Dünya plastik atıkların çevre üzerindeki olumsuz etkileri konusunda giderek daha fazla endişe duyarken, biyoplastikler geleneksel petrokimya bazlı plastiklere umut verici bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Biyoplastikler yenilenebilir kaynaklardan üretilir ve biyolojik olarak parçalanabilir, bu da onları daha sürdürülebilir bir seçenek haline getirir. Bununla birlikte, tüm biyoplastikler eşit yaratılmamıştır ve farklı biyoplastik türlerini üretmek için çeşitli yöntemler vardır. Bu makalede, farklı biyoplastik türlerini ve bunları üretmek için kullanılan yöntemleri inceleyeceğiz.
Biyoplastik mi? Nedir bu?
Biyoplastikler, yenilenemeyen fosil yakıtlardan üretilen geleneksel plastiklere bir alternatiftir. Petrolden üretilen geleneksel plastiklerin aksine biyoplastikler bitkisel katı ve sıvı yağlar, mısır nişastası, saman, odun talaşı, talaş, geri kazanılmış gıda atıkları ve diğer benzer malzemeler gibi yenilenebilir biyokütle kaynaklarından üretilmektedir. Birçok biyoplastik çeşidi daha çevre dostudur ancak esneklik ve dayanıklılık gibi geleneksel plastiklerle aynı avantajlara sahiptir.
1- Nişasta bazlı biyoplastikler
Nişasta bazlı biyoplastikler mısır, patates ve manyok nişastası gibi yenilenebilir kaynaklardan yapılır. Nişasta ve plastikleştiricinin bir kombinasyonu kullanılarak üretilir. Nişasta bazlı biyoplastiklerin üretiminde yer alan genel adımlar şunlardır:
- Hammadde seçimi: Nişasta bazlı biyoplastiklerin üretiminde kullanılan hammaddeler tipik olarak mısır, patates ve manyok nişastası gibi yenilenebilir kaynaklardır.
- Nişasta ekstraksiyonu: Üretim sürecindeki ilk adım, seçilen hammaddeden nişastanın çıkarılmasını içerir. Bu işlem tipik olarak nişasta granüllerinin yıkanması ve hammaddenin diğer bileşenlerinden ayrılmasıyla gerçekleştirilir.
- Plastikleştirici ilavesi: Nişasta ekstrakte edildikten sonra gliserol veya sorbitol gibi bir plastikleştirici ile karıştırılır. Plastikleştirici, biyoplastiğin esnekliğini ve mukavemetini artırmaya yardımcı olur.
- Ekstrüzyon: Nişasta ve plastikleştirici karışımı daha sonra ısıtılır ve istenen şekli oluşturmak için bir kalıptan ekstrüde edilir. Biyoplastiğin özelliklerini iyileştirmek için karışıma su, pigmentler ve dolgu maddeleri gibi diğer katkı maddeleri de eklenebilir.
- Şekillendirme ve biçimlendirme: Ekstrüde edilen biyoplastik daha sonra çatal bıçak takımı, torbalar ve ambalaj malzemeleri gibi çeşitli ürünlere dönüştürülür ve şekillendirilir.
- Son işlem: Son adım, fazla malzemeyi keserek ve yüzeyi parlatarak biyoplastik ürünü bitirmeyi içerir.
Nişasta bazlı biyoplastikler, yenilenebilir kaynaklardan üretildikleri ve biyolojik olarak parçalanabilir ve gübreleşebilir oldukları için geleneksel plastiklere sürdürülebilir ve çevre dostu bir alternatif sunmaktadır.
Uygulamalardan bazıları şunlardır:
- Ambalaj malzemeleri (örn. torbalar, kaplar, ambalaj filmleri)- Yemek servisi malzemeleri (örn. çatal bıçak takımı, tabaklar, bardaklar)
- Tarım uygulamaları (örn. malç filmleri, fidanlık saksıları)
- Tekstil (örn. giyim, aksesuar)
- Tıbbi cihazlar (örn. şırıngalar, cerrahi eldivenler, hortumlar)
2- Selüloz bazlı biyoplastikler
Selüloz bazlı biyoplastikler, bitki hücre duvarlarında bulunan ve doğal olarak oluşan bir polimer olan selülozdan yapılır. Bu biyoplastikler yenilenebilir ve biyolojik olarak parçalanabilir olup geleneksel plastiklere karşı çevre dostu bir alternatiftir.
