जीवबहुलक
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जीवबहुलक (बायोपॉलिमर) जीवित जन्तुओं द्वारा उत्पन्न बहुलक होते हैं। सेलूलोज, स्टार्च, काइटिन, प्रोटीन, पेप्टाइड, डीएनए (DNA) और आरएनए (RNA), ये सभी जीवबहुलकों के उदाहरण हैं, जिनमें मोनोमेरिक इकाईयों के रूप में क्रमशः शर्करा, अमीनो अम्ल और न्यूक्लियोटाइड होते हैं। [1] [2] [3] [4]
सेलूलोज धरती पर पाया जाने वाला सबसे आम बायोपॉलिमर और कार्बनिक यौगिक है। समस्त वनस्पति पदार्थ का 33 प्रतिशत सेलूलोज होता है। उदा. सेलूलोज की मात्रा कपास में करीब 90 प्रतिशत और लकड़ी में करीब 50 प्रतिशत होती है। [5]
कुछ बायोपॉलिमरों का जैव अवक्रमीकरण किया जा सकता है। अर्थात, उन्हें सूक्ष्मजीवाणुओं द्वारा CO2 और पानी में विच्छेदित किया जा सकता है। इसके अलावा इनमें से कुछ बायोपॉलिमरों का सम्मिश्रण किया जा सकता है। अर्थात्, उन्हें औद्योगिक सम्मिश्रण प्रक्रिया द्वारा 6 महीनों के भीतर 90% तक विच्छेदित किया जा सकता है। जिन बायोपॉलिमरों में यह क्षमता होती है, उन पर यूरोपीय मानक ईएन 13432 (2000) के अंतर्गत एक सम्मिश्रण योग्य चिन्ह लगाया जा सकता है। इस चिन्ह से युक्त पैकिंग औद्योगिक सम्मिश्रण की प्रक्रिया प्रक्रिया द्वारा 6 महीनों या उससे कम समय में विच्छेदित हो जाती है। सम्मिश्रण के लिये सक्षम पॉलिमर का एक उदाहरण 20 माइक्रोमीटर से कम मोटाई की पीएलए फिल्म है – उससे अधिक मोटाई वाली फिल्में सम्मिश्रण योग्य नहीं कहलातीं हैं, भले ही वे जैवअक्रमीकरण के लिये सक्षम क्यौं न हों. एक घरेलू सम्मिश्रण की प्रक्रिया लोगो भी जल्द ही उपलब्ध होने वाला है, जिससे उपभोक्ताओं द्वारा सीधे अपने खुद के सम्मिश्रण ढेर में पैकेजिंग के सामान को डाल देना संभव हो सकेगा. [6]
पॉलिमरों और बायोपॉलिमरों के बीच मुख्य भिन्नता उनकी संरचनाओं में होती है। बायोपॉलिमरों समेत पॉलिमर मोनोमेरों नामक इकाईयों से बने होते हैं। बायोपॉलिमरों की संरचना अक्सर अच्छी तरह से स्पष्ट होती है, हालांकि यह उनका विशिष्ट लक्षण नहीं होता (उदा.लिग्नो-सेलूलोज): प्रोटीनों में, इन इकाईयों की सही रसायनिक संरचना और व्यवस्थात्मक श्रंखला को प्राथमिक संरचना कहा जाता है। कई बोयोपॉलिमर स्वतः ही विशिष्ट आकारों (प्रोटीन दोहरीकरण और द्वितीयक तथा तृतीयक रचना भी देखें) में दोहरे हो जाते हैं, जिससे उनके जैविक कार्यकलाप निर्धारित होते हैं और जो जटिल तरीके से उनकी प्राथमिक रचनाओं पर निर्भर होते हैं। बायोपॉलिमरों के रचनात्मक गुणों के अध्ययन को रचनात्मक जीवविज्ञान कहते हैं। इसके विपरीत अधिकांश संश्लेषित पॉलिमरों की रचना काफी सरल और अधिक रैंडम (स्टॉचैस्टिक) होती है। इस तथ्य के द्वारा एक आण्विक पिंड वितरण को पहुंचा जाता है, जो बायोपॉलिमरों में नहीं पाया जाता. दरअसल में, चूंकि अधिकांश जीवन-दशाओं में उनका संश्लेषण एक टेम्प्लेट निर्देशित प्रक्रिया से नियंत्रित होता है, इसलिये एक प्रकार (जैसे कोई विशिष्ट प्रोटीन) के सभी बायोपॉलिमर दिखने में एक समान होते हैं – उन सभी में मोनोमेरों की एक समान श्रंखलाएं और संख्याएं होती हैं और सभी समान भार वाले होते हैं। इस प्रक्रिया को मोनोडिस्पर्सिटी कहते हैं, जबकि संश्लेषित पॉलिमरों में पॉलिडिस्पर्सिटी होती है। फलस्वरूप, बायोपॉलिमरों का पॉलिडिस्पर्सिटी सूचकांक 1 होता है। [8]
बायोपॉलिमर (जिन्हें अक्षय पॉलिमर भी कहते हैं) सामान्यतः जैवपिंडों से उत्पन्न होते हैं, जो शर्करा चुकंदर, आलू या गेहूं जैसी फसलों से प्राप्त होता है। जब उनका प्रयोग बायोपॉलिमरों के उत्पादन के लिये किया जाता है तो उन्हें अभोज्य फसलों के रूप में वर्गीकृत किया जाता है, जिन्हें निम्न पथमार्गों में परिवर्तित किया जा सकता है:
शर्करा चुकंदर – ग्लाइकॉनिक एसिड – पॉलिग्लॉनिक एसिड
स्टार्च – (किण्वन) – लैक्टिक एसिड – पॉलिलैक्टिक एसिड (पीएलए)
जैवपिंड – (किण्वन) – बायोइथैनॉल – ईथेन - पॉलिथिलीन
बायोपॉलिमर अक्षय, टिकाऊ होते हैं और कार्बन के प्रति तटस्थ हो सकते हैं
बायोपॉलिमर अक्षय हैं क्यौंकि वे वनस्पति पदार्थों से बनते हैं जिन्हें अनवरत रूप से हर वर्ष उगाया जा सकता है। यह वनस्पति पदार्थ कृषिक गैर खाद्य फसल से उत्पन्न होते हैं। इसलिये बायोपॉलिमरों का प्रयोग एक स्थायी उद्योग का निर्माण कर सकता है। इसके विपरीत, पॉलिमरों के लिये आवश्यक पेट्रोरसायनों से प्राप्त वस्तुएं अंततः समाप्त हो जाएंगीं. इसके अलावा, बायोपॉलिमर कार्बन-उत्सर्जन को कम कर सकते हैं और वातावरण में CO2 की मात्रा में कमी ला सकते हैं। ऐसा इसलिये संभव है क्यौंकि उनके अवक्रमीकरण के समय उत्सर्जित CO2 उनके स्थान पर उगाई गई फसलों द्वारा अवशोषित कर ली जाती है, जिससे वे कार्बन के प्रति तटस्थ हो जाते हैं।
बायोपॉलिमर जैवअवक्रमकरणीय हैं और कुछ को काम्पोस्ट भी किया जा सकता है
कुछ बायोपॉलिमर जैव अवक्रमकरणीय होते हैं – वे सूक्ष्मजीवाणुओं द्वारा CO2 और जल में विच्छेदित कर दिये जाते हैं। इसके अलावा, इनमें से कुछ जैव अवक्रमकरणीय बायोपॉलिमरों का काम्पोस्टीकरण किया जा सकता है – उन्हें औद्योगिक सम्मिश्रण की प्रक्रिया में डाला जा सकता है जिससे उनका 90% तक भाग 6 महीनों के भीतर विच्छेदित हो जाता है। जो बायोपॉलिमर इसके लिये सक्षम होते हैं उन्हें यूरोपियन मानक ईएन 13432 (2000) के अंतर्गत एक सम्मिश्रण योग्य निशान से चिन्हित किया जा सकता है।
शर्करा पर आधारित बायोपॉलिमर अकसर परम्परा नहीं निभाते. शर्करा पॉलिमर रेखाकार हो सकते हैं या ग्लाइकोसिडिक बांडों से जुड़कर शाखाओं में बंटे होते हैं। इन जोड़ों का सही स्थान भिन्न हो सकता है और जोड़ने वाले क्रियात्मक समूहों की दिशा भी महत्वपूर्ण होती है, जिसके कारण रिंग में जोड़ने वाले कार्बनों के स्थान के अनुसार क्रमांक वाले α- और β-ग्लाइकोसिडिक बांड बनते हैं। इसके अतिरिक्त, कई सैक्राइड इकाइयों में अमिनेशन जैसे विभिन्न रसायनिक परिवर्तन हो सकते हैं और वे ग्लाइकोप्रोटीनों जैसे अन्य अणुओं का हिस्सा भी बन सकते हैं।
वस्तुओं में औद्योगिक प्रयोग के लिये आजकल सबसे अधिक ध्यान खींचने वाले पॉलिसैक्राइडों में सेलूलोज और स्टार्च हैं। लेकिन बैक्टीरिया और फफूंदी से उत्पन्न अधिक जटिल कार्बोहाइड्रेट पॉलिमरों की ओर अब और अधिक ध्यान दिया जा रहा है। उदाहरणों में जैंथान, कर्डलान, पुलुलान और हयालुरोनिक एसिड शामिल हैं। ये पॉलिमर साधारणतः एकाधिक प्रकार के कार्बोहाइड्रेट मोनोमरों से युक्त होते हैं और कई मामलों में तो इन पॉलिमरों में नियमित शाखायुक्त रचनाएं होती हैं। उदाहरण के लिये स्टार्च शाखित और रेखाकार पॉलिमरों (क्रमशः अमाइलोपेक्टिन और अमाइलोज) का एक भौतिक संयोग होता है, लेकिन उसमें केवल एक ही प्रकार का कार्बोहाइड्रेट (या शर्करा) होता है – ग्लुकोज. सेलुलोज और स्टार्च दोनों सैकड़ों या हजारों ग्लुकोपायरानोसाइड इकाइयों से बने होते हैं। ये इकाइयां एक इकाई में चक्रिक ग्लुकोज के कार्बन परमाणु और बगल वाली इकाई में हाइड्राक्सिल समूह के बीच एसिटाल बांडों द्वारा जुड़ी होती हैं।
स्टार्च वनस्पतियों में व्यापक रूप से पाया जाने वाला एक पॉलिमर है। इसके उत्पादन के लिये प्रयुक्त मुख्य फसलों में आलू, मक्का और चावल शामिल हैं। इन सभी पौधों में स्टार्च कणों के रूप में उत्पन्न होता है, जो आकार और संरचना में हर पौधे में भिन्न हो सकते हैं। मोटे तौर पर कण का करीब 20 भार% अमाइलोज नामक रेखाकार पॉलिमर होता है और शेष भाग शाखित पॉलिमर अमाइलोपेक्टिन होता है। अमाइलोज स्फटिकीय होता है और उसका औसत अणुभार 500,000 तक हो सकता है, लेकिन वह उबलते हुए पानी में घुलनशील होता है। अमाइलोपेक्टिन उबलते पानी में अघुलनशील होता है, लेकिन खाद्यपदार्थों में प्रयोग के समय दोनों अंश एंजाइमों द्वारा एसिटाल जोड़ पर आसानी से जल-विच्छेदित कर दिये जाते हैं।
फिल्म बनाने वाले पारम्परिक रेजिनों के बढ़ते भावों और कम उपलब्धि के कारण स्टार्च का प्रयोग फिल्म के उत्पादन में कच्चे माल के रूप में बड़े पैमाने पर किया जाता है। स्टार्च फिल्मों में पारगम्यता कम होती है और इसलिये खाद्य की पैकेजिंग के लिये ये वस्तुएं आकर्षक हैं। स्टार्च कृषि मुल्च (mulch) फिल्मों के उत्पादन में भी उपयोगी है, क्यौंकि मिट्टी के सूक्ष्मजीवाणुओं से संपर्क में आने पर यह हानिरहित उत्पादों में अवक्रमणित हो जाता है।
स्टार्च पर किये जाने वाले शोध में उसके जल-अवशोषण, रसायनिक संशोधन और उष्ण-यांत्रिकीय प्रभाव की जांच शामिल है। हालांकि स्टार्च एक पॉलिमर है, फिर भी दबाव की स्थिति में उसकी स्थिरता अधिक नहीं होती. 150 °C अधिक तापमानों पर ग्लुकोसाइड जोड़ बिखरने लगते हैं और 250 °C ऊपर स्टार्च कण अंतर-उष्मीय तरीके से ध्वस्त हो जाता है। कम तापमानों पर, पश्चगमन नामक एक प्रक्रिया देखी जाती है। इसमें हाइड्रोजन बांडों का पुनर्गठन और शीतलीकरण के समय आण्विक श्रंखलाओं का समूहन होता है। 10 °C. जैसी चरम स्थिति में, अवक्षेपण हो जाता है। इस तरह, यद्यपि स्टार्च को गर्म पानी में छितरा कर फिल्म के रूप में ढाला जा सकता है, उपरोक्त प्रक्रिया से एक प्लास्टिक जैसी भंगुर स्थिति उत्पन्न हो जाती है और अंततः फिल्म बिखर सकती है।
जैवअवक्रमण-योग्य प्लास्टिकों में प्रयोग के लिये स्टार्च को या तो उसके मूल कणों में भौतिक रूप से मिश्रित किया जाता है, अखंड रखा जाता है, या पिघलाकर आणविक स्तर पर उचित पॉलिमर के साथ मिलाया जाता है। हर रूप में, मिश्रण में एंजाइमों के लिये उपलब्ध स्टार्च का अंश अमाइलेजों या ग्लुकोसिडेजों या दोनों के द्वारा अवक्रमित किया जा सकता है।
