Yapay Fotosentez ve Biyobozunurluk: Sürdürülebilirlik Göz önünde bulundurularak Plastik Tehdidiyle Mücadele

CO2 emisyonu ve biyolojik olarak parçalanamayan plastiklerin Dünya üzerinde bulunması, geri dönüşü olmayan hasarlara neden olan tehlikelerdir. Önemli bir şekilde, ısıyı hapseden bir gaz olan karbondioksit gezegeni ısıtır ve sonunda iklim değişikliğine neden olur. 

Bu ısınma etkisi, insan faaliyetlerinin küresel ısınmayı artırdığını ortaya koyan NASA tahminleriyle de vurgulanıyor. atmosferdeki karbondioksit içeriği %50 oranında 200 yıldan az bir sürede. Strafor, tek kullanımlık plastik poşetler ve plastik su şişeleri gibi malzemelerden elde edilen biyolojik olarak parçalanamayan plastikler, yeraltı sularını ve besin zincirini kirlettiği ve havayı kirlettiği için başka bir ciddi tehdit oluşturan plastikler durumu daha da kötüleştiriyor.

Bu iç içe geçmiş zorlukları ele alan Osaka Metropolitan Üniversitesi'nden araştırmacılar, artık bu iki zorluğun üstesinden tek bir yolla gelen bir atılım tasarladılar. Atıkları biyolojik olarak parçalanabilen plastikler yapmak için yeniden değerlendirirken karbondioksit emisyon seviyelerini azaltacak fumarik asit üretmenin yenilikçi ve etkili bir yolu ile ortaya çıktı. Bu yeniliğin ne anlama geldiğini ve nasıl çalıştığını daha derinlemesine inceleyelim.

Atmosferdeki CO2 ile mücadelede önlemenin mi yoksa tedavinin mi daha iyi olduğunu öğrenmek için burayı tıklayın.

Sürdürülebilir Fumarik Asit Üretimi

Fumarik asit biyolojik olarak parçalanabilen plastiklerin bir bileşenidir. Geleneksel olarak petrol, karbondioksit ve biyokütle türevli bileşiklerden gelir. Artık araştırmacılar, fumarik asidin sürdürülebilir ve verimli bir şekilde üretilebileceği bir çözüm buldular. Aynı nihai hedefe yönelik iki çalışma yapılmıştır. 

İlkinde, Osaka Metropolitan Üniversitesi (OMU) Yapay Fotosentez Araştırma Merkezi'nden Profesör Yutaka Amao liderliğindeki bir araştırma ekibi, bikarbonat ve biyokütle türevi pirüvik asitten fumarik asit sentezlemenin yollarını sergiledi. Süreçte kullanılan enerji yenilenebilir güneş enerjisiydi. 

Bilim insanları, prosese hammadde olarak katkı sağlayan ve doğrudan gaz fazından gelen karbondioksit ile fumarik asit üretme konusunda da başarı elde etti. Ancak deney bir sınırlamayla karşılaştı. Önemli miktarda fumarik asit üretemedi. Üretim düşük kaldı. 

Ancak, sonraki araştırmalarda bilim insanları bu zorluğun üstesinden gelerek yeni bir fotosensitizör geliştirdiler ve fumarik asidin verimini geleneksel yöntemlere kıyasla iki katına çıkarabilen yapay fotosentezde ilerlemeler kaydettiler. 

Bilim insanları, trietanolamin, katyonik suda çözünür çinko porfirin, çinko tetrakis(2-N, N, N-trimetil aminofenil)porfirin, pentametilsiklopentadienilden oluşan sistemle gaz halindeki CO4 ve piruvattan görünür ışıkla yönlendirilen fumarat üretmenin etkili bir yolunu geliştirdiler. koordineli rodyum(III) 2,2'-bipiridil kompleksi, NAD+, malat dehidrojenaz (NAD+'ya bağımlı oksaloasetat-dekarboksilleyici) ve fumaraz.

"İkili biyokatalizörlere sahip katyonik çinko porfirin bazlı fotokatalitik sistem tarafından gaz halindeki CO2 ve piruvattan etkili bir görünür ışıkla yönlendirilen fumarat üretimi" başlıklı araştırma, Osaka Fermantasyon Enstitüsü tarafından desteklendi. 

Genel olarak araştırma, biyolojik olarak parçalanabilen plastiklerin üretiminde karbondioksiti daha verimli bir şekilde kullanabilecek gelişmiş bir yapay fotosentez katalizörü üretmenin mümkün olduğunu ampirik olarak ortaya koydu. 