Selüloz bazlı biyoplastiklerin üretim süreci aşağıdaki adımları içerir:
- Selüloz ekstraksiyonu: Selülozun odun hamuru veya pamuk gibi bitki kaynaklarından, bitki materyalinin kimyasallar veya mekanik yöntemler kullanılarak parçalandığı hamurlaştırma adı verilen bir işlemle çıkarılması.
- Çözündürme: Selüloz ekstrakte edildikten sonra, iyonik sıvılar veya N-metil morfolin-N-oksit (NMMO) gibi bir çözücü içinde çözülür. Bu işlem, selülozu farklı şekillerde kalıplanabilecek daha küçük moleküllere parçalamak için gereklidir.
- Döküm ve şekillendirme: Çözünmüş selüloz daha sonra tabakalar halinde dökülür veya enjeksiyon kalıplama veya ekstrüzyon gibi teknikler kullanılarak farklı şekillerde kalıplanır.
- Kurutma ve bitirme: Son adım, selüloz bazlı biyoplastiğin kurutulmasını ve istenen yüzey özelliklerini elde etmek için bitirilmesini içerir.
3- Protein bazlı biyoplastikler
Protein bazlı biyoplastikler soya proteini, peynir altı suyu proteini ve zein gibi doğal proteinlerden yapılır. Protein bazlı biyoplastiklerin üretim süreci birkaç adımdan oluşur:
- Ekstraksiyon: İlk adım, proteini bitki veya hayvan kaynaklarından çıkarmaktır. Bu, çökeltme, filtreleme veya santrifüjleme gibi çeşitli yöntemlerle yapılabilir.
- Saflaştırma: Protein ekstrakte edildikten sonra, herhangi bir safsızlığı gidermek ve proteinin en saf formda olmasını sağlamak için saflaştırılır.
- Karıştırma ve kalıplama: Saflaştırılan protein nişasta veya selüloz gibi diğer doğal malzemelerle karıştırılır ve farklı şekil ve formlarda kalıplanır.
- Tamamlama: Son adım, protein bazlı biyoplastiğin kurutulmasını ve istenen yüzey özelliklerini elde etmek için son işlemlerin yapılmasını içerir.
Uygulama alanları:
- Gıda endüstrisi: Hem insanlar hem de hayvanlar için besin sağlayıcı ve gıda ambalajı
- Nakliye lojistiği: Dolgu veya koruma
- Kimyasal bağlayıcılara/yapıştırıcılara alternatif: Ticari fuar yapımında kullanılanlar gibi sunta ve diğer yarı mamullerin yerine kullanılır.
- Tarım: Tarım malç filmleri, bitki bağlayıcıları, asma klipsleri ve azotlu gübre depolamayı içerir.
- Bahçe Bitkileri: Destekler, çiçek saksıları vb.
- Ormancılık: Tanımlama işaretleri, genç ağaçlar için koruyucu kılıflar, vb.
- Tek kullanımlık balıkçılık ekipmanları: midye ağları, sabitleme kelepçeleri vb.
- Rekreasyon: Havai fişekler, av fişekleri için dolum, vb.
4- Biyolojik türevli polietilen
Genellikle yenilenebilir polietilen olarak adlandırılan biyo-türevli polietilen, dehidrasyon işlemi ile etilene dönüştürülen etanolden üretilen bir polietilen türüdür. Buğday tanesi, şeker pancarı ve kamış gibi çeşitli hammaddeler kullanılarak üretilebilir.
Biyo-türevli polietilen için üretim süreci aşağıdaki adımları içerir:
- Hammadde yetiştiriciliği: Şeker kamışı veya mısır yenilenebilir bir biyokütle kaynağı olarak yetiştirilir. Şeker kamışı, etanole dönüştürülebilen yüksek düzeyde sakaroz içerdiğinden biyo-türevli polietilen için yaygın bir hammaddedir.