स्टार्च अणु में दो महत्वपूर्ण क्रियात्मक समूह होते हैं, –OH समूह जिसमें विस्थापन प्रतिक्रियाएं हो सकती हैं और C–O–C बांड जिसमें श्रंखला-भंगुरता हो सकती है। ग्लुकोज के हाइड्राक्सिल समूह में एक न्यूक्लियोफिलिक गुण होता है। इसके –OH समूह की प्रतिक्रिया द्वारा विभिन्न गुणों को संशोधित किया जा सकता है। इसका एक उदाहरण है, पॉलिथिलीन में इसके छितरन को बेहतर बनाने के लिये सिलेन से इसकी प्रतिक्रिया. –OH समूहों की क्रास-लिंकिंग या सेतुकरण से संरचना एक ऐसे जाल में बदल जाती है जिसमें उसकी लसलसाहट बढ़ जाती है, पानी का ठहराव कम हो जाता है और उष्मयांत्रिक दबाव के प्रति उसकी प्रतिरोध-क्षमता बढ़ जाती है।
एसिटाइलीकृत स्टार्च के मूल स्टार्च के मुकाबले रचनात्मक तंतु या फिल्म-उत्पादक पॉलिमर के रूप में अनेक लाभ होते हैं। स्टार्च का एसिटाइलीकरण एक जानी-मानी प्रतिक्रिया है और संश्लेषण के लिये अपेक्षाकृत आसान होती है। स्टार्च एसीटेट में स्टार्च की अपेक्षा अधिक जलसंत्रास होता है और जल-युक्त वातावरणों में यह तनाव-संबंधी गुणों को बेहतर रूप से बनाए रखता है। इसका एक और लाभ यह है कि स्टार्च एसीटेट में स्टार्च की तुलना में बेहतर घुलनशीलता होती है और इसे सरल घोलकों से फिल्मों में आसानी से ढाला जा सकता है। एसिटाइलीकरण के स्तर को ट्रांसएस्टरीकरण द्वारा आसानी से नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे भिन्न जलसंत्रास वाले पॉलिमरों का उत्पादन किया जा सकता है।
स्टार्च को एसिटिलीकृत [लीनियर अमाइलोज की अधिक मात्रा (70%) के साथ] करके उसके एंजाइमिक अवक्रमण का अध्ययन किया गया है। स्टार्च को पायरिडीन/एसिटिक एनहाइड्राइड के मिश्रण में एसिटिलीकृत करके स्टार्च एसीटेट बनाया गया और 90% फार्मिक एसिड के घोलों से फिल्मों में ढाला गया। विभिन्न एसिटाइल मात्रा वाली फिल्मों की श्रंखला को फिर प्रतिरोधक अमाइलेज घोलों में डाला गया। यह पाया गया कि पर्याप्त एसिटाइल मात्रा होने पर फिल्मों की नम शक्ति जलीय घोलों में यथावत रहती है, लेकिन एसिटाइल की मात्रा फिर भी इतनी कम होती है कि उसे अल्फा और बीटा अमाइलेजों के मिश्रण द्वारा 1 घंटे के भीतर अवक्रमित किया जा सकता है। ये फिल्में बायोरिएक्टरों में झिल्लियों के रूप में उपयोगी हो सकती हैं जिनको फिर एंजाइम मिलाकर अवक्रमित किया जा सकता है।
अनेक पॉलिमर शोधकर्ता यह मानते हैं कि पॉलिमर रसायनशास्त्र की शुरूआत सेलूलोज की पहचान के साथ हुई. सेलूलोज की खोज सबसे पहले लगभग 150 वर्ष पहले हुई थी। सेलूलोज वनस्पति द्वारा उत्पन्न अन्य पॉलिसैक्राइडों से कुछ बातों में भिन्न होता है, इसकी आण्विक श्रंखला बहुत लंबी होती है और इसमें एक बार-बार आने वाली इकाई (सेलोबायोज) शामिल होती है। प्रकृति में यह स्फटिक रूप में पाया जाता है। कोशिका भित्तियों में सेलूलोज सूक्ष्मतंतुओं से रसायनिक निष्कर्षण से प्राप्त किया जाता है। सभी रूपों में सेलूलोज बहुत अधिक स्फटिकीय, उच्च अणुभार युक्त पॉलिमर होता है जो सबसे तेज, हाइड्रोजन बांडों को विच्छेदित करने वाले घोलकों को छोड़ कर अन्य किसी भी घोलक में मिलाया या घोला नहीं जा सकता. इसकी अविलयकता के कारण सेलूलोज को तैयार करते समय अधिक उपयोगी बनाने के लिये उसे अकसर उसके यौगिकों में परिणित कर लिया जाता है।
कुछ फफूंद ऐसे एंजाइमों का स्राव कर सकते हैं जो स्वयं सेलूलोज या सेलूलोज के एंजाइमी जल-विच्छेदन से उत्पन्न कम अणुभार वाले आलिगोमरों की आक्सीकरण प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित कर सकते हैं। इनमें से, पराक्सिडेज़ सेलूलोज की सी2-सी3 स्थितियों पर मुक्त मूलक आक्रमण के लिये हाइड्रोजन पराक्साइड उपलब्ध करके एल्डीहाइड सेलूलोज बनाते हैं, जो बहुत प्रतिक्रियाशील होते हैं और जल-विच्छेदित होकर कम अणुभार वाले अंश बनाते हैं। बैक्टीरिया भी एंजाइमों का स्राव करते हैं, जिनमें से कुछ ऐसे यौगिकों का निर्माण करते हैं जो सेलूलोज को संयुक्त रूप से अवक्रमित करके कार्बोहाइड्रेट पोषक बनाते हैं, जिनका प्रयोग सूक्ष्मजीवी जीवित रहने के लिये करते हैं।
वायु युक्त मिट्टी के वातावरणों में साधारणतः आपस में सौहार्द रूप से कार्य करने वाले अनेक भिन्न प्रकार के अवक्रमक बैक्टीरिया और फफूंद बड़ी तादाद में पाए जाते हैं। प्राथमिक सूक्ष्मजीवी सेलूलोज को ग्लुकोज और सेलोडेक्स्ट्रिनों में अवक्रमित करते हैं, जिसके एक भाग को वे स्वयं उपयोग में लाते हैं और द्वितीयक सूक्ष्मजीवी एंजाइमों द्वारा सेलोडेक्स्ट्रिनों को ग्लुकोज में अवक्रमित करके उसका उपभोग करते हैं। ग्लुकोज का उपभोग करके वे प्राथमिक सूक्ष्मजीवियों के विकास में सहायता करते हैं, क्यौंकि वे सेलोडेक्स्ट्रिनों के जमाव को रोकते हैं, जो कि वातावरण में अधिक मात्रा में होने पर ग्लुकानेजों का प्रतिरोध कर सकते हैं। वायु युक्त जैव अवक्रमण के अंतिम उत्पादन अंततः CO2 और जल होते हैं।
निर्वात वातावरणों में कई तरह के अंतिम उत्पादन प्राप्त होते हैं, जिनमें CO2, हाइड्रोजन, मीथेन, हाइड्रोजन सल्फाइड और अमोनिया शामिल हैं। CO2 का उत्पादन वातावरण में आक्सीकरण कारकों की तरह काम करने वाले अकार्बनिक योगिकों जैसे सल्फेट और नाइट्रेट आयनों का प्रयोग करने वाली आक्सीकारक प्रतिक्रियाओं से होता है। कुछ निर्वात बैक्टीरिया द्वारा उत्पन्न हाइड्रोजन का प्रयोग स्वयंजीवी बैक्टीरिया द्वारा आक्सीकृत यौगिकों औऱ CO2 को अनाक्सीकृत करके एसिटिक एसिड या मीथेन बनाने में किया जाता है।
सेलूलोज की ओर किसी भी अन्य पॉलिमर की अपेक्षा अधिक ध्यान इसलिये गया है क्यौंकि इस पर विविध प्रकार के सूक्ष्मजीवों का आक्रमण होता है और इसे कपड़ों में बिना किसी अतिरिक्त पदार्थों के प्रयोग में लाया जाता है जिससे परिणामों का विश्लेषण कठिन हो जाता है। व्यर्थ पदार्थों का एक बड़ा हिस्सा सेलूलोज होता है। यह सौभाग्य की बात है कि यह तुरंत विघटित हो जाता है। यह समझा जाता है कि सेलूलोज के किण्वन से इथेनॉल और एसिटिक एसिड जैसे रसायन बनते हैं लेकिन अभी तक इसे औद्योगिक महत्व नहीं प्राप्त हुआ है।
सेलूलोज के सभी यौगिक तीन हाइड्राक्सिल समूहों में से एक या अधिक के प्रतिक्रिया उत्पाद हैं, जिनमें शामिल हैं –(1) ईथर, उदा.मिथाइल सेलूलोज और हाइड्राक्सिल-इथाइल सेलूलोज, (2) एस्टर, उदा.सेलूलोज एसीटेट और सेलूलोज जैन्थेट, जिसका प्रयोग सेलूलोज को तंतु या फिल्म रूप में परिवर्तित करने के लिये घुलनशील मध्यक के रूप में किया जाता है, जिसके दौरान सेलूलोज का पूनर्उत्पादन नियंत्रित जलविघटन से होता है और (3) एसीटाल, विशेषकर साइक्लिक एसीटाल जो C2 और C3 हाइड्राक्सिल समूहों और बुटिरएल्डीहाइड के मध्य बनता है।
सेलूलोज का जैवअवक्रमण कठिन होता है, क्यौंकि सेलूलोज लिग्निन के साथ पाया जाता है, उदा. लकड़ी की कोशिका-भित्तियों में. सफेद-सड़े फफूंद बाह्यकोशिकीय पराक्सिडेजों का स्राव करते हैं जो विशेषकर लिग्निन का अवक्रमण करते हैं और कुछ कम हद तक सेलूलेजों का स्राव करते हैं जो पॉलिसैक्राइडों का अवक्रमण करके सरल शर्कराओं का उत्पादन करते हैं जो इन सूक्ष्मजीवों के पोषण के काम आती हैं। भूरे-सड़े फफूंद सेलूलोज और हेमीसेलूलोजों के अवक्रमण के लिये एंजाइमों का स्राव करते हैं। नरम-सड़े फफूंद भी मुख्यतः इन्हीं दो प्रकार के पॉलिसैक्राइडों का अवक्रमण करते हैं।
सेलूलोज एस्टर पॉलिमरों के एक ऐसे वर्ग का प्रतिनिधित्व करते हैं जिनमें जीवाणुओं द्वारा उत्प्रेरित डी-एस्टेरीफिकेशन और उससे उत्पन्न सेलूलोज और कार्बनिक एसिडों के विघटन के जरिये कार्बन चक्र में भाग लेने की क्षमता होती है। आजकल सेलूलोज एसीटेट का प्रयोग तंतुओं, फिल्मों, इंजेक्शन मोल्डिंग थर्मोप्लास्टिकों के बड़ी मात्रा में उत्पादन के लिये किया जा रहा है। इसके भौतिक गुणों और अपेक्षाकृत कम लागत के कारण अन्य जैवअवक्रमणीय पॉलिमरों का बाजार में व्यापक प्रयोग नहीं हो पा रहा है।
वैज्ञानिकों ने अपने प्रतिस्थापन की डिग्री में भिन्नता वाली सेलूलोज एसीटेट फिल्मों की एक श्रंखला का विकास किया है, जिन्हें उन्होंने इस पेंच-स्केल सिस्टम में परखा. इसके अलावा व्यावसायिक रूप से उपलब्ध जैवअवक्रमणीय पॉलिमरों जैसे पॉलिहाइड्राक्सीब्युटिरेट-को-वैलरेट (पीएचबीवी (PHBV)) और पॉलिकैप्रोलैक्टोन (पीसीएल (PCL)) संदर्भ के रूप में शामिल किये गए। फिल्म के विघटन और उसके वजन में कमी के आधार पर लगभग 2.20 प्रतिस्थापन डिग्री वाले सेलूलोज एसीटेट पीएचबीवी से तुलनायोग्य दरों पर काम्पोस्ट होते हैं। काम्पोस्टीकृत फिल्मों के एनएमआर और जीपीसी विश्लेषण से संकेत मिलता है कि अधिक प्रतिस्थापित और धीमी गति से अवक्रमित होने वाले सेलूलोज एसीटेटों से कम अणुभार वाले अंशों को विशेष रूप से निकाला जाता है।
प्रतिस्थापन की कम डिग्री वाले घुलनशील सेलूलोज एसीटेटों पर एस्टरेज गतिविधि के प्रमाण मिले हैं। इस कम डीएस सेलूलोज एस्टर को पूरी तरह से काम में लेने वाले पेस्टलोटियाप्सिस वेस्टरडिजकी क्वार्टर मास्टर (क्यूएम) 381 के शुद्ध कल्चर के विषय में बताया गया। लेकिन रीज़ को ऐसा कोई प्रमाण नहीं मिला जिससे पता चले कि पूरी तरह से प्रतिस्थापित सेलूलोज ट्राईएसीटेट को जैवअवक्रमित किया जा सकता है। अन्यों ने सेलूलोज एसीटेट से बनी उल्टी परासरण झिल्लियों पर एस्टरेज गतिविधि का प्रमाण पाया है।
सूक्ष्मजीवियों द्वारा दोनों सेलूलोज एस्टरों से कार्बन के उच्च स्तर के उपभोग और उसके कार्बन डाईआक्साइड में परिवर्तन से इन पॉलिमरों की जैव अवक्रमणीयता और प्राकृतिक सूक्ष्मजैविकीय सक्रिय पर्यावरणों में पूर्ण खनिजीकरण की उनकी क्षमता सिद्ध होती है। सेलूलोज ईथरों के जैवअवक्रमीकरण का बड़े पैमाने पर अध्ययन किया गया है और यह ज्ञात है कि 1 से कम डीएस वाले सेलूलोज ईथर पॉलिमरों के अप्रतिस्थापित स्थानों पर सूक्ष्मजीवाणुओं के आक्रमण के कारण अवक्रमित हो जाते हैं। सेलूलेज बैकबोन के ईथर जोड़ों को सूक्ष्म जीवाणुओं के आक्रमण के प्रति प्रतिरोधक्षम समझा जाता है। इसके विपरीत, सेलूलोज एस्टरों की जैवअवक्रमण क्षमता के बारे में परस्पर विरोधी समाचार मिले हैं।
