Биоыдырайтын суда еритін полимерлер, заманауи мәселелері және оны шешу жолдары
Мұнайдан өндірілетін пластмассалар, полимерлі материалдар бүкіл әлем бойынша өте кең қолданысқа ие. Қолданылу мөлшерінің артуына байланысты пластмассалар қалдықтарының утилизациясы күрделі ғаламдық мәселеге айналуда. Осыған орай микроорганизмдер әсерінен сулы ортада, топырақта ыдырай алатын жаңа пластмассалар мен полимерлі материалдарды өндіру мәселесі қарқынды дамуда.
Табиғи полимерлер (целлюлоза, крахмал, хитин) түрлі микроорганизмдер әсерінен немесе олардың бөлетін ферменттері есебінен қарапайым тіршілік иелерінің метаболизміне қатысатын төмен молекулалық қосылыстарға ыдырайды. Ферменттер полимердің басты тізбегінің бұзылуына жауап беретін катализаторлар қызметін атқарады. Полиолефиндер мен поливинилді полимерлі қосылыстарды ыдырататын ферменттер табиғатта кездеспейді. Бірақ, қысқа мерзімді қолданылатын көптеген материалдар аталған полимерлік материалдардан алынады. Бұндай материалдар дамыған елдердегі қатты қалдықтардың санаулы үлесін құрайды. Сондықтан да, соңғы жылдары хитин мен крахмал секілді табиғи материалдар негізінде алынатын биополимерлер өндірісі қарқындай түсуде [1].
Қазіргі таңда көптеген полимерлер мен пластмассалардың негізгі шикізаты мұнай болып табылады. Соңғы деректер бойынша мұнайдың әлемдік қоры 2050 жылға дейін ғана жеткілікті. Мұнай шикізатының сарқылуы әлемдік ғалымдар мен өндірушілердің қазірден бастап қазбалық энерготасымалдауыштарды қайта қалпына келетін энергоқорларымен алмастыратын жолдарды іздестіруге итермелеуде. Мұнай-тек қана бензин, мазут секілді жанармай түрі емес, сонымен қатар химия индустриясында өнімдердің алпауыт түрлерінің негізгі шикізат көзі.
Тұрмыста қолданылатын көптеген өнімдер түрлері: үлдірлер, ыдыстар түрлері, жылыжай бөлшектері секілді материалдар өндірісіне мұнайдың аса үлкен мөлшері жұмсалады. Орасан зор жұмсалған шикізатпен қоса алынған өнімдердің табиғи ыдырауға ұшырамайтындығы, утилизациясының қымбаттылығы мен күрделілігі секілді факторлар әсері қоршаған ортаға миллиондаған тонна ыдырамайтын қатты қалдықтар бөлінуіне себепш і.
Сондықтан да биополимерлер өндірісінің дамуы қазіргі таңдағы маңызды мәселелердің бірі. Табиғи полимерлік материалдар ірі масштабтарда қолданыла бастағанымен әлі де кең қолданыс таппаған [2].
Жаңа биоыдырайтын матриалдарды алу соңғы 30 жыл бойы әлемдік ғалымдардың назарын аудартқанымен, бұл саладағы интенсивті зерттеулер тек соңғы онжылдықтарда ғана жүргізілуде. Бұл әлем бойынша полимерлі материалдардың өндіріс қарқынының артуынан, жыл сайын миллиондаған тонна қатты қалдықтардың қалып, қоршаған орта жағдайына жағымсыз әсер етуімен тығыз байланысты [3].
Табиғи полимерлер (целлюлоза, крахмал, хитин) түрлі микроорганизмдер әсерінен немесе олардың бөлетін ферменттері есебінен қарапайым тіршілік иелерінің метаболизміне қатысатын төмен молекулалық қосылыстарға ыдырайды. Ферменттер полимердің басты тізбегінің бұзылуына жауап беретін катализаторлар қызметін атқарады. Полиолефиндер мен поливинилді полимерлі қосылыстарды ыдырататын ферменттер табиғатта кездеспейді. Бірақ, қысқа мерзімді қолданылатын көптеген материалдар аталған полимерлік материалдардан алынады. Бұндай материалдар дамыған елдердегі қатты қалдықтардың санаулы үлесін құрайды. Сондықтан да, соңғы жылдары хитин мен крахмал секілді табиғи материалдар негізінде алынатын биополимерлер өндірісі қарқындай түсуде [1].
Қазіргі таңда көптеген полимерлер мен пластмассалардың негізгі шикізаты мұнай болып табылады. Соңғы деректер бойынша мұнайдың әлемдік қоры 2050 жылға дейін ғана жеткілікті. Мұнай шикізатының сарқылуы әлемдік ғалымдар мен өндірушілердің қазірден бастап қазбалық энерготасымалдауыштарды қайта қалпына келетін энергоқорларымен алмастыратын жолдарды іздестіруге итермелеуде. Мұнай-тек қана бензин, мазут секілді жанармай түрі емес, сонымен қатар химия индустриясында өнімдердің алпауыт түрлерінің негізгі шикізат көзі.
Тұрмыста қолданылатын көптеген өнімдер түрлері: үлдірлер, ыдыстар түрлері, жылыжай бөлшектері секілді материалдар өндірісіне мұнайдың аса үлкен мөлшері жұмсалады. Орасан зор жұмсалған шикізатпен қоса алынған өнімдердің табиғи ыдырауға ұшырамайтындығы, утилизациясының қымбаттылығы мен күрделілігі секілді факторлар әсері қоршаған ортаға миллиондаған тонна ыдырамайтын қатты қалдықтар бөлінуіне себепш і.
Сондықтан да биополимерлер өндірісінің дамуы қазіргі таңдағы маңызды мәселелердің бірі. Табиғи полимерлік материалдар ірі масштабтарда қолданыла бастағанымен әлі де кең қолданыс таппаған [2].
Жаңа биоыдырайтын матриалдарды алу соңғы 30 жыл бойы әлемдік ғалымдардың назарын аудартқанымен, бұл саладағы интенсивті зерттеулер тек соңғы онжылдықтарда ғана жүргізілуде. Бұл әлем бойынша полимерлі материалдардың өндіріс қарқынының артуынан, жыл сайын миллиондаған тонна қатты қалдықтардың қалып, қоршаған орта жағдайына жағымсыз әсер етуімен тығыз байланысты [3].
1. Әдеби шолу
1.1. Биоыдырайтын суда еритін полимерлер, заманауи мәселелері және оны шешу жолдары
Мұнайдан өндірілетін пластмассалар, полимерлі материалдар бүкіл әлем бойынша өте кең қолданысқа ие. Қолданылу мөлшерінің артуына байланысты пластмассалар қалдықтарының утилизациясы күрделі ғаламдық мәселеге айналуда. Осыған орай микроорганизмдер әсерінен сулы ортада, топырақта ыдырай алатын жаңа пластмассалар мен полимерлі материалдарды өндіру мәселесі қарқынды дамуда.
