برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۳/۲۶ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۱

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۳۶۳
  • بازدید این ماه ۴۶
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۲
  • قبول شدگان ۱۳
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۶
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۱
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقالات منتخب ماهنامه نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

بسـته‌بندی‌های زیست‌تخریب‌‌پذیر

در دهه اخیر، با توجه به حجم انبوه زباله در بخش مواد غذایی - بالغ بر ۱۵۰ میلیون تن در سال - توجه دولت‌ها به سوی ابتکارات و سرمایه‌گذاری‌های فراوان برای کاهش این حجم انبوه و بازیافت آن جلب شده است.
پیش‌بینی می‌شود در نتیجه افزایش تقاضا برای مواد غذایی و میوه‌جات، زباله‌های حاصل از بسته‌بندی مواد غذایی افزایش یابد. با طراحی بسته‌بندی پلاستیکی یک‌بار مصرف - که قابل بازیافت نیز نیست - و ورود انبوه آن به بازار، زیان‌های جبران‌ناپذیری به محیط‌ زیست وارد شده است.
در این گزارش، راهکارهای نویدبخش فناوری نانو برای کمک به مدیریت پسماند و همچنین تقاضای رو به رشد برای بسته‌بندی مواد غذایی با مواد زیست‌تخریب‌پذیر مطرح می‌شود
1. منافع بلند‌مدت فناوری نانو
پیشرفت‌های پژوهشی در زمینه انواع مواد نانو نشان می‌دهد که پلیمرهای طبیعی، مانند قندها و پروتئین‌ها، می‌توانند با نانوذرات و نانومواد زیستی ترکیب شوند و مواد زیست‌تخریب‌پذیر غیر‌سمی تولید کنند، موادی که می‌توان آن‌ها را «نانوکامپوزیت‌های سبز» نیز نامید. این مواد کیفیتی برابر با پلاستیک‌های حاصل از مواد نفتی دارند؛ علاوه بر این، محصولات پلیمرهای طبیعی در بیشتر موارد زیست‌تخریب‌پذیرند و در برخی موارد خوراکی نیز هستند.

2. کاربرد نانوکامپوزیت‌ها در صنعت بسته‌بندی
مواد نانوکامپوزیت، شامل یک پلیمر با افزودنی نانوساختار، معمولاً در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی به‌کار می‌روند. اگرچه کامپوزیت‌هایی مانند نانولوله‌ها یا نانوفیبرها نیز قابل استفاده هستند، اغلب از نانوذرات رس استفاده می‌شود. در حال حاضر، نانوکامپوزیت‌های پلیمری بازار بسته‌بندی مواد غذایی را دربرگرفته‌اند. البته نانوکامپوزیت‌های زیستی (سلولز و نانوفیبرها) و کامپوزیت‌های پلیمری اکسید فلزات نیز قابل توسعه و پرکاربرد هستند.
در حال حاضر، در بازار کامپوزیت‌های پلیمری، نانوکامپوزیت‌ها با رقمی بالغ بر ۴ میلیارد دلار سریع‌ترین رشد را دارند. پیش‌بینی می‌شود این میزان تا ۴ سال آینده دو برابر شود. پلیمرها با افزودنی‌های نانویی در زیست‌نانو‌کامپوزیت‌ها از گیاهان استخراج می‌شوند و در بیشتر موارد این مواد زیستی از منابع موجود و قابل دسترس - مانند سلولز گیاهان یا از پسماندهای فرایند تولید مواد غذایی (مانند پالپ‌های پس‌مانده در تولید آب‌میوه) - به دست می‌آیند. مواد زیست‌تخریب‌پذیر استحکام پایین و توانایی کمی در حفظ رطوبت دارند؛ این موضوع برای استفاده از آن‌ها در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی محدودیت ایجاد کرده است؛ زمانی می‌توان از آن‌ها استفاده کرد که در محصولات مورد نظر، ویژگی‌های استحکام و حفظ رطوبت اهمیت کمتری داشته باشد. برای گسترش کاربرد مواد زیست‌تخریب‌پذیر در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی نیاز به بهبود این مواد است.

filereader.php?p1=main_a8a11f3835673c563
شکل 1. مقایسه بین اندازه یک رشته موی انسان (رشته بزرگ) با نانوفیبرها


filereader.php?p1=main_85acaa376d5b34ce5
نمودار ۱. بازار نانوکامپوزیت‌ها/ میلیارد دلار


filereader.php?p1=main_9bbe58ee17e93ef1e
شکل 2. نرخ رشد پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر در سال به واحد ۱۰۰۰ تن.