काइटिन केकड़ों, लॉबस्टरों, श्रिम्प और कीटों के खोलों में पाया जाने वाला एक महाअणु है। काइटिन को काइटिनेज द्वारा अवक्रमित किया जा सकता है। काइटिन तंतुओं का प्रयोग कृत्रिम त्वचा और अवशोषी टांके बनाने में किया जाता है। अपने मूल रूप में काइटिन अघुलनशील होता है, लेकिन उसका आंशिक रूप से डीएसिटिलीकृत प्रकार, काइटोसान घुलनशील होता है। ये पदार्थ जैवसंगत होते हैं और इनमें सूक्ष्मजीवाणुनिरोधक गुण और भारी धातु आयनों को अवशोषित करने की क्षमता होती है। इनके जल-संग्रही और नमीकरण गुणों के कारण ये कास्मेटिक उद्योग में भी उपयोगी हैं। काइटिन और काइटोसान को वाहकों के रूप में प्रयोग करके एक जल-घुलनशील प्रोड्रग का संश्लेषण किया गया है। विभिन्न रसायनिक और जीववैज्ञानिक गुणों वाले संशोधित काइटोसान तैयार किये गए हैं। उदा. कास्मेटिकों और घावों के उपचार में प्रयोग के लिये एन-कार्बाक्सीमिथाइलकाइटोसान और एन-कार्बाक्सीबुटाइलकाइटोसान तैयार किये गए हैं।
काइटिन यौगिकों को औषधि वाहकों के रूप में भी काम में लाया जा सकता है, और अवशोषी टांकों में काइटिन के प्रयोग की एक खबर बतलाती है कि टांके की वस्तुओं के रूप में प्रयुक्त काइटिन, पॉलिग्लायकालिक एसिड (पीजीए), सादी कैटगट और क्रोमिक कैटगट में काइटिन सबसे कम खिंचती है। काइटिन की ऊतक प्रतिक्रिया पीजीए के समान होती है।
कई पॉलिसैक्राइड घोल के रूप में होने पर काउंटरआयनों के संपर्क में आने पर जेल (gel) में बदल जाते हैं। क्रास-लिंकिंग की डिग्री विभिन्न कारकों जैसे पीएच, काउंटरायन के प्रकार और इन पॉलिमरों के कार्यात्मक चार्ज घनत्व पर निर्भर करती है। डाईवैलेंट कैटायनों की उपस्थिति में जेल बनाने की क्षमता के कारण आल्जिनोटों का विस्तार से अध्ययन किया गया है। आल्जिनिक एसिड मोनोवैलेंट कैटायनों, कम अणुभार वाले अमीनों और क्वाटर्नरी अमोनियम यौगिकों के साथ जल-घुलनशील लवण बनाता है। यह Ca2+, Be2+, Cu2+, Al3+ and Fe3+ जैसे पॉलिवैलेंट कैटायनों की उपस्थिति में जल-घुलनशील हो जाता है। आल्जिनेट जेलों का नियंत्रित मुक्ति औषधि डिलीवरी तंत्रों में व्यापक प्रयोग होता है। अल्जिनेटों को विभिन्न हर्बिसाइडों, सूक्ष्मजीवाणुओं और कोशिकाओं के कैप्सूल बनाने के लिये उपयोग में लाया जाता है।
परम्परागत रूप से पॉलिपेप्टाइड को उसके अमीनो एसिड स्थलों के अमीनो टर्मिनस से कार्बाक्सिलिक एसिड टर्मिनस तक स्थिति के अनुसार लिखा जाता है। अमीनो एसिड रेजिड्यू हमेशा पेप्टाइड बांडों से जुड़े होते हैं। हालांकि बोलचाल में किसी भी पॉलिपेप्टाइड के संदर्भ में प्रोटीन शब्द का प्रयोग होता है, वास्तव में इसका मतलब बड़े या पूरी तरह से कार्यशील प्रकारों से होता है और इसमें अनेक पॉलिपेप्टाइड या एकल श्रंखलाएं हो सकती हैं। प्रोटीनों को संशोधित करके अपेप्टाइड अंशों जैसे सैक्राइड श्रंखलाओं और वसाओं को भी उनमें शामिल किया जा सकता है।
औद्योगिक प्रयोग में व्यापक रूप से प्रयुक्त प्रोटीन सामान्यतः न तो घुलनशील होते हैं और न ही बिना अवक्रमित हुए गलाए जा सकते हैं। इस तरह वे मुख्यतः उनके प्राकृतिक रूप में काम में लाए जाते हैं। ऐसा विशेषकर तंतुमय प्रोटीनों जैसे, ऊन, रेशम और कौलाजन के साथ होता है।
सभी प्रोटीन नियमित रूप से व्यवस्थित विभिन्न प्रकार के α-अमीनो एसिडों वाले विशिष्ट सह-पॉलिमर होते हैं। इसलिये, प्रोटीनों का जैवसंश्लेषण कई विभिन्न प्रकार के एंजाइमों से युक्त अत्यंत ही जटिल प्रक्रिया है। इसके विपरीत, प्रोटीनों का आम उपयोग वाले प्रोटिएजों द्वारा एंजाइमिक अवक्रमण एक अपेक्षाकृत सीधी-साधी अमाइड जल-विघटन क्रिया है।
जिलेटिन एक पशु-जन्य प्रोटीन है जिसमें पेप्टाइड जोड़ों से जुड़े 19 अमीनो एसिड होते हैं और जिसे विविध पर्कार के एंजाइमो द्वारा जल-विघटित करके उसको बनाने वाले अमीनो एसिडों या पेप्टाइड अंशों को प्राप्त किया जा सकता है। जिलेटिन का यह गुण उसे उद्देश्यपूर्ण जैवअवक्रमण के लिये उपयुक्त बनाता है। जिलेटिन एक जल-घुलनशील, जैवअवक्रमणीय पॉलिमर है जिसके व्यापक औद्योगिक, औषधिक और जैवचिकित्सकीय उपयोग हैं और विभिन्न दवाओँ के सूक्ष्मकैप्सुलीकरण और आवरण तथा जैवअवक्रमणशील हाइड्रोजेलों के उत्पादन में प्रयोग में लाया जाता है।
एक सरल, लचीली, जिलेटिन फिल्म पर आधारित कृत्रिम त्वचा के निर्माण की एक विधि का विकास किया गया है जो खुले घाव पर चिपक कर उसे द्वव-ह्रास और संक्रमण से बचा सकती है। इस विधि में पॉलिग्लिसरालों को वाणिज्यिक जिलेटिन में मीश्रित करके फसे टेफ्लान से ढंके थालों में ढाला जाता है। ये फिल्में अपेक्षाकृत मजबूत होती हैं और खुले घावों पर चिपक सकती हैं। इन्हें जैव-सक्रिय अणुओं, विकास कारकों और एंटीबायोटिकों से प्रचुरित किया जा सकता है, जो कई दिनों के काल में मुक्त होते हैं। इन फिल्मों को γ-किरणों से कीटाणुहीन किया जा सकता है या कीटाणुहीन स्थिति में बनाया जा सकता है।
पुनर्रोपण द्वारा प्राकृतिक पॉलिमरों का रसायनिक संशोधन अक्षय और प्राकृतिक रूप से प्राप्य उत्पादनों (उदा, प्रोटीन) का पेट्रोलियम पर आधारित पॉलिमरों के स्थान पर और जैवअवक्रमणशील संरचनाओं में, जिन्हें धीमे या तेज गति से अवक्रमित होने के लिये तैयार किया जा सकता है, प्रयोग के दोहरे उद्देश्य को पूरा करता है।
प्राकृतिक पॉलिमरों के संशोधन के लिये पुनर्रोपण के प्रयोग को बढाने के लिये एक समूह ने मूल प्रारंभकों द्वारा जिलेटिन पर मिथाइल मेथाक्रिलेट का पुनर्रोपण किया और 60 से 80 °C के तापमानों पर जलीय घोल में उनका अध्ययन किया। गतिक आंकड़ों से यह ज्ञात हुआ कि (1) पुनर्रोपण की कार्यक्षमता कम तापमानों पर अधिक होती है, (2) पुनर्रोपण की कार्यक्षमता में उच्च तापमान पर पॉलिमरीकरण के दूसरे भाग में तीव्र वृद्धि होती है, जो होमोपॉलिमर और बैकबोन जिलेटिन के संयोग के कारण होती है और (3) इस पॉलिमरीकरण में आम तौर पर शाखाओं की संख्या कम थी और शाखित पॉलिमर का अणुभार अधिक था।
प्राकृतिक पॉलियेस्टर, जो विविध तरह के बैक्टीरिया द्वारा अंतर्कोशिकीय रिजर्व पदार्थों के रूप में उत्पन्न किये जाते हैं, अक्षय स्रोतों से उत्पन्न जैव अवक्रमणशील, गलन प्रक्रियाशील पॉलिमरों के रूप में संभावित प्रयोगों के लिये अपनी ओर ध्यान आकर्षित कर रहे हैं। उष्ण-प्लास्टिक जैव-पॉलिमरों के इस परिवार के सदस्यों के गुणों में भिन्नता देखी जा सकती है, जिनमें पेंडेंट अल्काइल समूह, आर और पॉलिमर की संरचना के अनुसार, कठोर भंगुर प्लास्टिकों से लेकर अच्छे प्रभाव-युक्त गुणों से लेकर मजबूत इलास्टोमरों वाले लचीले प्लास्टिक तक शामिल हैं।
इन सभी पॉलियेस्टरों में β-स्थिति पर 100% दृष्टिवत शुद्ध इकाईयां होती हैं, इसलिये ये सभी 100% आइसोटैक्टिक होते हैं। R=CH3, पॉलि- β-हाइड्राक्सीबुटिरेट (पीएचबी) वाला पॉलिमर 180 °C गलन तापमान और 5 °C के लगभग ग्लास ट्रांजीशन तापमान, टीजी, युक्त अत्यंत स्फटिकीय होता है। अत्यंत उच्च स्फटिकता और अपेक्षाकृत उच्च टीजी का यह संयोग पीएचबी की फिल्मों और प्लास्टिकों को अत्यंत भंगुर बना देता है, इसलिये अन्य अल्काइल समूहों, विशेषकर R=C2H5, वाली इकाइयों से युक्त सहपॉलिमरों को प्राथमिकता दी जाती है। ये सभी पदार्थ अपने-आप में जैवअवक्रमणशील होते हैं। विविध प्रकार के बैक्टीरिया द्वारा लंबे अल्काइल विस्थापकों वाले पॉलियेस्टर भी बनाए जाते हैं, जो साधारणतः कम स्फटिकता और कम Tm और Tg कीमतों वाले सहपॉलिमरों के रूप में होते हैं। परिणामस्वरूप, ये लंबे अल्काइल समूह पॉलियेस्टर उष्ण-प्लास्टिक इलेस्टोमरों के रूप में उपयोगी होते हैं, जिनमें बढ़िया ताकत और मजबूती होती है और अपने-आप में जैवअवक्रमणशील भी होते हैं।
पीएचबी के सहपॉलिमरों के उत्पादन के लिये एक बड़े पैमाने की नियंत्रित किणवन प्रक्रिया के विकसित किये जाने पर काफी रूचि उत्पन्न हुई. बैक्टीरिया को विविध प्रकार के कार्बन स्रोतों का आहार देने पर भिन्न सहपॉलिमर उत्पन्न हुए और पीएचबी से बेहतर यांत्रिक गुणों वाला एक पदार्थ प्राप्त हुआ। पीएचबी और उसके सहपॉलिमरों के जैवअवक्रमण का मिट्टी, सक्रिय स्लज और समुद्री जल जैसे पर्यावरणों में अध्ययन किया गया है।
प्राकृतिक पॉलियेस्टर जल में भी बहुत धीमी गति से जल-विघटित होते हैं। शरीर के भीतर पॉलिमर की श्रंखला के कटने की यह मुख्य अवक्रमणीय प्रक्रिया होती है। शरीर के बाहर हाइड्राक्सीबुटिरेट-हाइड्राक्सीवैलरेट सहपॉलिमरों का जल-विघटीय अवक्रमण सतह के संशोधन और मैट्रिक्स में जल के विस्तारण के साथ शुरू होता है। छिद्रमयता में लगातार वृद्धि से अवक्रमण के उत्पादनों के निकास द्वारा विस्तारण में सहायता मिलती है।
श्रंखला जानकारी के निश्चय के लिये कई जैवभौतिक तकनीकें उपलब्ध हैं। प्रोटीन श्रंखला को एडमैन अवक्रमण से निश्चित किया जा सकता है, जिसमें एन-टर्मिनल रेजिड्यू एक बार में श्रंखला एक से जल-विघटित करके, यौगिकों में बदले जाते और फिर पहचाने जाते हैं। मास स्पेक्ट्रोमीटर तकनीकों का प्रयोग भी किया जा सकता है। जेल और कैपिलरी इलेक्ट्रोफोरेसिस के द्वारा न्यूक्लिक एसिड श्रंखला निश्चित की जा सकती है। अंत में, इन जैवपॉलिमरों के यांत्रित गुणों को अक्सर आप्टिकल ट्वीजर या परमाणु बल माइक्रोस्कोपी से मापा जा सकता है। दोहरी पोलरीकरण इंटरफेरोमेट्री का प्रयोग पीएच, तापमान, आयनिक शक्ति या अन्य बंधन सहयोगियों द्वारा उत्तेजित किये जाने पर इन वस्तुओं के परिवर्तनों या स्वतःसमूहन को मापने के लिये किया जा सकता है। [9] [10] [11]