Табиғи полимерлер (целлюлоза, крахмал, хитин) түрлі микроорганизмдер әсерінен немесе олардың бөлетін ферменттері есебінен қарапайым тіршілік иелерінің метаболизміне қатысатын төмен молекулалық қосылыстарға ыдырайды. Ферменттер полимердің басты тізбегінің бұзылуына жауап беретін катализаторлар қызметін атқарады. Полиолефиндер мен поливинилді полимерлі қосылыстарды ыдырататын ферменттер табиғатта кездеспейді. Бірақ, қысқа мерзімді қолданылатын көптеген материалдар аталған полимерлік материалдардан алынады. Бұндай материалдар дамыған елдердегі қатты қалдықтардың санаулы үлесін құрайды. Сондықтан да, соңғы жылдары хитин мен крахмал секілді табиғи материалдар негізінде алынатын биополимерлер өндірісі қарқындай түсуде [1].
Қазіргі таңда көптеген полимерлер мен пластмассалардың негізгі шикізаты мұнай болып табылады. Соңғы деректер бойынша мұнайдың әлемдік қоры 2050 жылға дейін ғана жеткілікті. Мұнай шикізатының сарқылуы әлемдік ғалымдар мен өндірушілердің қазірден бастап қазбалық энерготасымалдауыштарды қайта қалпына келетін энергоқорларымен алмастыратын жолдарды іздестіруге итермелеуде. Мұнай-тек қана бензин, мазут секілді жанармай түрі емес, сонымен қатар химия индустриясында өнімдердің алпауыт түрлерінің негізгі шикізат көзі.
Тұрмыста қолданылатын көптеген өнімдер түрлері: үлдірлер, ыдыстар түрлері, жылыжай бөлшектері секілді материалдар өндірісіне мұнайдың аса үлкен мөлшері жұмсалады. Орасан зор жұмсалған шикізатпен қоса алынған өнімдердің табиғи ыдырауға ұшырамайтындығы, утилизациясының қымбаттылығы мен күрделілігі секілді факторлар әсері қоршаған ортаға миллиондаған тонна ыдырамайтын қатты қалдықтар бөлінуіне себепш і.
Сондықтан да биополимерлер өндірісінің дамуы қазіргі таңдағы маңызды мәселелердің бірі. Табиғи полимерлік материалдар ірі масштабтарда қолданыла бастағанымен әлі де кең қолданыс таппаған [2].
Жаңа биоыдырайтын матриалдарды алу соңғы 30 жыл бойы әлемдік ғалымдардың назарын аудартқанымен, бұл саладағы интенсивті зерттеулер тек соңғы онжылдықтарда ғана жүргізілуде. Бұл әлем бойынша полимерлі материалдардың өндіріс қарқынының артуынан, жыл сайын миллиондаған тонна қатты қалдықтардың қалып, қоршаған орта жағдайына жағымсыз әсер етуімен тығыз байланысты [3].
Биополимерлер өндірісіндегі аса үлкен қызығушылыққа ие, табиғи,өсімдітекті ірі масштабты өндірілетін материал - крахмал. Бактериялар ыдырата алатын суда еритін үлдір алу мақсатында крахмал мен пектин қоспасына пластификаторлар енгізеді: глицерин немесе полиоксиэтиленгликоль. Зерттеулер көрсеткендей, крахмал мөлшері артқан сайын үлдір беріктігі төмендей түседі [4].
Соңғы зерттеулерде крахмалды эфирлерге арналған көптеген нәтижелерге қол жеткізілгенімен, биоыдырайтын материал алу мәселесі толықтай шешілмеген. Сол себепті түрлі шикізат көздерінен алынған крахмалдың табиғи құрамының әр алуандығына байланысты өнімді оптимизациялауға арналған қосымша зерттеулер жүргізілуі қажет.
Жүгері және күріштен алынатын крахмал, оларға қосылатын технологиялық компоненттердің полиэтиленмен қоспасы негізіндегі материалдар соңғы жылдардағы зерттеудің негізгі объектісіне арналған [5].
Крахмал құрамында бойына суды тарту қабіетіне ие гидроксилді топтары бар, сондықтан да оның негізінде алынатын материалдар қарқынды ыдырау қабілетімен ерекшеленеді. Алайда, крахмал құрамындағы функционалды топтарды эфирлік немесе күрделі эфирлік топтармен алмастыру арқылы материалдың тұрақтылығын арттыруға болады. Қосымша химиялық өңдеу крахмал полимері құрмындағы химиялық байланыстардың нығаюына себепші болады да, алынған материалдың жылуға, қышқылдар әсеріне, механикалық әсерлерге тұрақтылығын арттырады [5].
Бұндай өңдеу нәтижесінде қоршаған ортада ыдырау қабілетіне ие модифицирленген крахмал алынады. Алынған материал коммерциялық тиімді термопласт болып табылады. Модифицирленген крахмалды қарапайым пластмасса шығаратын құрылғыларда алуға болады, материал бетіне жеңіл техника көмегімен түрлі кескіндер салуға, бояуға өте ыңғайлы. Бұл материал табиғаты бойынша антистатикалық қасиетке ие. Модифицирленген крахмалдың физикалық қасеттері мұнайхимиялық жолмен өндірілетін басты бәсекелестері-жоғары және төмен тығыздықты полиэтиленнен, полипропиленнен айтарлықтай төмен. 300С температурада екі ай шамасында толықтай ыдырап кетеді [6, 7]. 1970 жылы крахмал полимерлі матрицаны синтездеуге пайдаланылған, бірнеше онжылдықтардан кейін крахмалдан термопластикалық материалдар алу жолға қойыла бастаған. Зерттеулер көрсеткендей крахмал полимерлі матрицасын өзге де мұнайхимиялық жолмен алынған синтетикалық материалдармен толтыру арқылы биоыдырау қасиетін бәсеңдетуге болады. Зерттеу жұмыстары крахмалцеллюлоза, крахмалполивинил спирті (ПВС) секілді қоспалармен жүргізілген [8].
Соңғы аталған синтетикалық материалдардың өндірістік маңызы тұрақты дамуымен, шығу тегіне тәуелсіздігімен сонымен қатар ерігіштік, суда ісіну қабілетімен, арзан әрі зиянсыз еру қабілетіне орай артуда. Бұндай полимерлі материалдардың қолданылу аясы өте кең, коммерциялық саладан бастап азық-түлік, тері өңдеу, түрлі жабындар дайындау, медицина мен фармацевтикада және өзге салаларда кеңінен қолданылады. Бұндай материалдар үлкен коммерциялық маңызға ие, ең бастысы қоршаған ортаға тигізер зиянды әсері өте төмен [9].
Химиялық байланыс түріне тәуелді, сольватталған макромолекулалық негіздердің мономерлік бірліктрінің спецификалық құрылымдығы мен реттілігі (бірінші ретті құрылымы), сонымен қатар бір немесе бірнеше массивтегі макромолекулалардың конфорамациялық және конфигурациялы құрылымдары (екінші ретті құрылымы), ерітінді қасиеттеріне және де суда еритін полимерлі материалдар өндірісіне әсер етеді. Функционалды топтар мен (құрылымы, меншікті концентрациясы, қайталанушы буындар реті) гидрофобты көмірсутектерден құралған қайталанып отыратын буындар арасындағы меншікті баланс, сонымен қатар олардың гомополимерлер мен сополимерлер құрылымдарында орналасуы суда еруіндегі басты факторлар қатарына жатады. Суда еритін полимерлер блоктарындағы функционалды топтар нейтралды (иондалмаған полимерлер), зарядталған (анионды, катионды, цвиттер ионды, амфотерлі полимрлер) болуы мүмкін [10].
1.1.1. Биоыдырайтын табиғи полимерлер
Кейбір табиғи полимерлердің химиялық құрылымы 1-суретте және биоыдырайтын табиғи полимерлер классификациясы 2-суретте көрсетілген.