3. عوامل موثر بر قابلیت دوام
سه حوزه موثر بر توسعه پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر و خوراکی عبارت‌اند از:
• نانوکامپوزیت‌های زیستی:
وقتی مواد زیست‌تخریب‌پذیر با نانوذرات یا نانوفیبرها ترکیب شوند، نانوکامپوزیت‌های حاصل در مقایسه با مواد زیست‌تخریب‌پذیر خالص خواص مستحکم‌تری از خود نشان می‌دهند و پس از اتمام طول عمر مفیدشان به خاک بازمی‌گردند.
• زیست‌نانوفیبرها:
تا کنون، بسیاری از زیست‌پلیمرها مانند چیتوسان، سلولز، کلاژن و زئین (موجود در ذرت) با استفاده از فن الکترو‌ریسندگی ساخته شده‌اند.
در برخی موارد، زیست‌پلیمرها خواص بهتری (مانند افزایش مقاومت گرمایی) نسبت به دیگر پلیمرها از خود نشان می‌دهند، طوری که درون چنین نانوفیبرهایی ساختار نانوحفره وجود دارد و سبب کاهش انتقال گرما در جامدات می‌شود.
• نانولایه‌های خوراکی:
این نانولایه‌ها موادی قابل هضم هستند که در پوشش مواد غذایی به‌عنوان عایقی بین غذا و مواد دیگر یا محیط کاربرد دارند. زیست‌نانوکامپوزیت‌ها از پوره، سلولز میوه، و سبزیجات تولید می‌شوند که پروتئین‌های قابل استفاده در آن‌ها شامل کازئین، وبی، کلاژن، و پروتئین سفیده تخم‌مرغ و ماهی است. دانه سویا، ذرت، و پروتئین گندم نیز برای تولید لایه‌های خوراکی استفاده می‌شوند.

4. سطح آمادگی فناوری (TRL) انواع نانومواد در بازار بسته‌بندی مواد غذایی
مرحله اول:
• لایه‌های خوراکی سلولزی و زیست‌پلیمری 
• کامپوزیت زیست‌پلیمری و نانوویسکر
• زیست‌پلیمرهای دارای کامپوزیت نانوالیاف

مرحله دوم:
• نانولایه‌های لیپید (مانند تری‌گلیسیرید)
• پلی‌ساکارید بر پایه لایه‌های خوراکی
• لایه‌های خوراکی پروتئینی (مانند زئین، سویا، کازئین)
• لایه‌های خوراکی تقویت‌شده با نانوذرات

مرحله سوم: 
• نانوذرات رس/ پلی‌لاکتیک اسید (PLA)
• نانوکامپوزیت‌های پلی‌هیدروبوتیرات
• نانوالیاف‌های زیست‌پلیمری

filereader.php?p1=main_b6bfd0fc385853177
نمودار 2. سطح آمادگی فناوری (TRL) انواع نانومواد در بازار بسته‌بندی مواد غذایی