Ancak daha fazla düşünürsek ve yapay fotosentezin ve bunun biyolojik olarak parçalanabilen plastiklerin sürdürülebilir ve verimli bir şekilde üretilmesine olan katkısının neden bir atılım olarak görüldüğünü değerlendirmeye çalışırsak, plastiklerin bir tehdit olduğunu ve onu sürdürülebilir şekilde üretilmiş biyolojik olarak parçalanabilir hale getirmeye yönelik her türlü çabanın, daha da ileri gitmesi gerektiğini göreceğiz. takdir edilmeli ve teşvik edilmelidir. 

Dünya gezegeninde plastiğe bağlı en ciddi hasarlardan biri mikroplastiklerden kaynaklanmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi mikroplastikleri tanımlar uzunluğu beş milimetreden kısa olan ve sağlığımıza, okyanuslarımıza ve su canlılarımıza zarar veren küçük plastik parçalardır. Bu kategori ayrıca kasıtlı olarak küçük olacak şekilde tasarlanmış plastikleri de içerir. Mikro boncuklar olarak adlandırılan bunlar birçok sağlık ve güzellik ürününde kullanılıyor. Bu mikroplastiklerin birçok zararlı etkisi vardır.

Mikroplastikler vücudumuza giriyor içtiğimiz su, tükettiğimiz yiyecek ve kullandığımız yiyecek kapları dahil olmak üzere farklı yollardan mikroplastiklerin ağızdan alınmasının yollarıdır. Ayrıca mikroplastikleri hava yoluyla soluyoruz ve mikroplastik içeren kişisel bakım ürünlerimiz ve cep telefonu kılıflarımız, bunların kişisel temaslarımıza girmesi için alan yaratıyor.

Bu mikroplastikler insan vücuduna girdikten sonra birçok sağlık sorununa neden olabilir. Oksidatif strese ve DNA hasarına neden oldukları, metabolik bozukluklara yol açtıkları, karaciğer, bağırsak, beyin ve solunum yolları gibi hayati organlarda fonksiyon bozukluklarına neden oldukları biliniyor. Dahası, mikroplastiklerin toksisitesi üreme ve gelişim yeteneklerimize zarar verebilir, bu da bunların insan sağlığı üzerindeki etkisinin ciddiyetini göstermektedir.

Mikroplastik sorunu insan sağlığının ötesine geçiyor çünkü bu parçacıklar aynı zamanda deniz yaşamına da zarar veriyor. Balıklar ve diğer suda yaşayan organizmalar üzerinde toksik etki göstererek büyüme ve gelişmelerini engeller, ölüm oranlarını artırır, iltihaplanmaya neden olur, yüzme hızını azaltır, canlılığı ve vücut uzunluğunu azaltır ve bağırsak yaralanmalarına neden olur. Bu kanıt, çevremizin mikroplastiklerle kirlenmesinin ele alınması ve durdurulması yönündeki acil ihtiyacın altını çiziyor.

Bunun ışığında son zamanlarda su altı dalış araştırmaları Yenilikçi atık toplama çözümlerine acil ihtiyaç duyulduğunu vurguladı. Örneğin, Tahoe Gölü'ndeki Çöl Araştırma Enstitüsü araştırmacıları tarafından yürütülen çığır açıcı bir araştırma, kilometre başına ortalama 83 parça plastik çöpün endişe verici bir şekilde ortaya çıktığını ve göl yatağının tek bir bölümünün bile plastik çöpten arınmış olmadığını gösterdi. Tespit edilen yaygın malzemeler arasında yiyecek kapları, şişeler, plastik poşetler ve oyuncaklar yer alırken, en yaygın altı plastik türü polivinil klorür (PVC), polistiren, polyester/polietilen tereftalat, polietilen, polipropilen ve poliamiddir.

Su altı plastiklerini temizlemek için uygulanabilir alternatifler sunan çeşitli çözüm sağlayıcılar mevcut olsa da, araştırmacılar aynı zamanda 'sürdürülebilirlik metriğiPlastik kirliliğini azaltmak için. Woods Hole Oşinografi Enstitüsü araştırmacıları, çevrede düşük kalıcılığa sahip plastik ürünlerin ekolojik tasarımı için bir sürdürülebilirlik ölçütü geliştirdiler. Araştırmacılar, bu ölçütün çevresel ve toplumsal faydalar sağlayabileceğine inanıyorlardı. 

Çalışma, plastik kirliliği tehlikesiyle mücadele etmenin yenilikçi ve yaratıcı bir yolunu gösterdi. Yaklaşımın aşina olduğumuz sosyal etki muhasebesi uygulamalarına benzer olduğu düşünülebilir. Plastiğin ve onun yerine geçen maddelerin çevresel etkisine ilişkin endeksleri karşılaştırdı; bu, plastiğin çevresel kalıcılığını hesaba katmanın ve bunları verimli bir şekilde değiştirmenin, tek bir tüketici ürünü için yüz milyonlarca dolarlık kazanç anlamına gelebileceğini gösterdi. 