- Fermantasyon: Etanol üretmek için biyokütle fermente edilir. Şeker kamışı veya mısır ezilir ve bir meyve suyu oluşturmak için su ile karıştırılır, daha sonra şurup üretmek için ısıtılır. Şurup daha sonra sükrozu etanole dönüştüren maya kullanılarak fermente edilir.
- Dehidrasyon: Saflaştırılmış etanol, etilen üretmek için dehidre edilir. Etanol safsızlıkları gidermek için saflaştırılır ve ardından etilen üretmek için bir katalizör kullanılarak dehidre edilir.
- Polimerizasyon: Etilen daha sonra polietilen oluşturmak üzere polimerize edilir. Etilen, etilen moleküllerini bir polimer oluşturmak üzere birbirine bağlayan bir katalizör kullanılarak polimerize edilir. Elde edilen polietilen, geleneksel polietilen ile aynı uygulamalarda kullanılabilir.
5- Alifatik polyesterler
Alifatik polyester, tekrar eden ester gruplarından oluşan uzun zincirli bir polimerdir. Bakteriler ve diğer canlılar tarafından parçalanabilir, bu nedenle biyolojik olarak parçalanabilen bir molekül olarak kabul edilir. Alifatik poliesterler bu özelliklerinden dolayı geleneksel poliesterlere göre çok daha çevre dostudur.
Alifatik polimerlerin kullanım alanları şunlardır:
- Doku mühendisliğini kolaylaştırmak, iskeleler oluşturmak
- İlaç dağıtım sistemlerinin montajı
- Tıbbi ekipman oluşturma
- Biyoteknoloji ve tıp alanlarında önemli adımlar atılması
Alifatik polyesterler, aşağıdakiler de dahil olmak üzere doğal olarak oluşan çeşitli maddelerden yapılır:
- Laktid: İki veya daha fazla laktik asit molekülünden yapılan bir siklik ester
- Glikolid: Laktik asit ve glikolik asit, glikolid oluşturmak üzere kopolimerize edilir.
- Kaprolakton: Biyomedikal mühendisliğinde kullanılan bir diğer biyomedikal polimer de kaprolakton’dur.
Alifatik polyesterlerin yapım süreci tipik olarak aşağıdaki adımları içerir:
- Monomer üretimi: Alifatik polyesterleri oluşturmak için kullanılan monomerler tipik olarak yenilenebilir kaynaklardan elde edilir ve ham maddenin kimyasal veya enzimatik işlemlerle parçalanmasıyla üretilir.
- Polimerizasyon: Monomerler daha sonra asit veya enzim gibi bir katalizör kullanılarak polimerize edilir veya birbirine bağlanır.
- Saflaştırma: Elde edilen polimer daha sonra yıkama, çökeltme veya kromatografi gibi yöntemler kullanılarak safsızlıkların veya reaksiyona girmemiş monomerlerin giderilmesi için saflaştırılır.
- İşleme: Saflaştırılmış alifatik polyester daha sonra ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama veya eriyik eğirme yoluyla filmler, elyaflar veya kalıplanmış nesneler gibi çeşitli formlarda işlenebilir.
- İşlem sonrası: Bazı alifatik polyesterler, özelliklerini veya işlevlerini geliştirmek için ek son işlem gerektirebilir (örneğin: ısı ayarı, yüzey modifikasyonu veya diğer malzemelerle karıştırma).
6- Poliamid 11 biyoplastik
PA 11 veya Naylon 11 olarak da bilinen Poliamid 11 biyoplastik, hint yağından elde edilen biyolojik olarak parçalanabilen ve biyo-bazlı bir polimerdir. Serquigny’deki Organico şirketinden üç Fransız bilim adamı tarafından 1947 yılında keşfedilmiştir. Poliamid 11’den yapılan lifler ilk olarak ince tekstiller oluşturmak için kullanılmıştır. Yüksek üretim maliyetleri nedeniyle 1970’lerde yerini naylona bırakmıştır.
