जीवबहुलक

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।     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।  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.  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।  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