प्राकृतिक महाअणु, उदा.प्रटीन, सेलूलोज और स्टार्च जैव-तंत्रों में सामान्यतः जल-विघटन और फिर आक्सीकरण द्वारा अवक्रमित किये जाते हैं। इसलिये यह आश्चर्य की बात नहीं है कि अधिकांश संश्लेषित जैवअवक्रमणशील पॉलिमरों में पलिमर श्रंखला के साथ जल-विघटनीय जोड़ होते हैं। उदा.अमाइड एनामाइन, एस्टर, यूरिया और यूरीथेन जोड़ सूक्ष्मजीवाणुओं और जल-विघटक एंजाइमों द्वारा जैवअवक्रमित किये जा सकते हैं। चूंकि अनेक प्रोटियोलाइटिक एंजाइम विशेष रूप से प्रटीनों में विस्थापकों के बगल में स्थित पेप्टाइड जोड़ों के जल-विघटन को उत्प्रेरित करते हैं, बेंजाइल, हाइड्राक्सी, कार्बाक्सी, मिथाइल और फिनाइल समूहों जैसे विस्थापकों से युक्त विस्थापित पॉलिमर इस उम्मीद में बनाए गए हैं कि ये विस्थापक जैवअवक्रमणशीलता में वृद्धि कर सकेंगे. बेंजाइलीकृत पॉलिमरों में, पॉलिअमाइडों से मिश्रित परिणाम प्राप्त हुए हैं। संभवतः एंजाइमों की काइरल विशिष्टता यहां बनाई रखी जाती है।
चूंकि अधिकांश एंजाइम-उत्प्रेरित प्रतिक्रियाएं जलीय माध्यम में होती हैं, इसलिये संश्लेषित पॉलिमरों का जलाकर्षण-जलसंत्रास गुण उनकी जैवअवक्रमणशीलता पर बहुत प्रभावित करता है। जलाकर्षण और जलसंत्रास दोनों खंडों से युक्त पॉलिमर में केवल जलाकर्षण या जलसंत्रास रचना वाले पॉलिमरों की अपेक्षा अधिक जैवअवक्रमणशीलती होती है।
किसी संश्लेषित पॉलिमर के एंजाइम उत्प्रेरकों द्वारा अवक्रमित होने के लिये पॉलिमर श्रंखला का एंजाइम के सक्रिय स्थल में जमने जितना लचीला होना आवश्यक है। जबकि लचीले ऐलीफैटिक पॉलियेस्टर जैविक तंत्रों द्वारा आसानी से अवक्रमित हो जाते हैं, अधिक कठोर एरोमेटिक पॉलिमर यौगिक साधारणतः जैव निष्क्रिय माना जाता है।
प्रोटीनों और संश्लेषित पॉलिमरों में मुख्य भिन्नताओं में से एक यह है कि, प्रोटीनों में पॉलिपेप्टाइड श्रंखलाओं के साथ समान बार-बार आने वाली इकाईयां नहीं होती हैं। इस अनियमितता के कारण प्रोटीन श्रंखलाओं के स्फटिकरण की संभावना कम होती है। ऐसा संभव है कि इस गुण के कारण प्रोटीन आसानी से जैवअवक्रमणशील होते हैं। दूसरी ओर, संश्लेषित पॉलिमरों में सामान्यतः छोटी बार-बार आने वाली इकाईयां होती हैं। यह नियमितता स्फटिकरण को बढ़ावा देती है, जिससे जल-अपघटन योग्य समूह एंजाइमों की पहुंच के बाहर हो जाते हैं। यह समझा जाता है कि लंबी बारम्बार आने वाली इकाईयों वाले संश्लेषित पॉलिमरों के स्फटिकरण की संभावना कम होती है और इसलिये वे जैवअवक्रमणशील होते हैं। पॉलिमरों की एक श्रंखला सबटिलिसिन द्वारा आसानी से अवक्रमित होती पाई गई है।
अर्ध-स्फटिक पॉलिमर नमूनों के चुनिंदा रसायनिक अवक्रमण से कुछ खास परिवर्तन दिखाई देते हैं। अवक्रमण के समय, नमूने की स्फटिकता पहले तो तेजी से बढती है, फिर स्फटिकता के 100% होने के साथ उसकी दर काफी कम हो जाती है। इसका संबंध संभवतः नमूनों के अस्फटिक भागों के अंततः गायब हो जाने से है। अनेक संभावित प्रयोगों वाले एक जैवअवक्रमणीय पॉलिमर, पीसीएल के सूक्ष्मजैविक और एंजाइमिक अवक्रमण पर आकार के प्रभाव का अध्ययन किया जा रहा है।
स्कैनिंग इलेक्ट्रान माइक्रोस्कोपी (एसईएम) से देखा गया है कि आंशिक ऱूप से स्फटिक पॉलिकैप्रोलैक्टोन फिल्म का तंतुमय फफूंदी द्वारा अवक्रमण विशेष तरीके से होता है, जिसमें अस्फटिक भाग स्फटिक भागों से पहले अवक्रमित होते हैं। सूक्ष्मजीवाणु चुनिंदा अवक्रमण के लिये जिम्मेदार बाह्यकोशिकीय एंजाइमों का उत्पादन करते हैं। यह चुनिंदापन अस्फटिक भागों की कम नियमित व्यवस्था के कारण संभव है, जिससे एजाइमों की पॉलिमर श्रंखलाओं में पहुंच आसान हो जाती है। स्फटिकों के आकार और संख्या का अस्फटिक भागों की श्रंखला की गतिशीलता पर बड़ा असर होता है और इस तरह अवक्रमण की दर प्रभावित होती है। ऐसा अवक्रमण पर खिंचाव द्वारा दिशा के परिवर्तन के प्रभावों के अध्ययन से सिद्ध किया गया है।
जैवअवक्रमण रसायनिक अवक्रमण से भिन्न होता है। 40% जलीय मिथाइलएमीन के घोलों द्वारा अवक्रमण के अध्ययनों में आकार और अणुभार के परिवर्तनों और अवक्रमणकारकों के सबस्ट्रेट में प्रवेश करने की क्षमता में भिन्नता देखी गई है। यह भी पाया गया है कि अस्फटिक और स्फटिक भागों के बीच अवक्रमण की दरों में भिन्नताएं एक समान नहीं होतीं. एंजाइम मिथाइलएमीन की अपेक्षा स्फटिक भागों को अधिक तेजी से अवक्रमित कर सकता है। परिमाणात्मक जीपीसी (जेल पर्मियेशन क्रोमेटोग्राफी) विश्लेषण के अनुसार मिथाइलअमीन स्फटिक भागों का अवक्रमण करके एकल या दोहरे अनुप्रस्थ लंबाई वाले उत्पाद बनाते हैं।
दूसरी ओर, एंजाइम तंत्र किसी माध्यमिक अणुभार वस्तु का प्रदर्शन नहीं करता और अवक्रमण के साथ भार में बहुत कम परिवर्तन होता है। इससे संकेत मिलता है कि यद्यपि अवक्रमण में चुनने की प्रकृति होती है, स्फटिक भाग बाह्यएंजाइम को श्रंखलाओं के सिरे उपलब्ध होने के थोड़ी देर बाद अवक्रमित कर दिया जाता है। स्फटिकों का पाक्षिक आकार अवक्रमण की दर पर तीव्र प्रभाव डालता है क्यौंकि स्फटिक की पैकिंग के कारण स्फटिक पदार्थ का अवक्रमण स्फटिक के सिरों पर होता है। स्फटिक का छोटा पाक्षिक आकार पॉलिमर में अधिक स्फटिक सिरे की सतह उपलब्ध करता है। एंजाइम सक्रिय स्थलों के संतृप्त होने के पहले दर उपलब्ध पदार्थ पर निर्भर करती है। इस तरह छोटे पाक्षिक स्फटिक आकार से अवक्रमण की दर बढ़ जाती है।
पीसीएल फिल्म की अवक्रमण दर कुल पॉलिमर के मुकाबले शून्य होती है, लेकिन स्फटिक सिरे के पदार्थ के मुकाबले यह शून्य नहीं होती. पीसीएल फिल्मों को खींचने पर अवक्रमण की दर में वृद्धि होती है, जबकि पीसीएल के संकुचन से यह दर कम हो जाती है। ऐसा संभवतः पाक्षिक स्फटिक आकारों में परस्पर विरोधी परिवर्तनों के कारण होता है।
शरीर के बाहर, पॉलिमरों, विशेषकर पॉलियेस्चरों के रसायनिक और एंजाइमिक अवक्रमण का रसायनिक संरचना और भौतिक गुणों के संदर्भ में विश्लेषण किया गया। यह पाया गया कि अकसर सबसे कम द्रवण बिंदु वाले सहपॉलिमर की संरचना के अवक्रमित होने की संभावना सबसे अधिक होती है। अपेक्षानुसार सबसे कम पैकिंग श्रेणी की सबसे अधिक अवक्रमण दर होती है।
पॉलिमरों के अल्ट्रावायलेट प्रकाश और γ-किरण विकिरण से ऐसे मूलक और/या आयन उत्पन्न होते हैं जो अकसर विदारण और क्रासलिंकिंग करते हैं। आक्सीकरण भी होता है, जिससे स्थिति और जटिल हो जाती है, क्यौंकि प्रकाशकरण शायद ही कभी विना आक्सीजन के होता है। सामान्यतः यह वस्तु के अवक्रमण की संभावना को बदल देता है। शुरू में अधिकांशतः खंडित पॉलिमर के पूरे समाप्त होने तक अवक्रमम की दर बढ़ती है और फिर पॉलिमर के क्रासलिंक हुए भाग का अवक्रमण धीमी गति से होता है। जलअपघटनयोग्य पॉलिमरों पर यूवी विकिरण के प्रभावों के अध्ययन से यह बात सिद्ध हुई. इसी तरह, पॉलिअल्कीनों का प्रकाशआक्सीकरण (अधिकांश मामलों में जरा सा) जैवअवक्रमण को प्रोत्साहित करता है। कार्बोनिल और एस्टर समूहों की उत्पत्ति इस परिवर्तन के लिये जिम्मेदार है।
अल्कीनों के कार्बोनिल समूह युक्त सहपॉलिमर बनाने की प्रक्रियाएं विकसित की गई हैं जिससे उनमें अवक्रमण के पहले प्रकाशअपघटक विदारण की संभावना बढ़ जाए. इस तरीके में मुश्किल यह है कि गाड़े गे नमूनों में दो वर्ष के समय में नहीं के बराबर अवक्रमण देखा गया। पूर्वप्रकाशअपघटन की व्यवस्था के बिना, प्लास्टिक के व्यर्थ पदार्थों से निपटने की समस्या गंभीर बनी रहती है, क्यौंकि लगातार सूर्यप्रकाश उपलब्ध होने पर भी इसे खुले में फेंकना अपेक्षित नहीं है।
अपेक्षानुसार, γ-किरण विकिरण पॉलियेस्टरों के शरीर के बाहर अवक्रमण को बहुत प्रभावित करता है, जिसमें प्रक्रिया के आगे बढ़ने के साथ अवक्रमण घोल का पीएच कम होता जाता है। परिवर्तन-समय वक्र सिगमा के जैसे आकार प्रदर्शित करते हैं और तीन अवस्थाओं वाले होते हैं – प्रारंभिक, त्वरित और बाद की. इन तीनों भागों की लंबाई γ-किरण विकिरण के साथ बदलती हैं। विकिरण की मात्रा बढ़ने पर प्रारंभिक अवस्था का समय कम हो जाता है। पीएच में तीव्र परिवर्तनों के प्रकट होने के साथ तनावपूर्ण विघटन शक्ति गायब हो जाती है। एंजाइमिक और सूक्ष्मजीवी अवक्रमण के साथ इस तरह के प्रभाव अभी दिखाए जाने हैं।
जैवअवक्रमण प्रक्रियाओं पर अणुभार के प्रभाव पर कई अध्ययन किये गए हैं। देखी गई अधिकांश भिन्नताएं अवक्रमण के समय होने वाले परिवर्तनों को पहचानने की सीमा, या, अकसर आकार विज्ञान और भिन्न अणु भार वाले पॉलिमर नमूनों के जलाकर्षण-जलसंत्रास गुण से संबंध रखती हैं। सूक्ष्मजीवी बाह्यएंजाइमों (भीतर के टर्मिनल समूहों की ओर से पॉलिमरों का अवक्रमण करने वाले) और आंतरिकएंजाइमों (श्रंखला के साथ पॉलिमरों का अंधाधुंध अवक्रमण करने वाले), दोनों का उत्पादन करते हैं। बाह्यएंजाइम अवक्रमण की दर पर बड़ा आण्विक प्रभाव डाल सकते हैं जबकि आंतरिकएंजाइमों से अपेक्षाकृत कम अणुभार का प्रभाव होता है।
प्लास्टिकों पर अकसर सूक्ष्मजीवाणुओं का आक्रमण तब तक नहीं होता जब तक कि उनका अणुभार अधिक रहता है। अनेक प्लास्टिक सूक्ष्मजीवियों के विकास को बढ़ावा नहीं देते. कम अणुभार वाले हाइड्रोकार्बन सूक्ष्मजीवियों द्वारा अवक्रमित हो सकते हैं। इन्हें सूक्ष्मजीवाणु कोशिकाओं द्वारा लेकर, कोएंजाइम-ए से जोड़कर सक्रिय किया जाता है और कोशिकीय चयापचय उत्पादों में बदल दिया जाता है। लेकिन ये प्रक्रियाएं बाह्यकोशिकीय वातावरण में अच्छी तरह से काम नहीं करती हैं और प्लास्टिक अणु इतने बड़े होते हैं कि वे कोशिका के भीतर प्रवेश नहीं कर सकते. स्टार्च और सेलूलोज जैसे प्राकृतिक अणुओं के साथ यह समस्या नहीं होती, क्यौंकि एंजाइम प्रतिक्रियाओं से कम अणुभार वाले अंशों में परिवर्तन सूक्ष्मजीवी की कोशिका के बाहर होता है। लेकिन, प्रकाशअवक्रमण या रसायनिक अवक्रमण अणुभार को इस हद तक कम कर सकता है कि सूक्ष्मजीवाणुओं का आक्रमण संभव हो जाय.