5. اثرات اقتصادی و صنعتی
به‌علت افزایش قیمت نفت خام و گاز، رشدی تصاعدی برای تقاضای جهانی بازار زیست‌پلاستیک‌ها پیش‌بینی می‌شود. عوامل موثر دیگر عبارت‌اند از: تقاضای مشتریان برای محصولات قابل دوام و بسیار سازگار با محیط زیست، تولید فزاینده محصولات زیست‌تخریب‌پذیر خاص (به‌ویژه پلی‌لاکتیک اسید)، و فشارهای سیاسی و آیین‌نامه‌ها برای کاهش پلاستیک‌های معمول.
در حال حاضر، بازار جهانی برای پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر در اروپا به بیش از ۱۳۵ میلیون یورو می‌رسد و انتظار می‌رود با نرخی متوسط، رشد سالانه ۶/۱۲ درصد، به ۲۴۴ میلیون یورو تا سال ۲۰۱۳ برسد.
بازار صنایع بسته‌بندی با مواد زیست‌تخریب‌پذیر با نرخ رشد ۳/۴ درصد در سال به ۴/۵ درصد میلیارد یورو در سال ۲۰۱۰ رسید و با این رشد سریع پیش‌بینی می‌شود تا نرخ سالانه ۲۰درصد افزایش یابد. تعیین سهم مواد نانویی در این پیشرفت بسیار مشکل است؛ در ۳ سال گذشته برای کمتر از ۴۰ محصول بسته‌بندی از مواد نانویی استفاده شده است و این میزان تا به امروز به ۴۰۰ محصول رسیده است. پیش‌بینی می‌شود رشد این صنعت تا سال ۲۰۲۰ به ۲۰ میلیارد یورو برسد.

6. محرک‌های اجتماعی
پیش‌بینی می‌شود به‌علت محرک‌های زیر، کاربرد مواد زیست‌تخریب‌پذیر در بسته‌بندی مواد غذایی افزایش یابد:
• با توجه به استانداردهای بالاتر زندگی، برای حفظ تازگی مواد غذایی در مسافت‌های طولانی، استفاده از حمل‌و‌نقل و بسته‌بندی با روش‌های نوین ضروری به نظر می‌رسد.
• روند عمومی شهرنشینی فاصله بین تولیدکننده‌های غذا (حومه شهر) و مصرف‌کننده‌ها (داخل شهر) را افزایش داده است.
• شاغل بودن اعضای خانواده از یک سو و افزایش دسترسی آسان به یخچال از سوی دیگر منجر به ایجاد تقاضای بیشتر برای غذای راحت و درنتیجه افزایش بسته‌بندی می‌شود.
بنابراین، بسیاری از کشورها به سیاست‌گذاری در زمینه مدیریت مناسب صنعت بسته‌بندی از طریق منابع و مواد سازگار با محیط زیست و همچنین افزایش بازیافت به‌جای کاهش بسته‌بندی تمایل دارند.

filereader.php?p1=main_e8e76d0df99438f49
شکل 3. راه‌حل‌های بسته‌بندی پایدار و رقابتی از طریق پردازش نانویی و زیست‌نانو‌کامپوزیت‌ها


7. اثرات اجتماعی
با فراهم کردن جایگزینی پاک‌تر - یعنی بسته‌بندی با مواد زیست‌تخریب‌پذیر نانویی به‌جای بسته‌بندی با محصولات مشابه حاصل از نفت - اثرات مثبتی در جامعه ایجاد می‌شود. رشد و نوآوری در این حوزه کاهش مشکلات و هزینه‌های پسماند و کاهش زباله‌های ناشی از بسته‌بندی را در پی خواهد داشت.