PA11 biyoplastik üretimi, yenilenebilir kaynakları kullandığı ve geleneksel petrokimya bazlı plastiklerden daha az sera gazı emisyonu ürettiği için nispeten basit ve çevre dostu bir süreçtir. İşte üretim sürecine kısa bir genel bakış:
- Hint Yağının Çıkarılması: Hint yağı, hint bitkisinin tohumlarından çıkarılır.
- Saflaştırma: Ham hint yağı, nem, serbest yağ asitleri ve diğer kirleticiler gibi safsızlıkların giderilmesi için saflaştırılır.
- Hint Yağının Polimerizasyonu: Saflaştırılmış hint yağı daha sonra naylon-11 oluşturmak için polimerize edilir. Bu, hint yağının bir katalizör ile birleştirilmesini ve yüksek bir sıcaklığa ısıtılmasını içerir.
- Naylon-11’in Peletlenmesi: Naylon-11 daha sonra çeşitli ürünler üretmek için kullanılabilen peletler veya boncuklar halinde ekstrüde edilir.
- Biyoplastik Üretimi: Naylon-11 peletleri eritilir ve enjeksiyon kalıplama veya diğer benzer teknikler kullanılarak istenen şekle ekstrüde edilir.
Poliamid 11 uygulamaları
- Hortumlar:Umbilikal hortumlar, kateterler, yakıt hatları, hidrolik hortumlar, hava hatları ve içecek boruları.
- Elektrik: Kablolar ve teller için kılıfların yanı sıra muhafazalar, bağlantılar ve klipsler.- Kaplamalar:Gürültü azaltma, UV ışınlarına karşı koruma, kimyasal, aşınma ve korozyon direnci için metal kaplamalarda kullanılır.- Tekstiller:Dokuma ve teknik tekstiller, iç çamaşırları, filtreler ve fırça kılları.- Spor ekipmanları:Raket telleri, halkalar, badminton shuttlecocks ve kayak katmanları raket sporlarında kullanılır.
7- Polihidroksi üretan plastikler
Polihidroksi üretan (PHU), üretan ön polimerlerinin gliserol veya sorbitol gibi hidroksil içeren bileşiklerle polimerize edilmesiyle üretilir. PHU plastikleri genellikle bitki bazlı yağlar ve şekerler gibi yenilenebilir kaynaklardan yapılır ve genellikle ambalaj, biyomedikal cihazlar ve tekstil gibi çeşitli uygulamalarda kullanılır.
PHU plastiklerin üretim süreci aşağıdaki adımları içerir:
- Üretan Prepolimerinin Sentezi: Bir izosiyanat bileşiği, bir üretan ön polimeri oluşturmak için bir poliol ile reaksiyona sokulur.
- Hidroksil Grubunun Birleştirilmesi: Üretan ön polimeri daha sonra hidroksil gruplarını ön polimere dahil etmek için gliserol veya sorbitol gibi hidroksil içeren bir bileşikle reaksiyona sokulur.
- Polimerizasyon: Hidroksil grupları eklenmiş ön polimer daha sonra kalay (II) oktanoat veya dibütiltin dilaurat gibi bir katalizör kullanılarak polimerize edilir.
- Polimerizasyon Sonrası: Polimerize PHU, mekanik ve termal özelliklerini geliştirmek için çapraz bağlama veya zincir uzatma gibi polimerizasyon sonrası reaksiyonlarla daha fazla işlenir.
Not: Süreç, diğer biyolojik olarak parçalanabilir polimerlerle karıştırma veya esnekliği artırmak için plastikleştiriciler ekleme gibi ek adımlar içerecek şekilde değiştirilebilir.
Not: Süreç, diğer biyolojik olarak parçalanabilir polimerlerle karıştırma veya esnekliği artırmak için plastikleştiriciler ekleme gibi ek adımlar içerecek şekilde değiştirilebilir.
