Текст выступления:

Биологиялық ыдырайтын полимерлер
1. Биологиялық ыдырайтын полимерлерге шолу және негізгі ұғымдар

Қазіргі заманда экологиялық мәселелердің күрделене түсуі әлемнің назарын биологиялық ыдырайтын полимерлерге аударуда. Бұл полимерлер – табиғи микроорганизмдердің әсерімен толық үйлесімді, тез ыдырайтын заттар, олар қоршаған ортаны ластамайтын инновациялық материалдар қатарында. Осы тақырыпқа кіріспе ретінде, олардың табиғатқа деген оң ықпалы мен экологиялық тұрғыдағы маңызы туралы айта кету қажет.

2. Полимерлердің шығу тегі мен экологиялық мәселелері

20-ғасырда синтетикалық полимерлердің дамуы адам өмірінің барлық саласын түбегейлі өзгертті. Ол тұрмыстық техникадан бастап медицинаға дейін кең қолданыс тауып, жайлылық пен тиімділікті арттырды. Дегенмен, осындай синтетикалық материалдар табиғатта ұзақ сақталып, ыдырамауы салдарынан, әсіресе мұхиттар мен топырақларда пластик қоқыстарының жиналуы биологиялық алуантүрлілікке және тіпті адам денсаулығына қауіп төндіреді. Мұндай жағдайлар экологиялық катастрофаларға алып келетінін ғалымдар да, экология активистері де жиі ескертіп келеді.

3. Биологиялық ыдырайтын полимерлер анықтамасы

Биологиялық ыдырайтын полимерлер дегеніміз – арнайы микроорганизмдер мен ферменттердің әсерінен қасиеттерін жоғалтпай, су, көмірқышқыл газы және биомассаға толық ыдырайтын заттар. Олардың молекулалық құрылымы гидролиз және ферментативті ыдырауға қолайлы функционалдық топтарды, мысалы эфирлік немесе амидтік топтарды қамтиды. Осындай құрылым олардың табиғи ортада тез және зиянсыз ыдырауына септігін тигізеді. Сонымен қатар, бұл полимерлерден шыққан қалдықтар табиғатқа қауіп төндірмейді, бұл оларды экологиялық таза және қалдықтардың көлемін түбегейлі азайтатын материалдар ретінде бағалауға мүмкіндік береді.

4. Негізгі биополимерлер түрлері

Биополимерлердің түрлері әртүрлі, олардың әрқайсысы өзіндік ерекшеліктерімен және қолдану салаларымен ерекшеленеді. Мысалы, полилактид (PLA) – жүгері мен қант қамысынан өндірілетін, биологиялық ыдырайтын синтетикалық полимер болып табылады. Полигидроксиалканоаттар (PHA) мен полигидроксибутират (PHB) бактериялардың биотехнологиялық синтезі арқылы алынады және полиэстерлер тобына жатады. Табиғи қайта жасалатын ресурс ретінде крахмал және целлюлоза негізінде жасалған биополимерлер де кең тараған. Сонымен қатар, биополиэтилен, хитин, хитозан және альгинат сияқты табиғи полисахаридтер экологияны қорғау бағытында маңызды материалдар санатына енеді, олар табиғи ортада тиімді ыдырайды және биоалмасу процесіне үлес қосады.

5. Биополимерлердің құрылымдық ерекшеліктері

Белгілі болғандай, биополимерлердің құрылымы олардың биодеградациялану жылдамдығын және экологиялық таза болуын анықтайды. Мысалы, полилактидтің молекулалық тізбегі көбінесе линейлі және тұрақты, оны ыдырататын микроорганизмдерге қолайлы фактормен қамтамасыз етеді. Ал полигидроксиалканоаттар – термопластикалық қасиеттері бар полиэсетер тобы, олардың құрылымы бактериялар синтезінің нәтижесі. Крахмал және целлюлоза негізіндегі полимерлерде, құрылымның көпұлтты араласуы оларды сыртқы факторлардан қорғайды, бірақ ферменттер әсерінен тез ыдырауы оған мүмкіндік жасайды. Осылайша құрылым биополимерлердің практикалық қолданылу сапасын және қоршаған ортаға үйлесімділігін қамтамасыз етеді.