जैववैज्ञानिक पर्यावरण में, अर्थात् वह वातावरण जिसमें पॉलिमर रहते हैं, पॉलिमर पदार्थों को अवक्रमित करने वाले जैववैज्ञानिक कारक शामिल हैं। बैक्टीरिया, फफूंदी और उनके एंजाइम किसी पदार्थ का आहार स्रोत के रूप में उपभोग करते हैं जिससे उसका मूल रूप अदृश्य हो जाता है। नमी, तापमान और आक्सीजन की उपलब्धि की उचित दशाओं में जैवअवक्रमण अपेक्षाकृत तेज प्रक्रिया होती है।
प्राकृतिक और संश्लेषित पॉलिमरों के जैवअवक्रमण में दो प्रकार के सूक्ष्मजीवाणु विशेष स्थान रखते हैं – बैक्टीरिया और फफूंदी.
पदार्थों के अवक्रमण के लिये यूमीसाइट या शाश्वत कवक या फफूंद विशेष महत्व वाले सूक्ष्मजीवी हैं। कवक नाभिकीय, स्पोर बनाने वाले, बिना क्लोरोफिलयुक्त जीव होते हैं, जो लैंगिक और अलैंगिक, दोनों तरीकों से प्रजनन करते हैं; अधिकांश में धागों जैसी, सोमैटिक संरचनाएं और काइटिन और/या सेलूलेज की कोशिका भित्तियां होती हैं। इनकी 80000 से अधिक जातियां ज्ञात हैं।
शाश्वत कवक हर जगह पाए जाते हैं। उनका क्षयकारक एजेटों के रूप में महत्व ऐसे एंजाइमों के उत्पादन के फलस्वरूप होता है, जो पॉलिमर संरचनाओं में उपस्थित पोषक पदार्थों को प्राप्त करने के लिये जीवनहीन यौगिकों का विघटन करते हैं। उनके सही विकास और अवक्रमात्मक गतिविधि के लिये कतिपय पर्यावरणीय दशाओं का होना आवश्यक है। इनमें सही परिवेशी तापमान, पोषक पदार्थों की उपस्थिति और उच्च आर्द्रता शामिल हैं।
परीक्षा के लिये प्रयुक्त कवक समूह जिन्हें प्राकृतिक पॉलिमरों के क्षेत्र में अध्ययन के लिये विकसित किया गया और फिर संश्लेषित पॉलिमरों में अध्ययन के लिये चुना गया, वह नामकरण के अनुसार बहुत ही भिन्न समूह हैं जो आपस में कोई विशेष नामकरण की समानता प्रदर्शित नहीं करते (उदा.आकार-विज्ञान के आधार पर). उनमें से कई को इसलिये चुना गया था क्यौंकि उनके प्रजनन बीजाणु अलैंगिक तरीके से उत्पन्न होते हैं और लैंगिक तत्व के मिलन से उत्पन्न बीजाणुओं में होने वाली भिन्नताओं को कम किया जासकता है। सबसे अधिक स्वीकृत जीवों को जाति या कल्चर कलेक्शन संख्या से जाना जाता है।
एक तरह के बैक्टीरिया, शिजोमाइसिटीज़ कवकों द्वारा पॉलिमरों के अपक्षयन में अनिश्चित भूमिका निभाते हैं। ये बैक्टीरिया एक कोशीय दंडाकार, अंडाकार, या घुमावदार हो सकते हैं। अन्य जंजीरनुमा या धागेरूपी हो सकते हैं। बैक्टीरिया वातजीवी या निर्वातजीवी हो सकते हैं। इसके विपरीत कवक आवश्यक रूप से वातजीवी होते हैं। कुछ बैक्टीरिया चंचल होते हैं जबकि अन्य मुख्य रूप से क्लोरोफिलरहित होते हैं। उनका अवक्रमणात्मक प्रभाव भी मुख्यतः एंजाइम के उत्पादन और उसके फलस्वरूप पोषक पदार्थों की प्राप्ति के लिये जीवनहीन यौगिक के विघटन का परिणाम होता है।
मिट्टी में उपस्थित बैक्टीरिया पदार्थों के अवक्रमण में मुख्य कारक होते हैं। कोशिका-अपघटन से सेलूलोजी वनस्पति जीवन, लकड़ी के उत्पादन और कपड़े विशेष रूप से प्रभावित होते हैं।
एंजाइम आवश्यक रूप से जैव वैज्ञानिक उत्प्रेरक होते हैं, जिनका कार्य रसायनिक उत्प्रेरकों जैसा ही होता है। सक्रियीकरण ऊर्जा को घटाकर वे रसायनिक प्रतिक्रियाओं (उदा. पीएच 7 और 30 °C पर पानी) के लिये प्रतिकूल वातावरण में प्रतिक्रिया की दर को बढ़ा सकते हैं। एंजाइमों की उपस्थिति में प्रतिक्रिया दर में 108-1020 की वृद्धि अकसर देखी जा सकती है। अधिकांश एंजाइम जटिल त्रिआयामीय संरचना वाली पॉलिपेप्टाइड श्रंखला युक्त प्रोटीन होते हैं। एंजाइमिक गतिविधि समान रूपी संरचना से विशेष संबंध रखती है।
एंजाइमों की तहों और जेबों वाली त्रिआयामी संरचना सतह पर सक्रिय स्थल का निर्माण करने वाले विशिष्ट प्राथमिक रचनाओं (यानी, विशिष्ट अमीनो एसिड श्रंखलाएं) वाले कुछ भाग बनाती है। सक्रिय स्थल पर एंजाइम और यौगिक के बीच अंतर्क्रिया होती है, जिससे रसायनिक प्रतिक्रिया होकर विशिष्ट उत्पादन प्राप्त होता है।
सर्वोत्तम गतिविधि के लिये कुछ एंजाइमों को सहकारकों की जरूरत होती है, जो धातु आयन हो सकते हैं, उदा.सोडियम, मैगनीशियम, कैल्शियम या जस्ता. कार्बनिक सहकारकों को सहएंजाइम भी कहा जाता है और उनकी संरचनाओं में भिन्नता हो सकती है। कुछ विभिन्न बी-विटामिनों (थायामिन, बयाटिन, आदि) से प्राप्त होते हैं जबकि अन्य चयापचयी चक्रों में महत्वपूर्ण यौगिक होते हैं।
परम विशिष्टताओं वाले एंजाइमों के लिये चाबी और ताले का सिद्धांत, जिसका अर्थ एक अपरिवर्तनीय कड़ा रूप है, एक युक्तिपूर्ण माडल है। एंजाइम और ग्राहक के बीच प्रारंभिक संपर्क सक्रिय स्थल पर एक श्रेष्ठ अवस्थिति बनाता है, जिससे अधिकतम बांडिंग (एंजाइम-ग्राहक) की अच्छी संभावनाएं उत्पन्न होती हैं, कसर सहकारक एंजाइम से जुड़ने के समय ये परिवर्तन लाता है।
सभी एंजाइमों को विशिष्ट पर्यावरणों के अनुरूप ढाला जा सकता है जिनमें किसी विशिष्ट उद्देश्य के लिये उनकी गतिविधि और त्रिआयामीय संरचना सर्वश्रेष्ठ होती है। मानवी एंजाइमों या मानव कोशिकाओं से प्राप्त एंजाइमों के लिये यह पर्यावरण 6-8 पीएच पर पानी, 0.15 मोलार (जैसे 0.9प्रतिशत सोडियम क्लोराइड की नार्मल फिजियोलाजिकल सैलाइन) की आयन क्षमता और 35-40डिग्री C. का तापमान होता है। इन मापदंडों में जरा सा परिवर्तन इन एंजाइमों को पूरी तरह से निष्क्रिय बना सकता है और कभी-कभी पूरी तरह से नष्ट भी कर सकता है। पानी को छोड़कर अन्य घोलक, विशेषकर कार्बनिक घोलक भी कई एंजाइमों के लिये घातक होते हैं, जबकि दुसरी ओर ऐसे एंजाइम भी हैं जो पर्यावरणों की चरम स्थिति में भी सक्रिय होते हैं, उदा.गर्म पानी के सोतों या लवणयुक्त पर्यावरणों में.
