتقال جرم و طراحی سیستم های انتقال جرم مطرح می شود . در این درس به انواع سیستم های تماسم موادر در حالت های مختلف مانند : گاز با گاز ، گاز با مایع ، مایع با مایع یا جامد و ... توجه شده است و علاوه بر این نحوه محاسبه و طراحی سیستم های جدا کردن مواد از یکدیگر نیز مطرح می شود .