6. Синтетикалық және биополимерлердің айырмашылығы

Синтетикалық полимерлер негізінен мұнайдан және химиялық шикізаттан жасалады, бұл олардың өндірісінің экоөтімділігіне әсер етеді. Ал биополимерлер табиғи, көбінесе өсімдіктер мен микроорганизмдерден алынатын ресурстардан құралады. Олар қоршаған ортаның табиғи процестерімен ыдырап, зиянсыз компоненттерге бөленеді, бұл экологиялық қауіп-қатердің аздығын білдіреді. Сонымен қатар, өндіріс технологиялары мен химиялық құрамдары екі полимер түрі арасында айқын ерекшеленіп, олардың қоршаған ортаға әсері мен қолдану салаларына тікелей ықпал етеді.

7. Экологиялық маңызы және пайдасы

Биологиялық ыдырайтын полимерлердің экологиялық маңызы зор. Олар табиғатта толықтай ыдырайтындықтан, қоршаған ортаны пластик қоқыстарынан сақтайды. Сондай-ақ, бұл материалдар қалдықтарды қайта өңдеу мен азайтуға мүмкіндік беріп, экожүйелердің саулығын жақсартады. Олардың қолданылуы мұхит пен топырақтағы ластануды төмендетіп, биоалуантүрлілікті қолдайды. Мұның бәрі адам денсаулығын қорғай отырып, тұрақты даму мақсаттарына қол жеткізуге септігін тигізеді.

8. Полилактид (PLA) — кең таралған биополимер

Полилактид (PLA) – биоыдырайтын полимерлердің ішінде ең танымалдарының бірі. Ол жүгері және қант қамысы сияқты өсімдіктерден алынатын шикізаттан жасалады. PLA-ның өндірісі энергия тиімді және экологиялық тұрғыда қауіпсіз, сонымен қатар, ол биоразлагаемы әрі механикалық қасиеттері жоғары зат болып табылады. Өнеркәсіпте PLA-ны қаптама материалдары, медициналық құрылғылар және тағам өнімдері саласында қолдану кеңінен таралған.

9. Биополимерлік қаптамалар нарығының өсімі: 2010–2022

2010 жылдан 2022 жылға дейінгі кезеңде биополимерлік қаптамалар нарығы тұрақты түрде өсті. Жыл сайынғы өсім шамамен 15 пайызға жуық болды, бұл өсу экологиялық талаптардың қатаюы мен тұтынушылардың экологиялық таза өнімдерге деген қызығушылығының ұлғаюына байланысты. Биополимерлердің кеңінен қолданылуы пластик қоқыстарын азайтып, биоалмасудың тез жүруіне ықпал етеді. Бұл үрдіс болашақта да сақталып, саланың тұрақты дамуымен жалғасады.

10. Биологиялық ыдырайтын және синтетикалық полимерлер салыстырмасы

Биополимерлер мен синтетикалық полимерлердің негізгі қасиеттерін салыстырғанда, биополимерлердің экологиялық пайдасы мен тұрақтылығы айқын көрінеді. Олар табиғи шикізаттан өндіріледі, биодеградацияланады және улы қалдықтар тудырмайды. Ал синтетикалық полимерлер мұнай өнімдерінен алынатындықтан, олардың ыдырауы баяу, қоршаған ортаны ластауы жоғары. Осыған байланысты биополимерлер қазіргі заманда экологиялық таза және тиімді материал ретінде маңызды орын алады.

11. PHA және PHB — бактериялар синтездейтін полимерлер

PHA және PHB полимерлері бактериялардың биотехнологиялық әдіспен синтездеуі арқылы өндіріледі, бұл оларға толық биодеградация мүмкіндігін береді. Бұл материалдар медицина саласында, әсіресе биоимпланттар мен хирургиялық тігіс жіптерінде кеңінен қолданылады. Сонымен қатар, экологиялық таза қаптамалар өндірісінде де бұл полимерлердің маңызы зор. Ерекше атап өту керек, PHB полимерінің топырақта және суда ыдырау уақыты бір-екі жыл аралығында, бұл оның табиғи қоршаған ортаға үйлесімділігін көрсетеді.