PHU plastiklerin geleneksel petrokimya bazlı plastiklere göre çeşitli avantajları vardır. Biyolojik olarak parçalanabilirler ve plastik atık birikimini azaltarak çevreye güvenli bir şekilde atılabilirler. Ayrıca yenilenebilir kaynaklardan üretildikleri için fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltırlar.Buna ek olarak, PHU plastikler iyi mekanik ve termal özelliklere sahiptir ve bu da çok çeşitli uygulamalar için uygun olmalarına yardımcı olur.PHU plastikleri hala nispeten yenidir ve ticari uygulamalarda henüz yaygın olarak kullanılmamaktadır.Ancak, bu alanda devam eden araştırma ve geliştirme çalışmaları, geleneksel plastiklere daha çevre dostu alternatifler arandıkça gelecekte PHU plastiklerin kullanımının artmasına yol açacaktır.
8- Genetiği değiştirilmiş biyoplastikler
Genetiği değiştirilmiş biyoplastikler, biyoplastik üretiminde kullanılan belirli enzimleri veya proteinleri üretmek için bakteri veya maya gibi organizmaların genetik olarak değiştirilmesiyle üretilir. Bu modifiye organizmalar, yenilenebilir kaynaklardan biyolojik olarak parçalanabilen plastikler üretmek üzere tasarlanabilir.
- Genlerin tanımlanması ve klonlanması: Doğal olarak üreten organizmalarda istenen biyoplastiğin üretiminden sorumlu genlerin tanımlanması ve klonlanması. Bu genler daha sonra bakteri, maya veya diğer mikroorganizmalar olabilen hedef organizmaya yerleştirilir.
- Organizmanın modifikasyonu: Hedef organizma daha sonra rekombinant DNA teknolojisi, gen düzenleme veya gen sentezi gibi çeşitli teknikler kullanılarak genetik olarak modifiye edilir ve klonlanmış genler eklenir ve istenen biyoplastiği üretmesi sağlanır.
- Fermantasyon: Modifiye edilmiş organizma daha sonra biyoplastik üretimi için gerekli hammaddeleri içeren besin açısından zengin bir ortamda bir biyoreaktör veya fermentörde yetiştirilir. Organizma daha sonra büyüdükçe biyoplastik üretir.
- Hasat ve saflaştırma: Biyoplastik üretildikten sonra, fermantasyon suyundan hasat edilir ve herhangi bir safsızlığı veya kirleticiyi gidermek için filtrasyon, santrifüjleme veya çözücü ekstraksiyonu gibi teknikler kullanılarak saflaştırılır.
- İşleme: Saflaştırılmış biyoplastik daha sonra nihai ürünü üretmek için ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama veya şişirme kalıplama gibi çeşitli teknikler kullanılarak işlenebilir. Genetiği değiştirilmiş biyoplastikler, geleneksel petrokimya bazlı plastiklere göre çeşitli potansiyel avantajlara sahiptir. Biyolojik olarak parçalanabilirler ve plastik atık birikimini azaltarak çevreye güvenli bir şekilde atılabilirler. Ayrıca yenilenebilir kaynaklardan üretildikleri için fosil yakıtlara olan bağımlılığı da azaltırlar. Bununla birlikte, genetiği değiştirilmiş organizmaların ve ürünlerinin potansiyel çevresel etkileri konusunda da endişeler bulunmaktadır. Bazı eleştirmenler, bu organizmaların çevreye kaçabileceğini ve ekosistemleri bozabileceğini veya antibiyotiklere dirençli bakterilerin gelişmesine yol açabileceğini savunmaktadır. Her yeni teknolojide olduğu gibi, genetiği değiştirilmiş biyoplastiklerin geliştirilmesi ve kullanımının da güvenli olduklarından ve olumsuz çevresel veya sağlık etkileri olmadığından emin olmak için dikkatle izlenmesi ve düzenlenmesi gerekecektir.
Biyoplastik üretimi, geleneksel petrokimya bazlı plastiklere umut verici bir alternatif sunmaktadır.Sürdürülebilir malzemelere olan talep artmaya devam ettikçe, biyoplastiklerin geliştirilmesi ve üretimi, plastik atıkların çevre üzerindeki olumsuz etkilerinin azaltılmasında giderek daha önemli bir rol oynayacaktır.