8. چالش‌ها
• مدیریت منابع: کاهش استفاده از زمین‌های کشاورزی برای تولید زیست‌توده در ساخت مواد اولیه امری ضروری است. راه‌حل احتمالی استفاده از پسماندهای زیستی، مانند زباله‌های صنایع غذایی - مثلاً، پالپ پس‌مانده در تولید آب‌میوه - است.
• قابلیت کود شدن: با جایگزین کردن مواد زیست‌تخریب‌پذیر با مواد حاصل از نفت در بسته‌بندی مواد غذایی، برنامه‌ریزی و هماهنگی برای تولید کود از آن‌ها پس از طول عمر مفیدشان ضروری است.
• آیین‌نامه‌ها: هم‌اکنون، قوانین معمول برای صنعت بسته‌بندی مواد غذایی مناسب‌ است، اما به پتانسیل‌های فناوری نانو در بهبود و توسعه این صنعت توجه ناچیزی شده است که این موضوع نیاز به بازنگری دارد.
• توجه به مصرف‌کننده: در این مورد، به‌ویژه برای بسته‌بندی با مواد قابل هضم، باید محتاطانه عمل کرد. اولین دغدغه عمده درباره مصرف‌کنندگان آموزش آن‌ها نیست، بلکه باید با نظرسنجی در باب فناوری مناسب و قابل پذیرش در جامعه، نیازهای آن‌ها را برنامه‌ریزی کنیم.
• اثرات هزینه‌ها: کاهش هزینه راه‌حلی برای رقابتی شدن فناوری مواد زیست‌تخریب‌پذیر با پلاستیک‌های ساخته‌شده از مواد نفتی است. چالش اصلی هزینه‌های لازم در فراهم شدن تولید انبوه است که با فرایندهای افزایشی و بهبودیافته امکان آن ایجاد می‌شود.

9. وضعیت رقابتی
رقابت شدیدی برای مشارکت در پژوهش و تولید علم در این حوزه وجود دارد. از طریق همکاری موسسات تحقیقاتی با صنایع بسته‌بندی مواد غذایی، پروژه‌های بزرگی برای توسعه استفاده از نانوالیاف و مواد طبیعی انجام شده است. با این حال، تعداد شرکت‌های بسته‌بندی مواد غذایی با مواد نانویی زیست‌تخریب‌پذیر بسیار کم است. در حال حاضر، فعالیت‌های تجاری‌سازی برخی از فرایندهای تولید این مواد، مانند لایه‌های نانو‌کامپوزیت زیست‌تخریب‌پذیر اصلی، در اروپا، ایالات متحده آمریکا، و کره جنوبی در حال انجام است.

filereader.php?p1=main_d28d98d27a99a3443

نمودار 3. پلاستیک‌های زیست تخریب‌پذیر

10. خلاصه
زیست‌نانوکامپوزیت‌ها حوزه‌ای جالب با کاربرهای بسیار عرضه می‌کنند. پژوهش و توسعه، از طریق مشارکت با صنایع بسته‌بندی در اروپا، منجر به پیشرفت‌های عمده در این زمینه شده است. شرکت‌های مورد نیاز جهت تامین زنجیره مواد خام برای این حوزه در حال تاسیس هستند. اما چالش‌های آن‌ها در این مسیر در رقابت با پلاستیک‌های حاصل از مواد نفتی ایجاد خواهد شد. حمایت لازم از این فعالیت‌ها اولین گام در رشد چنین نوآوری‌هایی خواهد بود.
فناوری نانو امکان تولید مواد زیست‌تخریب‌پذیر مناسب‌تر و مستحکم‌تر را با ایجاد کارکردهایی مانند حفظ رطوبت بیشتر و خواص ضدمیکروبی فراهم می‌کند، هرچند برای کسب چنین منافعی باید به چالش‌های زیر نیز توجه کنیم:

• متقاعد کردن مصرف‌کننده و خرده‌فروش درباره نانومواد و فواید آن‌ها، که گفت‌وگو در این باره ضروری است.
• تهیه آیین‌نامه‌هایی در مورد فناوری نانو و برچسب زدن آن.
• در صورت جایگزینی مواد زیست‌تخریب‌پذیر با مواد کنونی، امکان تولید کود از آن‌ها با روش‌های سودمند فراهم شود.
• استفاده از مواد غذایی برای تولید بسته‌بندی‌های زیست‌تخریب‌پذیر به‌جای تولید غذا، ممکن است باعث ایجاد چالش‌های اجتماعی، ازجمله کمبود مواد غذایی، شود.
نظرات و سوالات

نظرات

1 0

سید جعفر سقانژاد - ‏۱۳۹۶/۰۳/۱۹

با سلام

مطالب خوبی است. اگر امکان بازبینی و به روز رسانی ارقام را داشته باشه عالی است



با تشکر