1-сурет. Табиғи полимерлердің құрылымы
2-сурет. Биоыдырайтын табиғи полимерлердің классификациясы
Крахмал өсімдіктерде кездесетін полисахарид. Ол өсімдіктер құрамында қор қызметін атқарады. Химиялық құрылымы бойынша ол қайталанып отыратын глюкапиранозаның альфа-D- (1,4) байланыстарынан құралған. Ол негізі екі полимерден құралған: амилоза (α-1, 4 D-глюкозадан тұратын бөлінбейтін спиральды полимерден) және амилопектиннен (α-1, 4 және α-1, 6 D-глюкозаның қатты тармақталған мономерлерінен құралған) тұрады. Гидролиздену барысында глюкоза моносахаридін береді. Табиғатта аса көп мөлшерде кездесетін полимер жұлындық жасушаларды жасауда, дәрілік компоненттерге қоспа ретінде және т.б. алу мақсатында биомедицинада қолданылады. Крахмал және клечатка негізіндегі микробөлшектер медициналық материалдар каркасының торлық құрылымдарын құрайды және жұлынның сомалық жасушаларының остеобласттарын тасымалдаушы ретінде қолданылады.
Сонымен қатар крахмалды алынатын өнімдер қасиеттерін арттыру мақсатына өзге де табиғи және синтетикалық материалдармен қосады. Мысалы, фенил аланин препаратының модельдерінің таңдамалық түрлерін алу мақсатында крахмал альгинаты қолданылады. Препарат сыртын қаптайтын альгинат әсерінен фенил аланиннің қажетті дозасы реттелген түрде бөлініп отырады [11].
Крахмал негізіндегі биоыдырайтын полимерлерді алу бірнеше принциптерге негізделеді:
- термопластикалық крахмал мен бұйымдарды крахмал негізінде алу;
- синтетикалық және табиғи полимерлерден қоспаларды алу;
- экструзиялық жолмен крахмал туындыларын алу.
Алу жолдары мен алынған материалдар қасиеттері соңғы жылдарғы ғылыми шолуларда келтірілген [12-13], библиографиялық сілтемелер саны 653 еңбектерден құралған. Соңғы зерттеу еңбектердің бірінде [14] крахмал модификациясы қарастырылған, бұл зерттеулер бойынша жай және күрделі эфирлі крахмал, тігілген сополимерлер, тотыққан және катионды крахмал экструдер арқылы алынған. [15]
Крахмал негізіндегі пластикалық массалар жоғары экологиялық тазалығымен және екі ай көлемінде 300С температурада топырақ жамылғысында өсімдіктер өсуіне бағалы компоненттерге ыдырау қабілетіне ие. Тұрмыстық маңызы бар биоыдырау қабілетіне ие материалдардың (орамалар, агротехникадағы жабындау қаптамалары, қоқысқа арналған қаптар) өзіндік құнын төмендету үшін тазартылмаған крахмалдың поливинил спирті және талькпен қоспасы қолданылады. [16]
Целлюлоза жоғары механикалық қасиетке ие, су мен органикалық еріткіштерде ерімейді, балқымайды. Қышқыл әсерінен гидролизге ұшырайды. Полисүт қышқылы-сызықты алифатикалық полиэфир, жүгері немесе өзге де био массасының ферментациясы негізінде түзілетін сүт қышқылын полимерлеу нәтижесінде алынады. Полисүтқышқылының ыдырауы екі этаппен жүзеге асады. Алдымен сүт қышқылы түзілуі үшін эфирлік топтарды бірітіндеп сумен гидролизге ұшыратады да, кейін белгілі бір ортада микробтар көмегімен ыдырату жүзеге асады. Полисүт қышқылы 45 тәулік ішінде қажетті қаптамалық құрылымдарды жүзеге асыру арқасында алынады[17]. Поликапролактон синтетикалық полиэфирлер класына жатады. Жоғары механикалық қасиетке ие және май мен су әсеріне тұрақты. Балқу температурасы төмен (50○С). Биоыдырау процесі микробтар және саңырауқұлақтармен үнемі әсерлесу нәтижесінде 60 тәулікке созылады [18].
Фото және биоыдырайтын пластмассаларды алу құрамында ультракүлгін және биоыдырауға қабілетті ерекше функционалды топтары бар, тізбекке фото және биоактивтеуші қоспалар енгізілумен жүргізіледі. Бұндай материалдың алынуының басты қиындығы-қоспалар полимер құрамына өндіру немесе синтез барысында енгізіледі, ал ыдырау алыған материал қолданылған соң жүзеге асу қажет. Сондықтан да пластмассалық бұйымдардың сапасына әсер етпейтін және жарамдылық мерзімін арттыратын ыдырату активаторларын дайындау басты мәселе болып табылады. Сонымен бірге активаторлар токсикалық емес және қолжетімді болу қажет.
Биоыдырайтын пластмассаларды игеру жұмыстарын жетілдірудің негізгі үш бағыттары: гидроксикарбонқышқылдарының полиэфирлері; өндірілетін табиғи полимерлер негізіндегі пластикалық массалар; өндірістік жоғары молекулалық синтетикалық материалдарға биоыдырау қабілетін беру. Қазіргі таңда орамалық мақсатта қолданылатын перспективалы биоыдырайтын материалдардың бірі сүт қышқылы конденсациясы өнімі полиактид болып табылады. Полиактид компостта бір ай көлемінде ыдырайды, теңіз суының микробтарымен де жеңіл сіңіріледі. Қажетті тауарлық қасиеттерге ие биоыдырайтын полиэфирлерді гидроксикарбон қышқылдары негізінде алуға болатын болса, онда құрамына крахмал, целлюлоза, хитозан немесе протеин кіретін пластмассалар композициялық матералдарды құрайды [20].
Биоыдырайтын қаптамалық материалдар ішінен аса кең қолданысқа ие табиғи материал ретінде крахмал қолданылады. Бактериялар ыдырата алатын суда еритін крахмал мен пектин негізіндегі қаптамалық материалдар алу үшін үлдір құрамына пластификаторлар енгізіледі: глицерин немесе полиоксиэтиленгликоль. Целлюлозаның эпоксид шайырларымен және дикарбон қышқылдарының ангидридтерімен әсерлесу арқылы алынған полимерлер топырақта 4 ай ішінде толықтай еріп кетеді. Соның негізінде формалау арқылы шөлмектер, бір реттік қолданылатын ыдыстар, егістік жабындарда қолданылатын үлдірлер алынады [21].
Жоғары және төмен температураға тұрақты қаптамалық мақсатта қолданылатын көпқабатты материалдарды, крахмалмен желімденген целлюлоза үлдіріне майға төзімді қағазбен қаптау арқылы аады, бұндай материал тағамдық ораушы ретінде жіберіледі. Бұндай материал тағамды электр немесе ұсақтолқынды пештерде дайындау барысында қаптама ретінде қолданылады. Үштік композициядан (хитозан, ұсақцеллюлозалы талшық және желатин) аса берік үлдірлер алады. Алынған үлдірлер жерге терең көму барысында микроорганизмдер әсерімен ыдырауы мүмкін [22].
