พอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพและพอลิเมอร์ชีวภาพ

พอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพจะสลายตัวผ่านกระบวนการไฮโดรไลซิสหรือการทำงานของเอนไซม์กลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่เป็นอันตราย ในขณะที่พอลิเมอร์ชีวภาพผลิตจากวัตถุดิบหมุนเวียน คุณสมบัติทั้งสองนี้มีความทับซ้อนกันแต่ก็แตกต่างกัน และทั้งสองอย่างล้วนช่วยลดภาระด้านสิ่งแวดล้อมจากพลาสติกทั่วไป

Definition

พอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพคือพอลิเมอร์ที่สามารถถูกย่อยสลายด้วยไฮโดรไลซิสหรือการทำงานของจุลินทรีย์และเอนไซม์ให้กลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมวลโมเลกุลต่ำ และท้ายที่สุดจะถูกแปรสภาพเป็นแร่ธาตุ ในขณะที่พอลิเมอร์ชีวภาพคือพอลิเมอร์ที่สังเคราะห์ขึ้นทั้งหมดหรือบางส่วนจากวัตถุดิบชีวภาพหมุนเวียน แทนที่จะเป็นปิโตรเลียม

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมพอลิเมอร์ที่ออกแบบมาให้ย่อยสลายได้และพอลิเมอร์ที่ได้จากทรัพยากรหมุนเวียน: พอลิเอสเทอร์ที่สามารถไฮโดรไลซ์ได้ เช่น กรดพอลิแลกติก (polylactic acid), กรดพอลิไกลโคลิก (polyglycolic acid), พอลิแคโปรแลกโตน (polycaprolactone) และพอลิไฮดรอกซีอัลคาโนเอต (polyhydroxyalkanoates); วัสดุที่ใช้พอลิแซ็กคาไรด์เป็นหลัก เช่น แป้งและอนุพันธ์ของเซลลูโลส; เคมีของการย่อยสลายด้วยไฮโดรไลซิสและเอนไซม์; ความแตกต่างระหว่างการย่อยสลายทางชีวภาพและแหล่งกำเนิดชีวภาพ; และข้อดีข้อเสียในด้านคุณสมบัติ ต้นทุน และแนวทางการจัดการเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน

Core questions

• คุณสมบัติทางเคมีใดที่ทำให้พอลิเมอร์ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ?
• การย่อยสลายทางชีวภาพและแหล่งกำเนิดชีวภาพแตกต่างกันอย่างไร และเหตุใดความแตกต่างนี้จึงสำคัญ?
• พอลิเอสเทอร์ที่สามารถไฮโดรไลซ์ได้ เช่น กรดพอลิแลกติก ย่อยสลายได้อย่างไร?
• ข้อดีข้อเสียด้านคุณสมบัติและต้นทุนใดที่จำกัดการทดแทนพลาสติกทั่วไป?

Key theories

การย่อยสลายด้วยไฮโดรไลซิสและเอนไซม์

โครงสร้างหลักที่มีพันธะเอสเทอร์, เอไมด์ หรือไกลโคซิดิก สามารถถูกแยกด้วยน้ำหรือเอนไซม์ให้เป็นชิ้นส่วนเล็กๆ ที่สิ่งมีชีวิตสามารถนำไปเผาผลาญได้; อัตราการย่อยสลายขึ้นอยู่กับเคมีของพันธะ, ความเป็นผลึก, สภาพชอบน้ำ และสภาพแวดล้อม

ความแตกต่างระหว่างชีวภาพและย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

แหล่งกำเนิดหมุนเวียนของพอลิเมอร์และความสามารถในการย่อยสลายเป็นอิสระต่อกัน: พอลิเมอร์บางชนิดที่ได้จากปิโตรเลียมสามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ในขณะที่พอลิเมอร์ชีวภาพบางชนิดมีความทนทาน ดังนั้นคุณสมบัติแต่ละอย่างจึงต้องได้รับการประเมินแยกกันสำหรับการกล่าวอ้างด้านความยั่งยืน