विभिन्न एंजाइम भिन्न कार्य करते हैं, कुछ एंजाइम ग्राहक को मुक्त मूलक प्रक्रिया से बदल डालते हैं, जबकि अन्य दूसरे रसायनिक मार्ग पर चलते हैं। जीववैज्ञानिक आक्सीकरण और जीववैज्ञानिक जलविघटन इसके आदर्श उदाहरण हैं।
कई एंजाइम आक्सीजन से सीधे प्रक्रिया करते हैं, श्वसन श्रंखला में सक्रिय साइटोक्रोमोआक्सिडेज़ इसका खास उदाहरण है। वातजीवी जीवों के चयापचय में आक्सीजन की विशेष भूमिका होती है। हाइड्राक्सिलेज़ या आक्सिजनेज़हो सकते हैं।
जैवअवक्रमणीय पॉलिमरों के उपयोग तीन मुख्य क्षेत्रों पर केंद्रित हैं – चिकित्सकीय, कृषि और उपभोक्ता सामान की पैकेजिंग. इनमें से कुछ वाणिज्यिक उत्पादनों में परिणित हुए हैं। उनकी विशिष्ट प्रकृति और अधिक इकाई मूल्य के कारण चिकित्सकीय उपकरण प्रयोग अन्य दोनों प्रयोगों की अपेक्षा अधिक तेजी से विकसित हुए हैं।
यह भाग निम्न क्षेत्रों में विशिष्ट प्रयोगों का सिंहावलोकन करता है – इलेक्ट्रानिक्स, फोटॉनिक्स, एयरोस्पेस, आयुर्विज्ञान और फार्मसी, आहार और कृषि, पैकेजिंग, भवन-निर्माण इंजीनियरिंग आदि. अन्य शामिल विषय हैं – रसायनिक पॉलिमर संश्लेषण के लिये मोनोमरों का जैवतकनीकी उत्पादन, कच्चे माल का परिवर्तन, करोज़न, कम्पोजिंग, पर्यावरणीय प्रभाव, स्वास्थ्य के विषय, कानूनी, इकॉलाजिकल और अर्थशास्त्रीय पहलू. [12] [13] [14] [15]
स्टार्च को कई वर्षों से भिन्न उद्देश्यों के लिये प्लास्टिक में योगात्मक की तरह प्रयुक्त किया जाता रहा है। स्टार्च को कई रेजिन सिस्टमों में पूरक की तरह मिलाकर ऐसी फिल्में बनाई जाती थीं जिनमें पानी की भाप तो भीतर जा सकती थी लेकिन जो पानी के लिये अभेद्य थीं। एलडीपीई में स्टार्च को जैवअवकरणीय पूरक की तरह प्रयोग किया घया. एक स्टार्च से भरी पॉलिइथाइलिन फिल्म तैयार की गई जो स्टार्च को निकाल देने के बाद छिद्रमय हो गई। इस छिद्रमय फिल्म पर सूक्ष्मजीवाणु आसानी से आक्रमण कर सकते हैं और यह तेजी से आक्सीजन से संतृप्त हो सकती है, जिससे जैविक और आक्सीकारक पथमार्गों से पॉलिमर का अवक्रमण बढ़ जाता है।
चूंकि आइसोसाइनेट हाइड्राक्सिल समूहों के प्रति अत्यंत प्रतिक्रियाशील होते हैं, इसलिये उन्हें स्टार्च से क्रासलिंक होने वाले कई प्रतिक्रियात्मक रेजिन बनाने के काम में लाया जा सकता है। आइसोसाइनेट रेजिनों में स्टार्च को मिलाने से बनाने का खर्च काफी कम हो गया और घोलक प्रतिरोधकता और मजबूती के गुणों में सुधार हुआ। स्टार्च को, आइसोसाइनेट प्रतिक्रिया के पहले प्रतिक्रिया की डिग्री को सुधारने के लिये, अध्रुवी समूहों जैसे वसा एस्टरों द्वारा संशोधित किया जा सकता है। इलास्टोमर प्राप्त करने के लिये डाईआइसोसाइनेट-संशोधित पॉलियेस्टरों में स्टार्च को पूरक और क्रासलिंकिंग एजेंट के तौर पर शामिल करने की एक विधि का विकास किया गया।
कुछ जैवपॉलिमर-जैसे पॉलिलैक्टिक एसिड (पीएलए), प्राकृतिक ज़ेन और पॉलि-3-हाइड्राक्सीबुटिरेट पॉलिस्ट्रीन या पॉलिइथाइलिन आधारित प्लास्टिकों के स्थान पर, प्लास्टिकों की तरह प्रयोग में लाए जा सकते हैं। कुछ प्लास्टिकों को आजकल अवक्रमणीय, आक्सी-अवक्रमणीय या यूवी-अवक्रमणीय कहा जाता है। इसका अर्थ यह है कि वे प्रकाश या हवा में विघटित हो जाते हैं, लेकिन ये प्लास्टिक अभी भी मुख्यतः (98 प्रतिशत तक) तेल पर आधारित हैं और पैकेजिंग और पैकेजिंग व्यर्थ पदार्थों पर यूरोपियन संघ के निर्देशों (94/62/ईसी) के अंतर्गत जैवअवक्रमणयोग्य होने के लिये प्रमाणित नहीं हैं। जैवपॉलिमर विघटित हो सकते हैं और उनमें से कुछ घरेलू सम्मिश्रण की प्रक्रिया के लिये उपयुक्त होते हैं।
जैवपॉलिमरों से कई प्रकार की पैकेजिंग बनाई जा सकती हैं – भोजन की थालियां, भंगुर सामानों को जहाज से भेजने के लिये फुलाए हुए स्टार्च के पेलेट, बांधने के लिये महीन फिल्में. पैकेजिंग पॉलिमरों के भौतिक गुण पॉलिमरों की रसायनिक संरचना, अणुभार, स्फटिकता और प्रासेसिंग की दशाओं से बहुत प्रभावित होते हैं। पैकेजिंग के लिये आवश्यक भौतिक गुण इस बात पर निर्भर करते हैं कि कौन सी वस्तु की पैकेजिंग करनी है और किस तरह के वातावरण में पैकेज को रखा जाएगा. जिन वस्तुओं को कुछ समय तक शीतल रखना हो, उन्हें विशेष पैकेजिंग की जरूरत होती है। न खराब होने वाले सामानों की बनिस्बत भोजन की वस्तुओं के लिये पैकेजिंग आवश्यकताएं अधिक सख्त होती हैं।
जैवअवक्रमणीय पैकेजिंग के विकास में शाश्वत जैवअवक्रमणशील पॉलिमरों को संयुक्त कर के ऐसी लैमिनेट फिल्म या फिल्म ब्लेंड बनाना एक चुनौती है, जिसके गुण संश्लेषित लैमिनेटों जितने अच्छे होते हैं। आहार के लिये प्रयोगों में, उदाहरण के लिये, आहार की वस्तुओं को पुलुलान, जिसकी बहुत कम आक्सीजन भेद्यता होती है और जो खाया जा सकता है, से मढ़ा जा सकता है और पीएचबीवी, जिसमे उत्तम लचीलापन होता है और नमी को रोकता है, को बाहरी पैकेजिंग की तरह इस्तेमाल किया जा सकता है। पुलुलान और पीएचबीवी का फिल्म ब्लेंड भी बनाया जा सकता है, क्यौंकि दोनो पॉलिमरों को पिघलाकर ऐसी स्थितियों में मिश्रित किया जा सकता है, जहां तैयारी के समय पर्याप्त नमी बनाई रखी जा सकती हो. पीएचबीवी में पुलुलान को मिलाने से आक्सीजन-भेद्यता कम और मिश्रण की अवक्रमणशीलता बढ़ सकती है। ऐसा इसलिये होता है, क्यौंकि जल-घुलनशीलता के कारण पुलुलान के तेजी से निकलने पर पीएचबीवी के अधिक खुले सतह क्षेत्रफल के कारण होता है।
कई पॉलिसैक्राइड-आधारित जैवपॉलिमरों को संभावित कोटिंग की वस्तुओं या पैकेजिंग फिल्मों की तरह प्रयोग किया जा रहा है। इनमें स्टार्च, पुलुलान और काइटोसान शामिल हैं। संश्लेषित पॉलिमर फिल्मों का अवक्रमण स्टार्च को पूरक की तरह इस्तेमाल करके तेज किया जा सकता है। पारम्परिक तरीकों से 10 प्रतिशत तक मकई स्टार्च युक्त एलडीपीई मिश्रण बनाकर खाद्य सामग्री या कचरे के लिये थैलियां बनाई गईं.
पुलुलान मुख्यतः α-1,6 जोड़ों से जुड़ी माल्टोट्राइज इकाईयों से बनता है। यह अनेक कवकों द्वारा बाह्यकोशिकीय द्वितीयक चयापचयक के रूप में उत्पन्न होता है। इसके प्राकृतिक मूल के कारण जापान में इसे आहार स्रोत के रूप में वाणिज्यीकरण किया गया है और भोजन की कोटिंग के रूप में स्वीकृत किया गया है। यह एक जल में घुलनशील पॉलिमर है जिससे साफ, खाने योग्य फिल्में बनती हैं जो कम आक्सीजन-भेद्यता का प्रदर्शन करती हैं। पुलुलान के 1-20 प्रतिशत जलीय घोल को एक धातु के प्लेट रोलर पर डालकर फिल्में बनाई जा सकती हैं। स्टार्च की तरह पुलुलान को भी ऊष्मा और दबाव से सांचे में ढाला जा सकता है, बशर्ते कि प्लास्टिसाइजर के रूप में पर्याप्त पानी उपलब्ध हो.
पॉलिलैक्टिक एसिड (पीएलए) लैक्टिक एसिड मोनोमर की एक रसायनिक संघनन प्रतिक्रिया से बनता है और उसकी तनावी शक्ति 45-70 एमपीए के ब्रेक पर और 85–105% का खिंचाव होता है। आर्गॉन नेशनल लैब ने एक प्रक्रिया का पेटेंट करवाया है, जिसमें आलू के स्टार्च से 100 घंटों की बजाय 10 घंटों में ग्लुकोज बनाया जा सकता है। ग्लुकोज को फिर किणवित करके लैक्टिक एसिड में बदला और शुद्धीकरण किया जाता है। इस लैब का अनुमान है कि आलू के व्यर्थ पदार्थों से प्राप्त ग्लुकोज की लागत इतनी कम है कि पीएलए बनाकर जैवअवक्रमणीय पैकेजिंग के सामान का उत्पादन उपयुक्त दामों पर किया जा सकता है। पीएलए पर आधारित पैकेजिंग में आहार की वस्तुओं और कचरे के लिये थैलियां, डायपर बैकिंगें, सिक्स-पैक रिंगें और फास्ट फुड के डिब्बे शामिल हैं।
अवक्रमणीय प्लास्टिकों की एक विशेष बात है पॉलिकैप्रोलैक्टोन का छोटे कषि रोपण पात्रों के लिये प्रयोग. हालांकि अवक्रमणीय प्लास्टिकों के लिये यह एक छोटे पैमाने का उपयोग है, इसे यहां इसलिये प्रस्तुत किया जा रहा है क्यौकि यह उन कुछ चुनिंदा प्रयोगों में से एक है जिनमें प्रयुक्त पॉलिमर उचित समयावधि में जैवअवक्रमणित हो जाता है। इन पॉलिकैप्रोलैक्टोन रोपण पात्रों को पेड़ों के पौधों को स्वचालित मशीन द्वारा रोपण के लिये प्रयोग में लाया जाता है। मिट्टी में रहने के छह महीनों के भीतर, पॉलिकैप्रोलैक्टोन का ध्यान देने योग्य जैवअवक्रमण हो जाता है, जिसके फलस्वरूप उसका भार 48% कम हो जाता है और साल भर में वजन की कमी 95% होती है।
जैवअवक्रमणीय प्लास्टिकों को रक्तनलिका और आर्थोपीडिक शल्यचिकित्सा में सर्जिकल इम्प्लांटों के रूप में, शरीर में औषधियों के नियंत्रित दीर्घकालिक निस्तार के लिये रोपणयोग्य मैट्रिसों के रूप में, अवशोषणशील सर्जिकल टांकों के रूप में और आंखों में प्रयोग के लिये विकसित किया गया है। हाल ही में जैववस्तु नाम को जैव-तंत्र से अंतर्क्रिया करने के उद्देश्य से मेडिकल उपकरण प्रयोगों में प्रयुक्त विना जीवन वाली वस्तु के रूप में परिभाषित किया गया। जैवअनुकूलता को भी परिभाषित करना जरूरी है जिसका काम यह देखना है कि ऊतक विदेशी वस्तुओं के प्रति कैसै पर्तिक्रिया करता है। जैवअनुकूलता किसी वस्तु की विशिष्ट प्रयोग के प्रति उसकी उचित प्रतिक्रिया के साथ काम करने की क्षमता है। जैववस्तुओं को सामान्यतः निम्न उद्देश्यों के काम में लाया जाता है:
(अ) रोगग्रस्त या अकार्यशील ऊतकों के स्थान पर प्रयोग जैसे, जोड़ों के विस्थापन, हृदय के कृत्रिम कपाट और धमनियां, दांत का पुनर्निर्माण और अंतर्अक्षीय लैंस.
(ख) ऊतकों की मरम्मत में सहायता, जिनमें टांके, अस्थि-भंग प्लेटें, स्नायुओं की मरम्मत के उपकरण शामिल हैं।
(ग) मुख्य अवयवों के सभी या कुछ कार्यों को विस्थापित करना जैसे, रक्त-अपोहन (गुर्दों के कार्य के स्थान पर), आक्सीजनीकरण (फेफड़े), बांए आलिंद या संपूर्ण हृदय की सहायता (हृदय), द्रवनिवेशन, (यकृत) और इंसुलिन प्रतिपादन (अग्न्याशय).
(घ) शरीर में औषधियों का प्रतिपादन, विशेष स्थानों को या लगातार पर्तिपादन दरें (इंसुलिन, पाइलोकार्पिन, गर्भनिरोधक).