Табиғи белоктар мен протеиндер де биоыдырайтын пластмассалар алушылардың ерекше қызығушылығын туғызуда. Ылғалы мол тағамдарды орау мен тағамдық қораптарды алу мақсатында гидрофобты протеин цеин негізіндегі үлдір қолданылады. Табиғи полимерлерді (полисахарид, биоыдырайтын пластиктер алу мақсатындағы белоктар) қолданудың басты артықшылығы - бастапқы шикізат көзінің қайта қалпына келуінде және сарқылмайтындығында. Негізгі мақсат - синтетикалық көптонажды полимерлердің қасиеттеріне жақын биоыдырайтын композициялық материал алу. Басты мәселелердің бірі биоыдырау қасиетін өндірісте кең қолданылатын полимерлерге енгізу: ПЭ, ПП, ПВХ, полистирол және полиэтилентерефталат. Аталған полимерлер мен полимерлік бұйымдар "мәңгілік" сақталатын болғандықтан, бұларға биоыдырау қасиетін беру мәселесі өзекті болып табылады [23].
Биоыдырайтын полимерлердің қолданылатын басты салаларына тағамдық өнімдердің қаптамалық материалдары жатқызылады: үлдірлер, контейнерлер, пеноматериалдар, ыдыстар, қалдықтарды жинайтын және қарашіріндіге айналдыратын жабындар. Сонымен бірге биопластиктер медицинада сүт, гликоль және өзге де оксиқышқылдар негізінде алынатын тігіс материалдары ретінде; фрамокологияда дәрілік заттардың пролонгирлеген қаптамасы ретінде қолданылады [24].
Сүт және гликоль қышқылына негізделген биоыдырайтын полимерлер синтезі келесі стадияларды біріктіреді: 1. Қышқыл ерітіндісін концентрлеу; 2. Сүт және гликоль қышқылдары олигомерлерінің катализатор (цинк оксиді, сурьма (III) оксиді) қатысында алынуы; 3. Лактид-шикізат пен гликолид-шикізаттың алынуы [25].
Фотоыдырайтын полимерлерге этиленнің көміртек оксидімен сополимерлерін жатқызуға болады. ПЭ және ПС базалық полимердің ыдырауының фотоинициаторлары ретінде винилкетонды мономерлер қолданылады. Этилен мен стиролға сополимерлер ретінде 2-5% мөлшерінде винилкетонды мономерлер енгізу ПЭ мен ПС ұқсас пластиктер алуға мүмкіндік береді. Алынған материалдар фотодеградацияға ультракүлгін сәулесінің 290 - 320 нм аралығында әсер еткенде ұшырайды.
Пластмассалық қалдықтар мәселесін шешетін тағы бір жол-синтетикалық материалдарды ыдыратуға қабілетті микроорганизмдерді мутациялау [25].
Полимерлердің құрылымы мен құрылысының биоыдырау қасиетіне әсерін қарастырайық. Макромолекулалардың молекулалық массасы төмендеген сайын биоыдырауға қабілеттілік арта түсетіні анықталған. Биоыдырауға әсер ететін келесі қасиет олардың кристалдыңы болып табылады. Аморфты полимердің кристалды полимерлермен салыстырғанда биоыдырау қабілеті жоғары екендігі анықталған.
Аса жоғары молекулалық қосылыстардың кристалдық құрылымдары төмендеу молекулалық қосылыстармен салыстырғанда биоыдырауы баяу жүреді. Макромолекулалардағы құрылымданудың пайда болуы биоыдырауды жақсартады. Түрлі модифицирленген биоқосылыстарды енгізу полимерлердің ыдырау қабілетін арттыруы немесе кемітуі де мүмкін [26].
Полиэфирлі пластификаторлар ПВХ биоыдырау қабілеттілігін арттырады. Алайда полимердің беткі қабатына нашар диффузияланған пластификатор (дибутил-фталат) ПВХ нашар биоыдырауына себепші болады. Полимердің биоыдырауы құрылымы мен құрылысынан өзге қоршаған орта жағдайларына тәуелді болып табылатын күрделі процесс. Қоршаған орта жағдайларынан бірінші ретті әсер етуші факторларға ылғалдылық, температура, орта рН, жарық сонымен қатар топырақпен байланысы және топырақ түрі секілді комплексті факторлар әсер етеді [27]. Соңғы жылдары өздігінен ыдырайтын полимерлерді алуды зерттеу жұмыстары шектелуде. Негізгі себебі, бұндай полимерлерді алу барысындағы шығын қарапайым пластикалық массаларды алудағы шығыннан жоғары болып табылады [28].
1. 1. 2. Крахмал модификациясы
Термопластты материалдар алу мақсатында қайтақалпына келетін табиғи биоыдырайтын қосылыстар ретінде өзге де табиғи компоненттер қолданылады: целлюлоза, хитин, хитозан. Целлюлозаның эпоксидті қосылыстармен және дикарбон қышқылының ангидридтерімен әсерлесуі нәтижесінде алынған сополимерлері топырақ жамылғысында 4 апта көлемінде толықтай ыдырайды. Бқлардың негізінде формалау арқылы шөлмектер, бір рет қолданылатын ыдыстар, агротехникалық көмбелік үлдірлер алынады. Үштік композициядан (хитозан, микроцеллюлозалы талшықтар, желатин) беріктілігі жоғары, топырақ жамылғысында микроорганизмдермен ұзақ әсерлесу нәтижесінде ыдырайтын үлдір алынады. Бұндай материалдар қаптамалық мақсатта, тасымалдау құралдарын жасуда және т.б. қолданылады. Тағамдық қаптаманы табиғи белок - цеиннен алады [29].
Биополимерлерді өндірісте алу жолдары 1980 - жылдарының аяғында Италияда NovamontS.p.a. компаниясымен жүргізіле бастады. Бүгінгі таңда негізгі өнімі крахмал болып табылатын заводтың өндірістік қуаттылығы жылына 60 мың тоннаны құрайды. Германияда Biotec (жылына 20 мың тонна) және BiopolymerTechnologies (3.5 мың тонна) фирмалары жұмыс істейді. Соңғысы биопластиктер өндірудің өзіндік лицензиясын сатумен де айналысады. Голландияда қуаттылығы 40 мың тоннаны құрайтын RodenburgBiopolymers компаниясы құрылған. LimigrainIndustries фирмасы жылына крахмал негізіндегі 10 мың тонна полимер өндіреді. АҚШ-тағы CereplastInc компаниясы ірі өндірушілер қатарына жатады [30]. Крахмал табиғи полисахарид, көптеген артықшылықтарға ие:
- жыл ішінде толықтай қайта қалпына келу мен өндірілетін шикізаттық (қартоп, жүгері, бидай, бұршақ, маниоко және т.б.) ресурстардың сарқылмайтындығы. Бұл қасиеті бойынша толықтай өсіп жетілуіне 18 - 20 жыл кететін ағаштардан өндірілетін целлюлозадан тиімді;
- өзгерістерге жеңіл ұшарйды және практикалық маңызды қасиеттерінің химиялық, физикалық, бактериялогиялық жолдармен жеңіл өзгертуге болады;
- химияда белгілі төмен молекулалы қосылыстарға тән барлық өзгерістерді крахмалмен жүргізуге болады;
- крахмал негізінде немесе өзге де синтетиалық қосылыстармен бірге биоыдырайтын материалдар алуға қолайлы;
- полимер ретінде крахмалмен жұмыс жасау ыңғайлы және токсикалы емес.