Araştırmanın baş yazarı, malzeme bilimci ve mühendis Bryan James, çalışmanın önemini açıklarken şunları söyledi:

"Önemli olan, içinde yaşayacağımız geleceğin dünyasında yeşil malzeme mühendisliğinin tüm prensiplerini bünyesinde barındıran işlevsel, sürdürülebilir ve zararsız malzemeleri, ürünleri ve süreçleri nasıl tasarlayabileceğimizi belirlemektir."

Genel olarak, biyolojik olarak yeterince parçalanabilen plastikler yapmak ve bunlara uygun alternatifleri belirlemek bilim ve teknoloji camiasını meşgul ediyor. Bu alanda aktif olarak çalışan irili ufaklı birçok işletme bulunmaktadır.  

# 1. Mitsubishi Kimyasal Grubu

Mitsubishi Chemical Group uzun süredir bu alanda aktif bir katılımcıdır. Ekim 2012'de kurulan Japonya Yapay Fotosentetik Kimyasal Proses Teknolojik Araştırma Birliği'nin (ARPChem) bir üyesi olan Mitsubishi Chemical Corporation (MCC), Yeni Enerji ve Endüstriyel Teknoloji Geliştirme Organizasyonu (NEDO) tarafından yürütülen bir Yapay Fotosentez projesine katıldı. O zamandan bu yana Mitsubishi, sürecin daha fazla verimliliğe ve optimizasyonuna ulaşmak için sınırları zorluyor. 

Tartışmamızın açılışını yaptığımız araştırmada sürdürülebilir Fumarik asit üretimiyle ilgiliydi. Ancak Mitsubishi Chemical Group'un çabaları Olefin üretimine yöneliktir. 

Bu süreçte, sentetik bir katalizör, ayrıştırılmış hidrojen ve karbondioksit arasındaki reaksiyonu sağlayarak kritik bir rol oynamaktadır. Mitsubishi'nin uygun bir katalizör geliştirme ve gerekli proses teknolojilerini geliştirme konusundaki yenilikçi çalışmaları, verimi önemli ölçüde artırarak Olefin üretimini daha verimli hale getirmiştir. 

Sonuç olarak Olefin, plastik üretiminde etkin bir şekilde üretilen bir hammadde haline geldi ve Mitsubishi'nin kimya endüstrisinde sürdürülebilir üretim uygulamalarının ilerlemesine olan katkısını ortaya koydu.

NEDO tarafından yürütülen Yeşil İnovasyon Projesi, Mitsubishi'nin yapay fotosentez tabanlı kimyasal hammadde üretimine yönelik ticari geliştirme projesini Şubat 2022'de fonlamaya seçti. 

Gelişimin daha sonraki aşamalarında süreç, ham maddeleri petrolden dönüştürecek ve petrokimya üretim teknolojisi, katalizör geliştirme teknolojisi ve üniversiteler ve araştırma enstitüleriyle işbirliği yaparak geliştirdiği diğer teknolojileri kullanarak karbondioksitten yararlanan plastik üretim teknolojisinin geliştirilmesine yardımcı olacak. 

Mitsubishi Şirketi entegre bir rapor yayınladı 31 Mart 2023'te sona eren mali yıl için. Şirket 159 milyar ABD dolarından fazla gelir elde etti.

# 2. Evonik ve Siemens

Teknik fotosentez olarak adlandırılan süreçte Evonik ve Siemens adlı iki şirket, karbondioksiti özel kimyasallara dönüştürmek için yenilenebilir enerji ve bakteriler kullanıyor. Şirketler bu görevi Rheticus adı verilen ortak bir araştırma projesi kapsamında yürütüyorlar. Araştırmanın ilk aşamasında, hem özel plastikler hem de gıda takviyeleri için hammadde olan bütanol ve heksanol gibi kimyasalların üretimine başlandı. 

Evonik'in stratejik araştırma departmanı Creavis'te projeden sorumlu Dr. Thomas Haas'a göre: 

"Rheticus platformuyla yapay fotosentezin mümkün olduğunu göstermek istiyoruz."

Bu iddiayı gerçeğe dönüştürmek için hem Evonik hem de Siemens temel yetkinlikleri doğrultusunda katkıda bulunuyor. Örneğin Siemens, karbondioksit ve suyun elektrik kullanılarak hidrojen ve karbon monoksite dönüştürülmesinin ilk adımında kullanılacak olan elektroliz teknolojisiyle süreci güçlendiriyor. 

Evonik'in katkıları, karbon monoksit içeren gazların özel mikroorganizmaların kolaylaştırdığı metabolik süreçlerle yararlı ürünlere dönüştürüldüğü fermantasyon sürecini güçlendirmeyi amaçlıyor. 