पॉलिमरिक पदार्थों के औषधि प्रतिपादन उपकरणों की तरह प्रयोग का एक नया आयाम है, तंत्र में जैवअवक्रमणता को शामिल करना. कई संश्लेषित और प्राकृतिक पदार्थों सहित अनेक अवक्रमण-योग्य पॉलिमर इसके लिये उपयोगी हो सकते हैं। चिकित्साशास्त्र में जानबूझ कर अवक्रमित किये जाने वाले पॉलिमरों के प्रयोग से औषधि प्रतिपादन तंत्रों में नई पद्धतियों को प्रमुखता मिली है। औषधि प्रतिपादन के पारम्परिक तरीकों, जैसे गोलियों या इंजेक्शन की सीमाएं अच्छी तरह से ज्ञात हैं। एक खुराक के लगाने से उसके प्लाज्मा स्तर बढ़ जाते हैं, लेकिन ये दवा के चयापचय के साथ ही तेजी से कम हो जाते हैं और जल्दी ही उपचार के लिये आवश्यक स्तरों से नीचे चले जाते हैं। अगली खुराक फिर प्लाज्मा-स्तरों को बढ़ाती है और एक चक्रनुमा ढांचा बन जाता है, जिससे अधिकांश औषधि प्लाज्मा स्तर संभवतः अपेक्षित दायरे के बाहर रहते हैं। इसके अलावा, औषधि सामान्यतः सारे शरीर में प्रवेश कर जाती है और उस जगह पर नहीं पहुंचती जहां उसकी जरूरत होती है।
इन समस्याओं के अनेक संभावित हलों में से एक नियंत्रित औषधि प्रतिपादन तंत्र हैं, जिनसे औषधि एक स्थिर, पूर्वनिश्चित दर पर मुक्त होती है और संभवतः लक्ष्यित स्थान की ओर जाती है। एक प्रमुख तरीके में औषधि एक पॉलिमर झिल्ली में रखी होती है या पॉलिमर मैट्रिक्स में कैप्सूलीकृत की हुई होती है, जिससे आरोपण के बाद औषधि ऊतकों में फैल जाती है। कुछ मामलों में पॉलिमर का क्षय या विघटन से प्रतिपादन मे सहायता मिलती है। अवक्रमणयोग्य पॉलिमर जैसे पॉलि (लैक्टिक एसिड) और पॉलि (आर्थो एस्टर), औषधि प्रतिपादन तंत्रों में प्रयोग किये जाते हैं।
कुछ घुलनशील पॉलिमरों को औषधियों के वाहकों के रूप में प्रयोग किया जा सकता है। कुछ पॉलिमरों से सह-समूहों के जरिये संलग्न किये गई औषधियों को बैकबोन से संलग्न करने वाले बांडों के फटने के द्वारा प्रतिपादित किया जा सकता है। इसमें लक्ष्यीकरण ऐसे बांडों का प्रयोग करके किया जाता है जो केवल खुछ विशेष स्थितियों में ही टूटते हैं, उदा.यकृत एजाइमों द्वारा, जो औषधि को विशिष्ट स्थान पर ही प्रतिपादित होने देते हैं।
प्लास्टीकृत, जैवअवक्रमणीय पॉलिमरिक पदार्थ जो औषधि प्रतिपादन तंत्र के लिये उपयुक्त हो, को बनाने का यत्न किया गया। एक पॉलि (-लैक्टिक एसिड) आलिगोमर का 1,2-प्रोपाइलिन ग्लायकॉल और ग्लिसराल के साथ प्लास्टीकरण किया गया। दूसरे प्लास्टिसाइजर ने खराब अनुकूलता प्रदर्शित की जबकि 1,2-प्रोपाइलिन ग्लायकाल उच्च साद्रताओं तक पॉलिमर के साथ अनुकूल था। तैयार किये गए मिश्रण से तैयार करने के तापमान काफी कम देखे गए और प्रतिपादन की प्रारंभिक अवस्थाओं में सैलिसिलिक एसिड के प्रतिपादन में वृद्धि हुई. इससे ऐसा लगा कि ऐसे तंत्र बनाए जा सकते हैं जिन्हें सरलता और सुरक्षित रूप से तैयार किया जा सकता है और शरीर की गुहा में प्रतिपादन के बाद शल्यक्रिया से वापस निकालने की जरूरत के बिना इंजेक्ट किया जा सकता है। औषधि प्रतिपादन की भिन्न दरें ऐसे मामलों में रूचिकर हो सकती हैं जहां इलाज के प्रारंभ में औषधि की बढ़ी हुई मात्रा की जरूरत होती है।
ऊतकों की ऐसी चोट जिससे रचनात्मक अखंडता भंग होती हो, जैसे नरम ऊतक में गहरा जख्म या ङड्डी का टूटना बिना मदद के स्वतः ठीक हो सकते या नहीं ठीक भी हो सकते हैं। ऊतक को जख्मी या टूटे हुए हिस्से को आपस में जोड़े रखने के लिये किसी पदार्थ या उपकरण को उसमें लगाकर ठीक होने की प्रक्रिया को सुगम किया जा सकता है। गहरे और सतही दोनों तरह के जख्मों को टाकों के प्रयोग से जोड़े रखना इसका एक अच्छा उदाहरण है। जख्म के सूख जाने के बाद टांका उपयोगहीन हो जाता है और ठीक हो रहे ऊतकों पर अनावश्यक रूकावट डाल सकता है। इसलिये उस पदार्थ को वहां से, भौतिक रूप से या अवक्रमम द्वारा निकाल देना समुचित होता है।
1960 के दशक में संश्लेषित अवशोषणयोग्य टांकों का विकास किया गया और ऊतकों में उनकी अच्छी जैवअवक्रमणशीलता के कारण वे अब ट्रैकियोब्रांकियल शल्यक्रिया और सामान्य शल्यक्रिया में भी बड़े पैमाने पर प्रयोग में लाए जाते हैं। ये एकाधिक धागों वाले टांके होते हैं, जिनकी अच्छी उपयोगिता होती है। पॉलिग्लायकोलाइड (पीजीए (PGA)), पॉलि-तैक्टाइड (पीएलए (PLA)) और उनके सहपॉलिमर तथा पॉलिग्लैक्टिन बहुत लोकप्रिय हैं और अब व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं। लेकिन लगातार टांकों के लिये गैर-चिकने सतह वाले गुंथे हुए टांके उपयोगी नहीं हैं। मोनोफिलामेंट टाके चिकनी सतहयुक्त होते हैं और निर्बाध टांके लगाने के लिये पर्याप्त होते हैं। मोनोपिलामेंट टाकों में पीजीए (PGA) या पीएलए (PLA) बहुत कड़क और अलचनशील होते हैं। अधिक लचनशीलता वाले पॉलिडाइआक्सानोन और पॉलिग्लायकोनेट टाकों कीतरह प्रयोग किये जा सकते हैं क्यौंकि वे कम मुड़नशील होते हैं। इसके अलावा, -लैक्टाइड और कैप्रोलैक्टोन-पॉलि (सीएल-एलए)(CL-LA) के सहपॉलिमर जैवअवशोषकनीय लचीले पदार्थ होते हैं और उनके चिकित्सकीय प्रयोगों पर अध्ययन जारी है।
हालांकि अस्थिभंग के इलाज में हड्डी के निर्बाधित निरोगी होने के लिये धातु द्वारा स्थिरीकरण एक महत्वपूर्ण विधि है, हड्डी की कोर्टेक्स और स्टील के यांत्रिक गुणों में बहुत भिन्नता होती है। हड्डी का लचीलापन कांस्टैंट रोपित स्टील का केवल 1/10 ही होता है जबकि तनावी शक्ति 10 गुना कम होती है। इसलिये, धातु के इम्प्लांट को निकाल देने पर हड्डी कमजोर हो सकती है जिससे उसके पुनः भंग होने का खतरा बढ़ सकता है। जैवअवक्रमण योग्य इम्प्लांट हड्डियों के निरोगीकरण की गतिशील प्रक्रियाओं पर खरे उतर सकते हैं, जिससे उस पदार्थ का भार-वहन कम हो जाता है। कुछ महीनों बाद सारा पदार्थ गायब हो जाता है और पिर से शल्य चिकित्सा की आवश्यकता नहीं होती. इस क्षेत्र में पीजीए (PGA), पीएलए (PLA), पॉलिडाइआक्सानोन और पीएचडी (PHD) की संभावित भूमिका है। चिकित्सकीय प्रयोग के लिये, पॉलिडाइआक्सानोन का प्रयोग स्नायु के प्रवर्धन, स्नायु पर टाका लगाने, एक तरह के आंतरिक स्प्लिंटिंग टांके के रूप में और आपरेशन के बाद हाथों या पैरों को शीघ्र चलायमान करने के लिये एक तरह की आंतरिक स्प्लिंटिंग के रूप में करने की सिफारिश की गई।
जैवअवकरणयोग्य पॉलिमर कई अन्य प्रयोगों के लिये उपयोगी हैं। मज्जा स्पेसर आटोलागस अस्थि पदार्थ को बचाने में मदद कर सकता है। एंडोप्रास्थेटिक जोड़ विस्थापन में अस्थि मज्जा को बंद करने के लिये एक प्लग का प्रयोग किया जाता है। बिना यांत्रिक भारों वाले बड़ी हड्डियों के अवकारों को भरने के लिये तंतुओं का प्रयोग किया जाता है।
छोटे व्यास के नलिका प्रास्थेसिस बनाने के लिये कई अध्ययन किये जा रहे हैं। एक समूह ने मैट्रिक्स युक्त ऐसी छोटे व्यास की प्रास्थेसिस बनाई है जो बढ़ती हुई एनास्टोमेटिक नियोइंटीमा में अवशोषित हो सकती है। यह बताया गया है कि पर्याप्त रूप से क्रासलिंक किया हुआ जिलेटिन-हेपेरिन काम्प्लेक्स एक साथ कामचलाऊ एंटीथ्राम्बोजनिक सतह और एनास्टोमेटिक नियोइंटीमा के लिये बढ़िया उपसंरचना का काम कर सकता है।
शल्य चिकित्सा के बाद ऊतकों के आपस में चिपकने से कभी-कभी गंभीर समस्याएं उत्पन्न हो जाती हैं। ऊतकों को चिपकने से रोकने वाले पदार्थ लचीले होने चाहिये और इतने मजबूत होने चाहिये कि वे जख्मी नर्म ऊतकों पर सख्त आवरण बना सकें और जख्मी ऊतक के पूरी तरह बन जाने के बाद जैवअवकरणयोग्य और पुनःअवशोषी होने चाहिये. एक ग्रुप ने नए डिजाइन किये हुए ऊतक चिपकन रोकथाम पदार्त के लिये फोटो क्यूरेबल म्यूकोपॉलिसैक्राइडों का विकास किया है जो जख्म के ठीक होने की दर और अविषाक्तता के अनुसार कई मापदंडों जैसे, न चिपकने वाले सतह गुणों, जैव अनुकूलता, जैवअवक्रमणीयता पर खरे उतरते हैं।
म्यूकोपॉलिसैक्राइडों को (हयालूरोनिक एसिड और कांड्राइटिन सल्फेट) प्रकाशप्रतिक्रियाशील ग्रुपों जैसे सिन्नामेट या थाइमीन द्वारा आंशिक रूप से क्रियाशील किये जाने के बाद, यूवी किरणों से विकिरणित किया गया और प्रकाशप्रतिक्रियाशील ग्रुपों के अंतर्आण्विक फोटोडाइमरीकरण के जरिये जल-घुलनशील जेल प्राप्त किये गए। पानी मेंअधिक फूलने वाली और लचीली, विस्थापन की कम डिग्री वाली फोटोक्यूर की हुई फिल्में ऊतकों की चिपकन रोकती हैं और अधिक जैवअवक्रमणशीलता का प्रदर्शन करती हैं। ऐसा समझा जाता है कि ये नई म्यूकोपॉलिसैक्राइड जेलें जख्मी ऊतक की मरम्मत में जैवसक्रिय रूप से मदद कर सकती हैं।
जली हुई त्वचा के उपचार के लिये जैवअवक्रमणशील पॉलिमर पदार्थों से बनी त्वचा विस्थापक या जख्म पर लगाने की ड्रेसिंगों का विकास किया गया है। अभी तक वाणिज्यिक रूप से विकसित कृत्रिम त्वचाओं के लिये जैवअवक्रमणशील पॉलिमरों जैसे कोलाजन, काइटिन और पॉलिल्यूसीन जैसे एंजाइमों द्वारा अवक्रमणीय पॉलिमरों का प्रयोग किया गया है।
एक ग्रुप ने कत्रिम त्वचा के लिये फिब्रिलार कोलाजन (एफ-कोलाजन) और जिलेटिन के संयोग से स्पंज के रूप में एक नए प्रकार के जैवपदार्थ का विकास किया है। स्पंज को क्रासलिंकों की सहायता से भौतिक और चयापचयी रूप से स्थिर किया गया। हालांकि कोलाजन पर आधारित अनेक प्रकार की कत्रिम त्वचाओं का विकास किया गया है, उनमें मूल कोलाजन के कुछ अवांछित गुण देखे गए हैं, जैसे फाइब्रोब्लास्टों में छड़ो जैसे आकारों का बनना और फाइब्रोब्लास्टों में कोलाजनेज़ जीनों की अभिव्यक्ति. एफ-कोलाजन के जिलेटिन से संयोग से इन समस्याओं से छुटकारा मिला है।
अन्य लोगों ने औषधि प्रतिपादन की क्षमता वाली एक जैवशंश्लेषित घाव ड्रेसिंग का विकास किया है। यह दवायुक्त ड्रेसिंग काइटोसान-डेरिवेटाइज्ड कोलाजन की एक स्पंजी मिश्रण शीट से बनी होती है, जिस पर एक जेंटामाइसिन सल्फेट से सनी पॉलियूरीथेन की झिल्ली की पर्त लगी होती है। शरीर के बाहर की गई जांच में यह दिखलाया गया कि यह ड्रेसिंग बैक्टीरिया की वृद्धि को रोकती है और कोशिकीय क्षति को कम करती है। इस ड्रेसिंग की परीक्षा सतही द्वितीय श्रेणी के जलने, गहरे द्वितीय श्रेणी के जले हुए, दत्तक स्थलों और दबाव से होने वाले छालों वाले 80 क्लिनिकल मामलों में की गई और बढ़िया परिणाम प्राप्त किये गए।
हाइब्रिड कृत्रिम त्वचाओं का विकास जैवचिकित्सकीय इंजीनियरिंग का एक और महत्वपूर्ण लक्ष्य है। इसमें संश्लेषित पॉलिमरों और कोशिका कल्चरों के संयोग से एक संश्लेषित-जैव योगक का निर्माण किया जाता है। इस मामले में शरीर के भीतर कोशिकाओं और ऊतक कल्चरों को उगाने के लिये टेम्प्लेट के रूप में एक जैवअवक्रमणशील पॉलिमर की जरूरत पड़ सकती है।
1930 व 1940 के दशकों में ग्रीनहाउस आवरण, धुआंकरण और खाद बनाने के लिये प्लास्टिक फिल्मों के प्रयोग के बाद से पॉलिमरों के कृषि-संबंधी उपयोगों में भारी वृद्धि हुई है। पॉलिमरों के सभी मुख्य वर्ग अर्थात् प्लास्टिक, कोटिंगें, इलास्टोमर, फाइबर और जल-घुलनशील पलिमर आजकल कीटनाशकों और पोषकों के नियंत्रित विमोचन, मिट्टी की कंडीनशिंग, बीजों की कोटिंग, जेल प्लांटिंग और पौधों की रक्षा के काम में प्रयोग किया जाता है। अवक्रमणयोग्य प्लास्टिक कृषि संबंधी मल्चों और कृषि रोपण पात्रों के रूप में काम आते हैं। चरम जैवअवक्रमणशीलता, जैसे सम्मिश्रण की प्रक्रिया में भी कुछ रूचि जाहिर की गई है, क्यौंकि इससे अवक्रमणयोग्य प्लास्टिकों को अन्य जैवअवक्रमणीय वस्तुओं के साथ संयुक्त करके मिट्टी को बेहतर बनाने वाली उपयोगी वस्तुओं में बदला जा सकेगा.