Өсімдіктекті шикізаттардан алынатын биополимрлі материалдардың мүмкіндіктері мен мұнай шикізаттарынан алынған қосылыстардан артықшылығын көрсеткен дұрыс. Бүгінгі таңда комплексті зертханалық жұмыстардың нәтижелері мен көптеген сұрақтарға жауап табылған [32].
Алайда крахмалдың гидрофильділігі және төмен механикалық қасиеттері крахмалды модифицирленбеген күйінде тұрақты гидрогель ретінде пайдалануға мүмкіндік бермейді [33].
Осылайша полисүт қышқылы, поливинил спирті, поликапролактон секілді түрлі биоыдырайтын синтетикалық полимерлерді биоыдырайтын үлдірлердің механикалық қасиеттерін арттыру мақсатында крахмал молекулаларымен араластырып отырған.
Жоғарыда аталған полимерлер ішінен ПВС крахмалмен жоғары үйлесімділігі, дайындау жеңілдігі, канцерогендік қасиетінің жоқтығынан, арзан әрі табиғатпен биоүйлесімді және биоыдырау секілді тамаша қасиеттерімен ерекшеленеді.
Осыған қарамастан үлдірлер алу мақсатында полимерлердің орын ауыстыруы алынатын үлдірдің қасиетіне әсер етуі мүмкін [34].
Сондықтан полимерлі материалдарды алу үшін полимерлі қоспалардың құрылымдық біртектілігін арттыру қажет. Біртектілікті арттыратын бірнеше тігуші агенттер белгілі. Хлорлы фосфорил крахмалды тігу үшін қолданылады [35].
Алайда көптеген тігуші агенттер зиянды және токсикалық әсері жоғары. Сондықтан да олардың қолданылу аясы тұрмыс пен медицина секілді салаларда шектеулі болады. [36] жұмыста крахмал мен ПВС негізіндегі пластмассаның механикалық қасиеттері мен формалану қасиеттерін арттыру мақсатында тігуші агент ретінде малеин қышқылы (МҚ) қолданылған. МҚ тағамдық қоспа ретінде белгілі, улылығы мен табиғатқа кері әсері жоқ. Сондықтан биоматериал алуда оңтайлы қосылыстар қатарына жатады. Алайда аз ғана Авторлар МА тігуші агент ретінде қолданылғандығын көрсетеді. Крахмалдың ПВС-пен этирификациясы МА ангидриді қатысында дикарбон қышқылының карбоксильді топтарының крахмалдың еркін гидроксильді топтары арасында жүреді [36].
Крахмал модификациясы әдетте таза шикізаттың кемшіліктерін жою мен өндірістік қолданылу мөлшерін арттыру мақсатында қолданады. Крахмалдан өнім алу мақсатында өңдеу барысында оңай модификациялауға болады. Соның арқасында модификацияланған крахмалдан оңай адгезияланатын, жабысу қабілеті жоғары құрылыстық жұмыстарда қолданылатын гельдер, пасталар, үлдірлер алуға болады. Тағам құрамына қосылған модификацияланған крахмал азықтық өнімдер қоюлығын, жабысу қабілетін арттырып, тоңазатқышта сақтау барысында ұзақ мерзімді сақталуын қамтамасыз етеді.
Крахмалды модификациялау барысында табиғи физикалық ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
1.1. Биоыдырайтын суда еритін полимерлер, заманауи мәселелері және оны шешу жолдары
Мұнайдан өндірілетін пластмассалар, полимерлі материалдар бүкіл әлем бойынша өте кең қолданысқа ие. Қолданылу мөлшерінің артуына байланысты пластмассалар қалдықтарының утилизациясы күрделі ғаламдық мәселеге айналуда. Осыған орай микроорганизмдер әсерінен сулы ортада, топырақта ыдырай алатын жаңа пластмассалар мен полимерлі материалдарды өндіру мәселесі қарқынды дамуда.
Табиғи полимерлер (целлюлоза, крахмал, хитин) түрлі микроорганизмдер әсерінен немесе олардың бөлетін ферменттері есебінен қарапайым тіршілік иелерінің метаболизміне қатысатын төмен молекулалық қосылыстарға ыдырайды. Ферменттер полимердің басты тізбегінің бұзылуына жауап беретін катализаторлар қызметін атқарады. Полиолефиндер мен поливинилді полимерлі қосылыстарды ыдырататын ферменттер табиғатта кездеспейді. Бірақ, қысқа мерзімді қолданылатын көптеген материалдар аталған полимерлік материалдардан алынады. Бұндай материалдар дамыған елдердегі қатты қалдықтардың санаулы үлесін құрайды. Сондықтан да, соңғы жылдары хитин мен крахмал секілді табиғи материалдар негізінде алынатын биополимерлер өндірісі қарқындай түсуде [1].
Қазіргі таңда көптеген полимерлер мен пластмассалардың негізгі шикізаты мұнай болып табылады. Соңғы деректер бойынша мұнайдың әлемдік қоры 2050 жылға дейін ғана жеткілікті. Мұнай шикізатының сарқылуы әлемдік ғалымдар мен өндірушілердің қазірден бастап қазбалық энерготасымалдауыштарды қайта қалпына келетін энергоқорларымен алмастыратын жолдарды іздестіруге итермелеуде. Мұнай-тек қана бензин, мазут секілді жанармай түрі емес, сонымен қатар химия индустриясында өнімдердің алпауыт түрлерінің негізгі шикізат көзі.
Тұрмыста қолданылатын көптеген өнімдер түрлері: үлдірлер, ыдыстар түрлері, жылыжай бөлшектері секілді материалдар өндірісіне мұнайдың аса үлкен мөлшері жұмсалады. Орасан зор жұмсалған шикізатпен қоса алынған өнімдердің табиғи ыдырауға ұшырамайтындығы, утилизациясының қымбаттылығы мен күрделілігі секілді факторлар әсері қоршаған ортаға миллиондаған тонна ыдырамайтын қатты қалдықтар бөлінуіне себепш і.
Сондықтан да биополимерлер өндірісінің дамуы қазіргі таңдағы маңызды мәселелердің бірі. Табиғи полимерлік материалдар ірі масштабтарда қолданыла бастағанымен әлі де кең қолданыс таппаған [2].
Жаңа биоыдырайтын матриалдарды алу соңғы 30 жыл бойы әлемдік ғалымдардың назарын аудартқанымен, бұл саладағы интенсивті зерттеулер тек соңғы онжылдықтарда ғана жүргізілуде. Бұл әлем бойынша полимерлі материалдардың өндіріс қарқынының артуынан, жыл сайын миллиондаған тонна қатты қалдықтардың қалып, қоршаған орта жағдайына жағымсыз әсер етуімен тығыз байланысты [3].
Биополимерлер өндірісіндегі аса үлкен қызығушылыққа ие, табиғи,өсімдітекті ірі масштабты өндірілетін материал - крахмал. Бактериялар ыдырата алатын суда еритін үлдір алу мақсатында крахмал мен пектин қоспасына пластификаторлар енгізеді: глицерин немесе полиоксиэтиленгликоль. Зерттеулер көрсеткендей, крахмал мөлшері артқан сайын үлдір беріктігі төмендей түседі [4].
Соңғы зерттеулерде крахмалды эфирлерге арналған көптеген нәтижелерге қол жеткізілгенімен, биоыдырайтын материал алу мәселесі толықтай шешілмеген. Сол себепті түрлі шикізат көздерінен алынған крахмалдың табиғи құрамының әр алуандығына байланысты өнімді оптимизациялауға арналған қосымша зерттеулер жүргізілуі қажет.
