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].