मल्चें (आवरण) किसानों को प्लास्टिक फिल्मों के प्रयोग के द्वारा खेतों में पौधों के विकास में और फिर प्रकाशअवक्रमण में मदद करती हैं जिससे उन्हें वहां से हटाने की लागत में बचत होती है। प्लास्टिक फिल्में इसलिये उपयोगी हैं क्यौंकि वे नमी का संरक्षण करती हैं, घास कम करती है और जमीन के तापमानों को बढ़ाती हैं। उदा.काली पॉलिथिलीन मल्च के प्रयोग से एक 6 हेक्टेयर खरबूजे के फार्म में उपज में दो से तीन गुना वृद्धि हुई और फसल दो सप्ताह पहले पक गई। मल्च के प्रयोग से जंगली घास से मुक्ति और मिट्टी की सघनता से बचाव खेत को जोतने की जरूरत नहीं होती है जिससे जड़ों को होने वाली हानि और पौधों के न बढ़ने या नष्ट हो जाने से बचाव होता है। खाद और पानी की आवश्यता में भी कमी आती है।
शोधकों ने पाया है कि स्टार्च-पॉलिविनाइल अल्कोहल फिल्म पर जल-प्रतिरोधक पॉलिमर की महीन पर्त चढ़ाकर एक अवक्रमणसील कृषि संबंधी आवरण फिल्म बनाई जा सकती है। स्टार्च पर आधारित पॉलिथिलीन फिल्में बनाई गईं जिनमें 40% तक स्टार्च, यूरिया, अमोनिया और कम-घनत्व के पॉलिथिलीन (एलडीपीई (LDPE)) और पॉलि (इथिलीन-को-एक्रिलिक एसिड) (ईएए (EAA)) की विविध मात्राएं होती हैं। ईएए अनुकूलक की तरह काम करता है, जो अमोनिया की उपस्थिति में स्टार्च और पीई के बीच एक यौगिक बनाता है। इससे प्राप्त मिश्रण से फिल्में बनाई जा सकती हैं जिनमें एलडीपीई के समान भौतिक गुण होते हैं।
एक प्रयोग में प्रयोज्य पॉलिविनाइल क्लोराइड (पीवीसी (PVC)) प्लास्टिकों में स्टार्य की बड़ी मात्राओं को भरने के लिये तीन तकनीकों का इस्तेमाल किया गया। पहली तकनीक में, स्टार्च को जलीय सोडियम हाइड्राक्साइड में मिश्रित करके फिर उसमें थोड़ी सी मात्रा में कार्बन डाईसल्फाइड (सामान्यतः 0.1 मॉल CO2 प्रति मॉल स्टार्च) डालकर एक स्टार्च जैंथेट घोल बनाया गया। इस स्टार्च जैंथेट घोल में एक पीवीसी लेटेक्स मिलाया गया। स्टार्च-जैंथेट और पीवीसी रेजिनों को फिर सोडियम NaNO2 और फिटकरी डालकर सह-अवक्षेपित किया गया। इससे प्राप्त महीन चूर्ण को डािआक्टाइल थैलेट (डीओपी) में मिक्षित किया गया। दूसरी तकनीक में (एक सांद्रता विधि), स्टार्य को पीवीसी लेटेक्स में मिलाने के पहले पानी में गर्म करके जिलेटिनीकृत किया गया। पानी को निकालने के बाद, सूखे उत्पाद को डीओपी (DOP) में मिलाया गया। तीसरी विधि में स्टार्च को पीवीसी और डीओपी (DOP) में शुष्क-मिश्रित किया गया। ये फिल्में विविध कृषि-प्रयोगों में उपयोगी प्रतीत होती हैं।
इसके अतिरिक्त, पारदर्शी पलिथिलीन काली या धूसर फिल्मों की अपेक्षा ऊष्मा को बंद करने में अधिक प्रभावसाली होती है। साफ फिल्मों में मिट्टी के तापमान काली फिल्मों के 1.7-2.7 डिग्री सें. की तुलना में 5.5 डिग्री सें.तक बढ़ सकते हैं। मिट्टी के ठंडे होने के साथ, रात के समय विकिरण से होने वाला ऊष्मा का ह्रास पलिमर फिल्मों द्वारा कम किया जा सकता है। कुछ मामलों में, पॉलिथिलीन मल्चों के सूरज की गर्मी से गर्म होने के कारण जंगली घास का नियंत्रण देखा गया है।
लेकिन पारम्परिक फिल्मों को ऐसे ही छोड़ देने पर फसल काटने के समय या अगले वर्ष खेत जोतने के समय समस्याएं उत्पन्न हो सकती हैं। इनका निकास और निपटारा महंगा और असुविधाजनक होता है। इसलिये कम सेवा जीवनकाल वाली जैवअवक्रमणशील या प्रकाशअवक्रमणशील फिल्मों के विकास में रूचि बढ़ी है। हालांकि नियंत्रित अवक्रमण के लिये कई प्रकार के पॉलिमर बनाए गए हैं, उनमें से कुछ का ही वाणिज्यीकरण किया जा सका है। इसके लिये प्रयुक्त प्लास्टिकों में सामान्यतः ऐसे प्रकाश-संवेदकारक योग-पदार्थ होते हैं जो वस्तुओं के प्रकाशअवक्रमण में मदद करते हैं।
मल्च फिल्मों में प्रयुक्त प्लास्टिक साधारणतः कम घनत्व वाले पॉलिथिलीन, पॉलि (विनाइल क्लोराइड), पॉलिबुटिलीन या इथाइलीन के विनाइल असीटेट के साथ सहपॉलिमर होते हैं। एक खास तौर पर दिलचस्प प्रकाशअवक्रमणीय तंत्र है, फेरिक और निक्कल डाईबुटाइलडाईथायोकार्बमेटों का मिश्रण है, जिसके अनुपात को विशिष्ट वृद्धि कालों के लिये सुरक्षा प्रदान करने के लिये अनुकूलित किया जाता है। अवक्रमण को इस तरह से निश्चित किया जाता है कि उगाने के मौसम पूरे होने के बाद प्लास्टिक का प्रकाशअवक्रमण होने लगता है। इस तरह के उपयोग के लिये विकसित एक और विधि में प्रतिस्थापित बेंजोफिनोन और टाइटेनियम या ज़िर्कोनियम कीलेटों के मिश्रण का प्रयोग किया जाता है। प्रकाशअवक्रमणशील पॉलि (1-बुटीन) मुख्य व्यावसायिक मल्च है।
यूएसडीए प्रयोगशालाओं में पॉलि (विनाइल अल्कोहल) पॉलि (इथाइलीन-को-एक्रिलिक एसिड) और पॉलि (विनाइल क्लोराइड) के साथ स्टार्च पर आधारित जैवअवक्रमणशील फिल्में विकसित की गई हैं। पॉलिलैक्टोन और पॉलि (विनाइल अल्कोहल) फिल्में मिट्टी के सूक्ष्मजीवाणुओं द्वारा आसानी से अवक्रमित हो जाती हैं जबकि लोहे या कैल्शियम को मिलाने पर पॉलिथिलीन के विघटन में तेजी हुई. अवक्रमणीय मल्च छोटे भंगुर टुकड़ों में विघटित होने चाहिये जो फसल काटने की मशीनों में से आसानी से निकल सकें और बाद में बोई जाने वाली फसल में विघ्न न डालें.
असरकारी धुंआकारक मल्चो के लिये कम छिद्रतायुक्त फिल्मों की आवश्यकती होती है जो उड़नशील रसायनों जैसे गोलकृमिनाशकों, कीटनाशकों और झाड़ीनाशकों आदि के बाह्यगमन को कम करती हैं और उनकी प्रयोग दर को कम करती हैं।
नियंत्रित निस्तार (सीआर (CR)) एक विधि है जिसके द्वारा जैव रूप से सक्रिय रसायनों को लक्ष्यित जाति पर एक विशिष्ट दर से पूर्वनिश्चित समय के लिये उपलब्ध किया जाता है। पॉलिमर मुख्यतः रसायनिक भाग के प्रतिपादन की दर, चलायमानता और असर को समय को नियंत्रित करने का काम करता है। सीआर फार्मूलों का मुख्य लाभ यह है कि किसी निश्चित समयकाल में कम रसायनों का प्रयोग होता है, जिससे अलक्ष्यित जातियों पर कम प्रभाव पड़ता है और लीचिंग, वोलाटाइजेशन और अवक्रमण सीमित होता है। पॉलिमरों की महा्आण्विक प्रकृति इन प्रक्रियाओं द्वारा रसायनिक हानियों को सीमित करने की कुंजी है।
सीआर पॉलिमरी तंत्रों को दो मुख्य वर्गों में विभाजित किया जा सकता है। पहले में सक्रिय कारक को पॉलिमरी मैट्रिक्स या कोटिंग द्वारा घोला, बिखराया या कैप्सूल में बंद किया जाता है। निस्तारण सामान्यतः परासरण प्रक्रियाओं द्वारा या मैट्रिक्स के जैव या रसायनिक विघटन से होता है। दूसरे वर्ग में पॉलिमर का सक्रिय कारक महाआण्विक पृष्ठास्थि या लटकती हुई एक ओर की चेन के एक भाग के रूप में होता है। निस्तारण जैवसक्रिय कारकों और पॉलिमर के बीच के बांड के जैविक या रसायनिक विघटन के परिणामस्वरूप होता है।
कृषि से संबंधित रसायनों वाले भौतिक तंत्रों में सूक्ष्मकैप्सूल, भौतिक मिश्रण, प्लास्टिकों में फैलाव, लैमिनेट, खोखले फाइबर और झिल्लियां शामिल हैं। हर तरह के उपकरण के निस्तारण के लिये गतिक माडलों का विकास किया गया है।
स्टार्च, सेलूलोज, काइटिन, आल्जिनिक एसिड और लिग्निन सीआर तंत्रों में प्रयुक्त प्राकृतिक पॉलिमर हैं। इनका यह लाभ है कि ये बहुलता से उपलब्ध, अपेक्षाकृत सस्ते और जैव अवक्रमणशील हैं। हालांकि उनमें डेरिवेटाइजीकरण की क्षमता होती है, उनकी एक असुविधा उनका कैप्सूलीकरण, विस्तारण और फार्मूलीकरण के लिये उपयुक्त घोलकों में अघुलनशील होना है। घोलक की इस समस्या से निपटने के लिये कुछ विधियां विकसित की गई हैं, जैसे स्थानिक कैप्सूलीकरण, जिसमें चुने हुए कीटनाशक युक्त जिलेटिनीकृत स्टार्च को कैल्शियम क्लोराइड या बोरिक एसिड मिलाकर क्रास-लिंक कर दिया जाता है, या, जैन्थेशन के बाद आक्सीकरण करके. इसके फलस्वरूप, कीटनाशक दानेदार कणों में बंद हो जाता है।
कृषि के क्षेत्र में सीआर तकनीक का सबसे बड़ा उपयोग खादों में होता है। उदा.नाइट्रोजन का एक महत्वपूर्ण स्रोत, यूरिया फार्माल्डीहाइड से सरलता से प्रतिक्रिया करके पॉलिमर बनाता है। इस पॉलिमर के जलविघटन से यूरिया प्राप्त होता है। इसलिये सीआर के लिये यह एक सरल और सस्ती विधि है।
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