Жүгері және күріштен алынатын крахмал, оларға қосылатын технологиялық компоненттердің полиэтиленмен қоспасы негізіндегі материалдар соңғы жылдардағы зерттеудің негізгі объектісіне арналған [5].
Крахмал құрамында бойына суды тарту қабіетіне ие гидроксилді топтары бар, сондықтан да оның негізінде алынатын материалдар қарқынды ыдырау қабілетімен ерекшеленеді. Алайда, крахмал құрамындағы функционалды топтарды эфирлік немесе күрделі эфирлік топтармен алмастыру арқылы материалдың тұрақтылығын арттыруға болады. Қосымша химиялық өңдеу крахмал полимері құрмындағы химиялық байланыстардың нығаюына себепші болады да, алынған материалдың жылуға, қышқылдар әсеріне, механикалық әсерлерге тұрақтылығын арттырады [5].
Бұндай өңдеу нәтижесінде қоршаған ортада ыдырау қабілетіне ие модифицирленген крахмал алынады. Алынған материал коммерциялық тиімді термопласт болып табылады. Модифицирленген крахмалды қарапайым пластмасса шығаратын құрылғыларда алуға болады, материал бетіне жеңіл техника көмегімен түрлі кескіндер салуға, бояуға өте ыңғайлы. Бұл материал табиғаты бойынша антистатикалық қасиетке ие. Модифицирленген крахмалдың физикалық қасеттері мұнайхимиялық жолмен өндірілетін басты бәсекелестері-жоғары және төмен тығыздықты полиэтиленнен, полипропиленнен айтарлықтай төмен. 300С температурада екі ай шамасында толықтай ыдырап кетеді [6, 7]. 1970 жылы крахмал полимерлі матрицаны синтездеуге пайдаланылған, бірнеше онжылдықтардан кейін крахмалдан термопластикалық материалдар алу жолға қойыла бастаған. Зерттеулер көрсеткендей крахмал полимерлі матрицасын өзге де мұнайхимиялық жолмен алынған синтетикалық материалдармен толтыру арқылы биоыдырау қасиетін бәсеңдетуге болады. Зерттеу жұмыстары крахмалцеллюлоза, крахмалполивинил спирті (ПВС) секілді қоспалармен жүргізілген [8].
Соңғы аталған синтетикалық материалдардың өндірістік маңызы тұрақты дамуымен, шығу тегіне тәуелсіздігімен сонымен қатар ерігіштік, суда ісіну қабілетімен, арзан әрі зиянсыз еру қабілетіне орай артуда. Бұндай полимерлі материалдардың қолданылу аясы өте кең, коммерциялық саладан бастап азық-түлік, тері өңдеу, түрлі жабындар дайындау, медицина мен фармацевтикада және өзге салаларда кеңінен қолданылады. Бұндай материалдар үлкен коммерциялық маңызға ие, ең бастысы қоршаған ортаға тигізер зиянды әсері өте төмен [9].
Химиялық байланыс түріне тәуелді, сольватталған макромолекулалық негіздердің мономерлік бірліктрінің спецификалық құрылымдығы мен реттілігі (бірінші ретті құрылымы), сонымен қатар бір немесе бірнеше массивтегі макромолекулалардың конфорамациялық және конфигурациялы құрылымдары (екінші ретті құрылымы), ерітінді қасиеттеріне және де суда еритін полимерлі материалдар өндірісіне әсер етеді. Функционалды топтар мен (құрылымы, меншікті концентрациясы, қайталанушы буындар реті) гидрофобты көмірсутектерден құралған қайталанып отыратын буындар арасындағы меншікті баланс, сонымен қатар олардың гомополимерлер мен сополимерлер құрылымдарында орналасуы суда еруіндегі басты факторлар қатарына жатады. Суда еритін полимерлер блоктарындағы функционалды топтар нейтралды (иондалмаған полимерлер), зарядталған (анионды, катионды, цвиттер ионды, амфотерлі полимрлер) болуы мүмкін [10].
1.1.1. Биоыдырайтын табиғи полимерлер
Кейбір табиғи полимерлердің химиялық құрылымы 1-суретте және биоыдырайтын табиғи полимерлер классификациясы 2-суретте көрсетілген.
1-сурет. Табиғи полимерлердің құрылымы
2-сурет. Биоыдырайтын табиғи полимерлердің классификациясы
Крахмал өсімдіктерде кездесетін полисахарид. Ол өсімдіктер құрамында қор қызметін атқарады. Химиялық құрылымы бойынша ол қайталанып отыратын глюкапиранозаның альфа-D- (1,4) байланыстарынан құралған. Ол негізі екі полимерден құралған: амилоза (α-1, 4 D-глюкозадан тұратын бөлінбейтін спиральды полимерден) және амилопектиннен (α-1, 4 және α-1, 6 D-глюкозаның қатты тармақталған мономерлерінен құралған) тұрады. Гидролиздену барысында глюкоза моносахаридін береді. Табиғатта аса көп мөлшерде кездесетін полимер жұлындық жасушаларды жасауда, дәрілік компоненттерге қоспа ретінде және т.б. алу мақсатында биомедицинада қолданылады. Крахмал және клечатка негізіндегі микробөлшектер медициналық материалдар каркасының торлық құрылымдарын құрайды және жұлынның сомалық жасушаларының остеобласттарын тасымалдаушы ретінде қолданылады.
Сонымен қатар крахмалды алынатын өнімдер қасиеттерін арттыру мақсатына өзге де табиғи және синтетикалық материалдармен қосады. Мысалы, фенил аланин препаратының модельдерінің таңдамалық түрлерін алу мақсатында крахмал альгинаты қолданылады. Препарат сыртын қаптайтын альгинат әсерінен фенил аланиннің қажетті дозасы реттелген түрде бөлініп отырады [11].
Крахмал негізіндегі биоыдырайтын полимерлерді алу бірнеше принциптерге негізделеді:
- термопластикалық крахмал мен бұйымдарды крахмал негізінде алу;
- синтетикалық және табиғи полимерлерден қоспаларды алу;
- экструзиялық жолмен крахмал туындыларын алу.
Алу жолдары мен алынған материалдар қасиеттері соңғы жылдарғы ғылыми шолуларда келтірілген [12-13], библиографиялық сілтемелер саны 653 еңбектерден құралған. Соңғы зерттеу еңбектердің бірінде [14] крахмал модификациясы қарастырылған, бұл зерттеулер бойынша жай және күрделі эфирлі крахмал, тігілген сополимерлер, тотыққан және катионды крахмал экструдер арқылы алынған. [15]
Крахмал негізіндегі пластикалық массалар жоғары экологиялық тазалығымен және екі ай көлемінде 300С температурада топырақ жамылғысында өсімдіктер өсуіне бағалы компоненттерге ыдырау қабілетіне ие. Тұрмыстық маңызы бар биоыдырау қабілетіне ие материалдардың (орамалар, агротехникадағы жабындау қаптамалары, қоқысқа арналған қаптар) өзіндік құнын төмендету үшін тазартылмаған крахмалдың поливинил спирті және талькпен қоспасы қолданылады. [16]
Целлюлоза жоғары механикалық қасиетке ие, су мен органикалық еріткіштерде ерімейді, балқымайды. Қышқыл әсерінен гидролизге ұшырайды. Полисүт қышқылы-сызықты алифатикалық полиэфир, жүгері немесе өзге де био массасының ферментациясы негізінде түзілетін сүт қышқылын полимерлеу нәтижесінде алынады. Полисүтқышқылының ыдырауы екі этаппен жүзеге асады. Алдымен сүт қышқылы түзілуі үшін эфирлік топтарды бірітіндеп сумен гидролизге ұшыратады да, кейін белгілі бір ортада микробтар көмегімен ыдырату жүзеге асады. Полисүт қышқылы 45 тәулік ішінде қажетті қаптамалық құрылымдарды жүзеге асыру арқасында алынады[17]. Поликапролактон синтетикалық полиэфирлер класына жатады. Жоғары механикалық қасиетке ие және май мен су әсеріне тұрақты. Балқу температурасы төмен (50○С). Биоыдырау процесі микробтар және саңырауқұлақтармен үнемі әсерлесу нәтижесінде 60 тәулікке созылады [18].