Plastik ve özel kimya endüstrisine yardımcı olma potansiyelini detaylandıran Dr. Haas şunları söyledi:

“Modüler yapısı ve konum, hammadde kaynakları ve üretilen ürünler açısından esnekliği, yeni platformu özellikle özel kimyasallar endüstrisi için cazip kılıyor. Diğer şirketlerin de platformu kullanacaklarına ve kendi kimyasal ürünlerini üretmek için kendi modülleriyle entegre edeceklerine inanıyoruz.”

Göre mevcut en son yıllık mali tablolarEvonik Group, 18.5'de yaklaşık 2022 milyar Euro'luk satış kaydetti. Bu gelirin her biri, özel katkı maddeleri ile beslenme ve bakımın her biri %23'er katkı sağladı. Akıllı malzemelerden elde edilen gelirler gelirin %26'sını, performans malzemeleri %20'sini, teknoloji ve altyapı ürün ve hizmetlerinden elde edilen gelir ise %8'ini oluşturdu. 

içinde 2023 mali yılıSiemens, 22 mali yılında kaydedilen 19.5 milyar Euro'ya göre önemli bir artışla 2022 milyon Euro'ya yakın yıllık gelir elde etti. 

Plastik ve Sürdürülebilirliğe Doğru Yolculuğumuz

Kolektif çabalar yoluyla, biyolojik olarak parçalanabilen plastikler veya kendileri de biyobazlı malzemeler olan ve yenilenebilir kaynaklardan enerji elde eden biyoplastiklerle dolu bir geleceğe doğru doğru adımları attığımızdan emin olmalıyız. Bu biyoplastikler dayanıklılıkları ve kullanılabilirlikleri açısından geleneksel plastiklerden daha az olmayacaktır. Geleneksel plastik makinelerde işlenebiliyor ve geleneksel depolarda tutulabiliyor, böylece kaynak fazlalığı kapsamı etkili bir şekilde ortadan kaldırılabiliyor.

Plastik atık tehdidine uygulanabilir bir alternatif geliştirilememesi, dünya çapında birçok ülke için ciddi tehlikelere yol açacaktır. Örneğin Güneydoğu Asya, halihazırda plastik kirliliğinin "sıcak noktası" haline gelmiş durumda ve bu durum, hızlı kentleşme ve büyüyen orta sınıf nedeniyle daha da kötüleşiyor. Verimli bir altyapının eksikliği de bu durumu daha da kötüleştirerek, geri dönüştürülebilir plastiklerin verimliliğinin azalmasına neden oluyor.

Atıkların bu yanlış yönetimi sorunu, maskelerin, dezenfektan şişelerinin ve çevrimiçi teslimat paketlerinin tüketimi nedeniyle COVID sezonunda daha da kötüleşti. Dünya Bankası'nın sunduğu verilere göre Tayland, Filipinler ve Malezya gibi ülkelerde geri dönüştürülebilir plastiğin maddi değerinin %75'inden fazlası kayboluyor; bu, tek kullanımlık plastiğin geri kazanılmak yerine atılması durumunda yılda 6 milyar dolara eşdeğerdir. ve geri dönüştürüldü.

Atıkların bu denli yanlış yönetimi ve altyapı yetersizliği karşısında biyoplastikler bu yanlış yönetimlerden bağımsız en etkili alternatif olarak ortaya çıkıyor. Üstelik biyoplastikler, geleneksel fosil yakıtlara daha az bağımlı oldukları için sürdürülebilirlik çabalarımıza da yardımcı oluyor. Biyolojik olarak parçalanabilen plastiklerin kullanılması aynı zamanda imha ve geri dönüşüm için geliştirilmiş kullanım ömrü sonu senaryoları anlamına da gelir.

Ancak biyoplastiklerin payı, geleceğimizin tamamen sürdürülebilir araçlara bağımlı olması açısından olması gerekenden çok daha az. Bir tahmine göre, dünya çapında her yıl üretilen 367 milyon ton plastikten biyoplastiklerin payı hâlâ yüzde birin altında. Ancak önümüzdeki yıllarda ambalajlama, tüketim malları, inşaat ve inşaat, otomotiv ve taşımacılık, tekstil, tarım ve bahçecilik, elektrik ve elektronik, kaplamalar ve yapıştırıcılar ve daha fazlasını içeren bir dizi uygulama alanında önemli bir büyüme görülmesi bekleniyor. .

Yapay fotosentez ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla desteklenen plastik bileşenlerin sürdürülebilir üretimi gibi en ileri araştırma destekli teknolojiler, plastikle baş etme yolları üzerinde önemli bir etki yaratacaktır. Bu süreçler yalnızca daha iyi çevre dostu plastikler anlamına gelmekle kalmayacak, aynı zamanda sürdürülebilir ve neredeyse emisyonsuz bir üretim ekosistemi anlamına da gelecektir.