12. Крахмал негізіндегі биополимерлер

Крахмал негізіндегі биополимерлер табиғи көмірсулардан алынатын биоыдырайтын материалдар қатарына жатады. Олар жұмсақ және икемді қасиеттері арқылы түрлі салаларда қолданылып келеді, әсіресе тек қаптама өнімдерінде және тұрмыстық заттар өндірісінде. Крахмалдың биологиялық ыдырауы тез жүреді, себебі оны ыдырататын микроорганизмдер мен ферменттердің спектрі кең. Бұл полимерлер өндірісі экологиялық таза және қайта жаңғыртылатын шикізатқа негізделген, сондықтан экологиялық тұрақтылықтың маңызды бөлігі болып табылады.

13. Целлюлоза негізіндегі биополимерлер

Целлюлоза – өсімдік жасушаларының негізгі құрылымдық элементі және ең кең таралған табиғи биополимер. Оның түрлі материалдар жасауға жарамдылығы зор: қағаз, картон, мақта және медициналық бинт өндірісінде кеңінен қолданылады. Табиғи ортада целлюлоза жеңіл ыдырайды және судың және топырақтың көптеген микроорганизмдері арқылы толық минералданады. Осы қасиеті оны экологиялық таза өнімдер шығару үшін маңызды материалға айналдырады. Сонымен, целлюлоза негізіндегі биополимерлер экологиялық таза технологиялардың негізінде ерекшеленеді.

14. Биополимер өндірісінің технологиялық кезеңдері

Биополимер өндірісі бірнеше маңызды технологилық кезеңнен тұрады. Алдымен шикізаттың (мысалы, жүгері немесе крахмал) дайындығы және тазалануы жүзеге асады. Соңынан микроорганизмдер немесе ферменттер көмегімен полимерлер синтезделеді. Алынған материал өңделіп, қажетті өнім формасына келтіріледі. Әр кезеңде жоғары технологиялық бақылаулар мен сапа талаптары орындалады. Бұл өндірістің тазалығы мен тиімділігін қамтамасыз етеді, сондай-ақ қоршаған ортаға зиян келтірмей экологияға тиімді өнімді жасауға жағдай жасайды.

15. PLA өндірісінің негізгі биотехнологиялық процесі

PLA өндірісі жүгеріден бастап соңғы өнімге дейін бірнеше қадамнан тұрады. Біріншіден, жүгеріден глюкоза ағындары алынады. Кейін ферментативті процес арқылы бұл глюкоза молекулалары лактатқа дейін ыдырайды. Одан әрі арқылы лактик қышқылы полимеризацияланып, пластикалық қасиетке ие PLA-ға айналады. Бұл процесс биотехнологияның негізгі жетістігі ретінде экологиялық таза өндірістің үлгісі болып табылады. PLA – биологиялық ыдырайтын полимерлердің ішіндегі ең перспективалы өнім.

16. Биополимерлерді қолдану салалары

Биополимерлер бүгінде түрлі өнеркәсіп салаларында кеңінен қолданылады. Мысалы, медицинада олар жарақаттарды емдеу және тін инженериясында маңызды материал ретінде пайдаланылады. Азық-түлік өнеркәсібінде биополимерлер тағам пакетін экологиялық таза нұсқада жасауға мүмкіндік береді, бұл пластик қалдықтарын азайтады. Сондай-ақ, ауыл шаруашылығында топырақтың құрылымын жақсарту және өсімдіктерді қорғау мақсатында биополимерлерді қолдану тәжірибелері белсенді дамып келеді. Осы мүмкіндіктер биополимерлердің заманауи өндірісте орны ерекше екенін көрсетеді.

17. Биологиялық ыдырау механизмдері

Биополимерлердің табиғи ортада ыдырауы микроорганизмдердің ферменттері арқылы жүзеге асады. Бұл ферменттер полимер тізбегін гидролиз және тотығу арқылы бұзып, оларды қарапайым молекулаларға айналдырады. Соңында минерализация процесінде көмірқышқыл газы, су және жаңа биомасса түзіледі, бұл экологиялық зиянсыз әрі қайта өңделетін циклді қамтамасыз етеді. Бұл үдерістің жылдамдығы температураға, ылғалдылыққа, рН деңгейіне және микроорганизмдердің түрлеріне тәуелді болады. Мұндай процесс биополимерлердің қоршаған ортаға бейімделген және тұрақты материал екендігін дәлелдейді.

18. Қазақстандағы биополимерлер әлеуеті

Қазақстанның аграрлық секторы биополимерлердің шикізат базасын кеңінен қамтамасыз етеді. Елде өсірілетін бидай, жүгері, картоп және мақта сияқты дақылдар өндірістік шикізат ретінде үлкен мүмкіндік береді. Сонымен қатар, Қазақстанда крахмал және мақта өңдейтін зауыттар бар, бірақ оларды жаңғырту мен модернизациялау қажеттілігі туындап отыр. Ғылыми зерттеулер мен өндірістік ынтымақтастықты дамыту, инновациялық технологияларды енгізу арқылы еліміз биополимерлер өндірісін халықаралық деңгейге көтере алады. Бұл бағыттағы жетістіктер экологияны қорғау мен экономиканың әртараптануына септігін тигізері сөзсіз.

19. Биополимерлер дамуының шектеулері мен шешімдері

Биополимерлер өндірісіндегі негізгі кедергілердің бірі — жоғары өндірістік шығындар, бұл өнімнің қолжетімділігін азайтады. Технологияларды оңтайландыру және өндіріс шығындарын төмендету осы мәселелерді шешудің жолы ретінде қарастырылады. Сонымен қатар, шикізаттың әртүрлілігі мен жетіспеушілігі өндіріс көлемін шектейді, бірақ ауыл шаруашылық қалдықтарын тиімді пайдалану арқылы бұл шектеулер жойылады. Тұтынушылар сұранысының жеткіліксіздігі мен технологиялық процестің күрделілігі де мемлекеттік қолдау мен халықаралық ынтымақтастық арқылы жеңілдірілуі тиіс. Бұл мәселелердің кешенді шешімі биополимерлер нарығының тұрақты дамуына ықпал етеді.

20. Биополимерлер — тұрақты болашақтың кілті

Биологиялық ыдырайтын полимерлер табиғи ресурстарды үнемді пайдалану және қоршаған ортаны қорғау жолында маңызды рөл атқарады. Олардың дамуы ғылым, бизнес және мемлекеттік институттардың бірлескен күш-жігерімен жүзеге асады. Бұл бағыттағы табыстар экологиялық тепе-теңдікті сақтауға, экономикада жаңа мүмкіндіктер ашуға және келешек ұрпаққа таза орта қалдыруға көмектеседі. Биополимерлердің маңыздылығы бүгінгі күнмен ғана шектелмей, тұрақты даму идеясын нығайтады.

Дереккөздер

European Bioplastics. "Market Data 2023." Berlin, 2023.

Чернобровин М.В., Николаева Н.А. Биополимеры и их применение. Москва: Химия, 2019.

Сергеева Е.П., Кузнецова В.В. Экологическая химия полимеров. Санкт-Петербург: Наука, 2021.

Ivanov, V. "Biopolymers: Properties and Applications." Materials Science Journal, 2020, Vol. 16, pp. 55-70.

Петров С.А. "Современные технологии производства биополимеров." Вестник Технологий, 2022.

Исаев С.Т. Биополимеры. – Алматы: Ғылым, 2018.

Нургалиев А.К., Ержанова Г.Б. Биополимерлер өндірісіндегі инновациялар. – Астана: Университет баспасы, 2020.

Петрова Е.В. Экологичный пластик: биополимеры в современном мире. – Москва: Наука, 2019.

Қашаев Т.Е., Мусаев М.Б. Қазақстанда биополимерлер индустриясын дамыту стратегиясы. – Қарағанды: Қарағанды мемлекеттік университеті, 2021.