Фото және биоыдырайтын пластмассаларды алу құрамында ультракүлгін және биоыдырауға қабілетті ерекше функционалды топтары бар, тізбекке фото және биоактивтеуші қоспалар енгізілумен жүргізіледі. Бұндай материалдың алынуының басты қиындығы-қоспалар полимер құрамына өндіру немесе синтез барысында енгізіледі, ал ыдырау алыған материал қолданылған соң жүзеге асу қажет. Сондықтан да пластмассалық бұйымдардың сапасына әсер етпейтін және жарамдылық мерзімін арттыратын ыдырату активаторларын дайындау басты мәселе болып табылады. Сонымен бірге активаторлар токсикалық емес және қолжетімді болу қажет.
Биоыдырайтын пластмассаларды игеру жұмыстарын жетілдірудің негізгі үш бағыттары: гидроксикарбонқышқылдарының полиэфирлері; өндірілетін табиғи полимерлер негізіндегі пластикалық массалар; өндірістік жоғары молекулалық синтетикалық материалдарға биоыдырау қабілетін беру. Қазіргі таңда орамалық мақсатта қолданылатын перспективалы биоыдырайтын материалдардың бірі сүт қышқылы конденсациясы өнімі полиактид болып табылады. Полиактид компостта бір ай көлемінде ыдырайды, теңіз суының микробтарымен де жеңіл сіңіріледі. Қажетті тауарлық қасиеттерге ие биоыдырайтын полиэфирлерді гидроксикарбон қышқылдары негізінде алуға болатын болса, онда құрамына крахмал, целлюлоза, хитозан немесе протеин кіретін пластмассалар композициялық матералдарды құрайды [20].
Биоыдырайтын қаптамалық материалдар ішінен аса кең қолданысқа ие табиғи материал ретінде крахмал қолданылады. Бактериялар ыдырата алатын суда еритін крахмал мен пектин негізіндегі қаптамалық материалдар алу үшін үлдір құрамына пластификаторлар енгізіледі: глицерин немесе полиоксиэтиленгликоль. Целлюлозаның эпоксид шайырларымен және дикарбон қышқылдарының ангидридтерімен әсерлесу арқылы алынған полимерлер топырақта 4 ай ішінде толықтай еріп кетеді. Соның негізінде формалау арқылы шөлмектер, бір реттік қолданылатын ыдыстар, егістік жабындарда қолданылатын үлдірлер алынады [21].
Жоғары және төмен температураға тұрақты қаптамалық мақсатта қолданылатын көпқабатты материалдарды, крахмалмен желімденген целлюлоза үлдіріне майға төзімді қағазбен қаптау арқылы аады, бұндай материал тағамдық ораушы ретінде жіберіледі. Бұндай материал тағамды электр немесе ұсақтолқынды пештерде дайындау барысында қаптама ретінде қолданылады. Үштік композициядан (хитозан, ұсақцеллюлозалы талшық және желатин) аса берік үлдірлер алады. Алынған үлдірлер жерге терең көму барысында микроорганизмдер әсерімен ыдырауы мүмкін [22].
Табиғи белоктар мен протеиндер де биоыдырайтын пластмассалар алушылардың ерекше қызығушылығын туғызуда. Ылғалы мол тағамдарды орау мен тағамдық қораптарды алу мақсатында гидрофобты протеин цеин негізіндегі үлдір қолданылады. Табиғи полимерлерді (полисахарид, биоыдырайтын пластиктер алу мақсатындағы белоктар) қолданудың басты артықшылығы - бастапқы шикізат көзінің қайта қалпына келуінде және сарқылмайтындығында. Негізгі мақсат - синтетикалық көптонажды полимерлердің қасиеттеріне жақын биоыдырайтын композициялық материал алу. Басты мәселелердің бірі биоыдырау қасиетін өндірісте кең қолданылатын полимерлерге енгізу: ПЭ, ПП, ПВХ, полистирол және полиэтилентерефталат. Аталған полимерлер мен полимерлік бұйымдар "мәңгілік" сақталатын болғандықтан, бұларға биоыдырау қасиетін беру мәселесі өзекті болып табылады [23].
Биоыдырайтын полимерлердің қолданылатын басты салаларына тағамдық өнімдердің қаптамалық материалдары жатқызылады: үлдірлер, контейнерлер, пеноматериалдар, ыдыстар, қалдықтарды жинайтын және қарашіріндіге айналдыратын жабындар. Сонымен бірге биопластиктер медицинада сүт, гликоль және өзге де оксиқышқылдар негізінде алынатын тігіс материалдары ретінде; фрамокологияда дәрілік заттардың пролонгирлеген қаптамасы ретінде қолданылады [24].
Сүт және гликоль қышқылына негізделген биоыдырайтын полимерлер синтезі келесі стадияларды біріктіреді: 1. Қышқыл ерітіндісін концентрлеу; 2. Сүт және гликоль қышқылдары олигомерлерінің катализатор (цинк оксиді, сурьма (III) оксиді) қатысында алынуы; 3. Лактид-шикізат пен гликолид-шикізаттың алынуы [25].
Фотоыдырайтын полимерлерге этиленнің көміртек оксидімен сополимерлерін жатқызуға болады. ПЭ және ПС базалық полимердің ыдырауының фотоинициаторлары ретінде винилкетонды мономерлер қолданылады. Этилен мен стиролға сополимерлер ретінде 2-5% мөлшерінде винилкетонды мономерлер енгізу ПЭ мен ПС ұқсас пластиктер алуға мүмкіндік береді. Алынған материалдар фотодеградацияға ультракүлгін сәулесінің 290 - 320 нм аралығында әсер еткенде ұшырайды.
Пластмассалық қалдықтар мәселесін шешетін тағы бір жол-синтетикалық материалдарды ыдыратуға қабілетті микроорганизмдерді мутациялау [25].
Полимерлердің құрылымы мен құрылысының биоыдырау қасиетіне әсерін қарастырайық. Макромолекулалардың молекулалық массасы төмендеген сайын биоыдырауға қабілеттілік арта түсетіні анықталған. Биоыдырауға әсер ететін келесі қасиет олардың кристалдыңы болып табылады. Аморфты полимердің кристалды полимерлермен салыстырғанда биоыдырау қабілеті жоғары екендігі анықталған.