Mechanisms

การย่อยสลายทางชีวภาพมักจะเริ่มต้นด้วยการแยกพันธะหลักที่สามารถไฮโดรไลซ์ได้ เช่น พันธะเอสเทอร์ในพอลิเอสเทอร์แบบอะลิฟาติก (aliphatic polyesters) หรือพันธะไกลโคซิดิก (glycosidic bonds) ในพอลิแซ็กคาไรด์ ไม่ว่าจะด้วยน้ำเพียงอย่างเดียวหรือโดยเอนไซม์ของจุลินทรีย์ ซึ่งจะลดมวลโมเลกุลลงจนกระทั่งชิ้นส่วนมีขนาดเล็กพอที่จะถูกดูดซึมและแปรสภาพเป็นแร่ธาตุ ได้แก่ คาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และชีวมวล อัตราการย่อยสลายขึ้นอยู่กับเคมีของพันธะ, ความเป็นผลึก, พื้นที่ผิว, สภาพชอบน้ำ (hydrophilicity) และสภาพแวดล้อมโดยรอบ เช่น ความชื้น อุณหภูมิ และกิจกรรมของจุลินทรีย์ ในทางกลับกัน พอลิเมอร์ชีวภาพถูกกำหนดโดยวัตถุดิบ: โมโนเมอร์ เช่น กรดแลกติก (lactic acid) หรือเอทิลีนที่ได้จากชีวภาพ (bio-derived ethylene) มาจากการหมักหรือแหล่งพืช โดยไม่ขึ้นอยู่กับว่าพอลิเมอร์ที่ได้จะย่อยสลายได้หรือไม่

Clinical relevance

วัสดุเหล่านี้ช่วยจัดการกับขยะพลาสติกและให้ประโยชน์ทางการแพทย์: บรรจุภัณฑ์ที่ย่อยสลายได้, ฟิล์มคลุมดินทางการเกษตร และภาชนะใส่อาหารช่วยลดขยะที่คงอยู่ยาวนาน ในขณะที่พอลิเอสเทอร์ที่สามารถดูดซึมได้ เช่น กรดพอลิแลกติกและกรดพอลิไกลโคลิก ถูกนำมาใช้สำหรับไหมเย็บแผล, เมทริกซ์สำหรับการนำส่งยา และโครงสร้างสำหรับการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อที่สามารถย่อยสลายได้อย่างปลอดภัยในร่างกาย การนำไปใช้จริงขึ้นอยู่กับการจับคู่คุณสมบัติ ต้นทุน และโครงสร้างพื้นฐานการจัดการเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งานที่เหมาะสม

History

พอลิเอสเทอร์แบบอะลิฟาติกเป็นหนึ่งในพอลิเมอร์สังเคราะห์กลุ่มแรกๆ ที่คาโรเธอร์ส (Carothers) ศึกษาในช่วงทศวรรษ 1930 แต่ในตอนแรกถูกละเลยเนื่องจากสามารถไฮโดรไลซ์ได้ง่ายเกินไป ความสามารถในการไฮโดรไลซ์ได้ง่ายนี้เองที่ทำให้พวกมันมีคุณค่าในภายหลัง โดยมีการพัฒนาไหมเย็บแผลที่ดูดซึมได้และระบบควบคุมการปลดปล่อยยาตั้งแต่ทศวรรษ 1970 และมีการผลิตพลาสติกชีวภาพขนาดใหญ่ เช่น กรดพอลิแลกติกในเชิงพาณิชย์เมื่อความกังวลเกี่ยวกับความคงทนของพลาสติกเพิ่มขึ้น

Key figures

• Wallace Carothers
• Robert Langer

Seminal works

• young2011
• odian2004

Frequently asked questions

พอลิเมอร์ชีวภาพทุกชนิดย่อยสลายได้ทางชีวภาพหรือไม่?

ไม่ ต้นกำเนิดและความสามารถในการย่อยสลายเป็นอิสระต่อกัน พอลิเอทิลีนชีวภาพที่ผลิตจากเอทิลีนที่ได้จากพืชมีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกับพอลิเอทิลีนทั่วไปและไม่ย่อยสลายทางชีวภาพ ในขณะที่พอลิเอสเทอร์บางชนิดที่ได้จากปิโตรเลียมสามารถย่อยสลายได้

เหตุใดพอลิเอสเทอร์จึงเป็นพอลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพที่พบได้ทั่วไป?

พันธะเอสเทอร์ของพวกมันไวต่อการไฮโดรไลซิสและการแยกด้วยเอนไซม์ ทำให้โครงสร้างหลักสามารถแตกออกเป็นชิ้นส่วนเล็กๆ ที่สามารถนำไปเผาผลาญได้ สิ่งนี้ทำให้พอลิเอสเทอร์แบบอะลิฟาติก เช่น กรดพอลิแลกติก สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพและมีประโยชน์ในฐานะวัสดุทางการแพทย์ที่ดูดซึมได้