Аса жоғары молекулалық қосылыстардың кристалдық құрылымдары төмендеу молекулалық қосылыстармен салыстырғанда биоыдырауы баяу жүреді. Макромолекулалардағы құрылымданудың пайда болуы биоыдырауды жақсартады. Түрлі модифицирленген биоқосылыстарды енгізу полимерлердің ыдырау қабілетін арттыруы немесе кемітуі де мүмкін [26].
Полиэфирлі пластификаторлар ПВХ биоыдырау қабілеттілігін арттырады. Алайда полимердің беткі қабатына нашар диффузияланған пластификатор (дибутил-фталат) ПВХ нашар биоыдырауына себепші болады. Полимердің биоыдырауы құрылымы мен құрылысынан өзге қоршаған орта жағдайларына тәуелді болып табылатын күрделі процесс. Қоршаған орта жағдайларынан бірінші ретті әсер етуші факторларға ылғалдылық, температура, орта рН, жарық сонымен қатар топырақпен байланысы және топырақ түрі секілді комплексті факторлар әсер етеді [27]. Соңғы жылдары өздігінен ыдырайтын полимерлерді алуды зерттеу жұмыстары шектелуде. Негізгі себебі, бұндай полимерлерді алу барысындағы шығын қарапайым пластикалық массаларды алудағы шығыннан жоғары болып табылады [28].
1. 1. 2. Крахмал модификациясы
Термопластты материалдар алу мақсатында қайтақалпына келетін табиғи биоыдырайтын қосылыстар ретінде өзге де табиғи компоненттер қолданылады: целлюлоза, хитин, хитозан. Целлюлозаның эпоксидті қосылыстармен және дикарбон қышқылының ангидридтерімен әсерлесуі нәтижесінде алынған сополимерлері топырақ жамылғысында 4 апта көлемінде толықтай ыдырайды. Бқлардың негізінде формалау арқылы шөлмектер, бір рет қолданылатын ыдыстар, агротехникалық көмбелік үлдірлер алынады. Үштік композициядан (хитозан, микроцеллюлозалы талшықтар, желатин) беріктілігі жоғары, топырақ жамылғысында микроорганизмдермен ұзақ әсерлесу нәтижесінде ыдырайтын үлдір алынады. Бұндай материалдар қаптамалық мақсатта, тасымалдау құралдарын жасуда және т.б. қолданылады. Тағамдық қаптаманы табиғи белок - цеиннен алады [29].
Биополимерлерді өндірісте алу жолдары 1980 - жылдарының аяғында Италияда NovamontS.p.a. компаниясымен жүргізіле бастады. Бүгінгі таңда негізгі өнімі крахмал болып табылатын заводтың өндірістік қуаттылығы жылына 60 мың тоннаны құрайды. Германияда Biotec (жылына 20 мың тонна) және BiopolymerTechnologies (3.5 мың тонна) фирмалары жұмыс істейді. Соңғысы биопластиктер өндірудің өзіндік лицензиясын сатумен де айналысады. Голландияда қуаттылығы 40 мың тоннаны құрайтын RodenburgBiopolymers компаниясы құрылған. LimigrainIndustries фирмасы жылына крахмал негізіндегі 10 мың тонна полимер өндіреді. АҚШ-тағы CereplastInc компаниясы ірі өндірушілер қатарына жатады [30]. Крахмал табиғи полисахарид, көптеген артықшылықтарға ие:
- жыл ішінде толықтай қайта қалпына келу мен өндірілетін шикізаттық (қартоп, жүгері, бидай, бұршақ, маниоко және т.б.) ресурстардың сарқылмайтындығы. Бұл қасиеті бойынша толықтай өсіп жетілуіне 18 - 20 жыл кететін ағаштардан өндірілетін целлюлозадан тиімді;
- өзгерістерге жеңіл ұшарйды және практикалық маңызды қасиеттерінің химиялық, физикалық, бактериялогиялық жолдармен жеңіл өзгертуге болады;
- химияда белгілі төмен молекулалы қосылыстарға тән барлық өзгерістерді крахмалмен жүргізуге болады;
- крахмал негізінде немесе өзге де синтетиалық қосылыстармен бірге биоыдырайтын материалдар алуға қолайлы;
- полимер ретінде крахмалмен жұмыс жасау ыңғайлы және токсикалы емес.
Өсімдіктекті шикізаттардан алынатын биополимрлі материалдардың мүмкіндіктері мен мұнай шикізаттарынан алынған қосылыстардан артықшылығын көрсеткен дұрыс. Бүгінгі таңда комплексті зертханалық жұмыстардың нәтижелері мен көптеген сұрақтарға жауап табылған [32].
Алайда крахмалдың гидрофильділігі және төмен механикалық қасиеттері крахмалды модифицирленбеген күйінде тұрақты гидрогель ретінде пайдалануға мүмкіндік бермейді [33].
Осылайша полисүт қышқылы, поливинил спирті, поликапролактон секілді түрлі биоыдырайтын синтетикалық полимерлерді биоыдырайтын үлдірлердің механикалық қасиеттерін арттыру мақсатында крахмал молекулаларымен араластырып отырған.
Жоғарыда аталған полимерлер ішінен ПВС крахмалмен жоғары үйлесімділігі, дайындау жеңілдігі, канцерогендік қасиетінің жоқтығынан, арзан әрі табиғатпен биоүйлесімді және биоыдырау секілді тамаша қасиеттерімен ерекшеленеді.
Осыған қарамастан үлдірлер алу мақсатында полимерлердің орын ауыстыруы алынатын үлдірдің қасиетіне әсер етуі мүмкін [34].
Сондықтан полимерлі материалдарды алу үшін полимерлі қоспалардың құрылымдық біртектілігін арттыру қажет. Біртектілікті арттыратын бірнеше тігуші агенттер белгілі. Хлорлы фосфорил крахмалды тігу үшін қолданылады [35].
Алайда көптеген тігуші агенттер зиянды және токсикалық әсері жоғары. Сондықтан да олардың қолданылу аясы тұрмыс пен медицина секілді салаларда шектеулі болады. [36] жұмыста крахмал мен ПВС негізіндегі пластмассаның механикалық қасиеттері мен формалану қасиеттерін арттыру мақсатында тігуші агент ретінде малеин қышқылы (МҚ) қолданылған. МҚ тағамдық қоспа ретінде белгілі, улылығы мен табиғатқа кері әсері жоқ. Сондықтан биоматериал алуда оңтайлы қосылыстар қатарына жатады. Алайда аз ғана Авторлар МА тігуші агент ретінде қолданылғандығын көрсетеді. Крахмалдың ПВС-пен этирификациясы МА ангидриді қатысында дикарбон қышқылының карбоксильді топтарының крахмалдың еркін гидроксильді топтары арасында жүреді [36].
Крахмал модификациясы әдетте таза шикізаттың кемшіліктерін жою мен өндірістік қолданылу мөлшерін арттыру мақсатында қолданады. Крахмалдан өнім алу мақсатында өңдеу барысында оңай модификациялауға болады. Соның арқасында модификацияланған крахмалдан оңай адгезияланатын, жабысу қабілеті жоғары құрылыстық жұмыстарда қолданылатын гельдер, пасталар, үлдірлер алуға болады. Тағам құрамына қосылған модификацияланған крахмал азықтық өнімдер қоюлығын, жабысу қабілетін арттырып, тоңазатқышта сақтау барысында ұзақ мерзімді сақталуын қамтамасыз етеді.
Крахмалды модификациялау барысында табиғи физикалық ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz