Sürdürülebilirlik
Yapay Fotosentez ve Biyobozunurluk: Plastik Tehdidine Sürdürülebilirlik Odaklı Mücadele
CO2 emisyonu ve Dünya üzerindeki biyobozunur olmayan plastiklerin varlığı, geri dönüşü olmayan zararlara yol açan iki tehlikedir. Özellikle, karbondioksit, ısı tutan bir gaz olarak, gezegeni ısıtarak sonunda iklim değişikliğine neden olur.
Bu ısınma etkisi, NASA’nın tahminleriyle vurgulanmaktadır; bu tahminler, insan faaliyetlerinin atmosferdeki karbondioksit içeriğini 200 yıldan kısa bir sürede %50 artırdığını ortaya koymaktadır. atmosferdeki karbondioksit içeriğini %50 artırması. Durumu daha da kötüleştiren, strafor, tek kullanımlık plastik poşetler ve plastik su şişeleri gibi malzemelerden elde edilen biyobozunur olmayan plastiklerdir; bunlar yeraltı suyunu, gıda zincirini kirleterek ve havayı kirlendirerek başka bir ciddi tehdit oluşturur.
Bu birbirine geçmiş zorlukları ele alırken, Osaka Metropolitan University araştırmacıları artık bu iki sorunu tek bir yol üzerinden çözen bir atılım geliştirdi. Karbondioksit emisyon seviyelerini düşürürken atıkları biyobozunur plastiklere dönüştüren yenilikçi ve verimli bir fumarik asit üretim yöntemi ortaya çıktı. Bu yeniliğin ne anlama geldiğini ve nasıl çalıştığını daha derinlemesine inceleyelim.
Fumarik Asidin Sürdürülebilir Üretimi
Fumarik asit, biyobozunur plastiklerin bir bileşenidir. Geleneksel olarak petrol, karbondioksit ve biyokütleden elde edilen bileşiklerden elde edilir. Şimdi araştırmacılar, fumarik asidi sürdürülebilir ve verimli bir şekilde üretebilecek bir çözüm geliştirdi. Aynı hedefe yönelik iki çalışma yapılmıştır.
İlkinde, Osaka Metropolitan University (OMU) Yapay Fotosentez Araştırma Merkezi’nden Prof. Yutaka Amao liderliğindeki bir araştırma ekibi, bikarbonat ve biyokütleden elde edilen pirüvik asitten fumarik asit sentezleme yollarını gösterdi. Bu süreçte kullanılan enerji yenilenebilir güneş enerjisiydi.
Bilim insanları ayrıca, gaz fazından doğrudan sürece hammadde olarak katkıda bulunan karbondioksit ile fumarik asit üretiminde başarı elde etti. Ancak deney bir sınırlama ile karşılaştı; önemli bir miktarda fumarik asit üretemedi. Üretim düşük kaldı.
Bunun ardından yapılan araştırmada bilim insanları bu zorluğu aştı. Yeni bir fotosensitizer geliştirerek ve yapay fotosentezde ilerlemeler kaydederek, geleneksel yöntemlere kıyasla fumarik asit verimini iki katına çıkarabildiler.
Bilim insanları, trietanolamin, katyonik suda çözünebilen çinko porfirin, çinko tetrakis(4-N, N, N-trimetil aminofenil)porfirin, pentametilsiklopentadienil koordineli rodyum(III) 2,2′-bipiridil kompleksi, NAD+, malat dehidrogenaz (NAD+-bağımlı oksaloasetat-dekarboksilasyon) ve fumaraz içeren sistemle, görünür ışıkla çalışan bir fumarat üretim yöntemi geliştirdi.
“Görünür ışıkla çalışan, gaz halindeki CO2 ve pirüvatı kullanan, katyonik çinko porfirin tabanlı fotokatalitik sistem ve çift biyokatalizörlü” başlıklı araştırma, Osaka Fermentasyon Enstitüsü tarafından desteklenmiştir.
Genel olarak, araştırma, biyobozunur plastik üretiminde karbondioksiti daha verimli kullanan gelişmiş bir yapay fotosentez katalizörünün üretilebileceğini deneysel olarak kanıtlamıştır.
Ancak, yapay fotosentezin sürdürülebilir ve verimli bir şekilde biyobozunur plastik üretimine katkısını neden bir atılım olarak gördüğümüzü daha derinlemesine düşündüğümüzde, plastiklerin bir tehdit olduğu ve sürdürülebilir şekilde üretilen biyobozunur plastiklerin teşvik edilmesinin takdir edilmesi gerektiği ortaya çıkar.
Dünyada en ciddi plastik kaynaklı zararların başında mikroplastikler gelmektedir. United States National Oceanic and Atmospheric Administration mikroplastikleri, beş milimetreden daha kısa olan ve sağlığımıza, okyanuslara ve sucul yaşama zarar veren küçük plastik parçalar olarak tanımlar. Bu kategori ayrıca kasıtlı olarak küçük tasarlanan plastikleri de içerir. Mikroboncuk olarak adlandırılan bu parçalar, birçok sağlık ve güzellik ürününde kullanılır ve çeşitli zararlı etkileri vardır.
Mikroplastikler vücudumuza içme suyu, tükettiğimiz gıdalar ve kullandığımız gıda kapları gibi çeşitli yollarla girer; bu yollar mikroplastik ağız yoluyla alımının başlıca kaynaklarıdır. Ayrıca havadan solunum yoluyla da mikroplastik soluruz ve kişisel bakım ürünleri ile cep telefonu kılıfları gibi mikroplastik içeren ürünler, bu maddelerin kişisel temasımıza girmesine olanak tanır.
İnsan vücuduna girdiklerinde, bu mikroplastikler bir dizi sağlık sorununa yol açabilir. Oksidatif stres ve DNA hasarı oluşturdukları, metabolik bozukluklara neden oldukları ve karaciğer, bağırsak, beyin ve solunum yolları gibi hayati organlarda fonksiyon bozukluklarına sebep oldukları bilinmektedir. Ayrıca, mikroplastiklerin toksisitesi üreme ve gelişim yeteneklerimizi de zedeler; bu durum insan sağlığı üzerindeki etkilerinin ciddiyetini gösterir.
Mikroplastik sorunu yalnızca insan sağlığını etkilemekle kalmaz, aynı zamanda deniz yaşamını da tehdit eder. Balıklar ve diğer sucul organizmalar üzerinde toksik etkiler gösterir; büyüme ve gelişimlerini engeller, ölüm oranlarını artırır, iltihaplanmaya yol açar, yüzme hızını düşürür, canlılık ve vücut uzunluğunu azaltır ve bağırsak yaralanmalarına neden olur. Bu kanıtlar, çevremizi mikroplastiklerle kirletmeyi önlemenin acil bir ihtiyaç olduğunu vurgulamaktadır.
Bu bağlamda, son su altı dalış anketleri yenilikçi atık toplama çözümlerine duyulan acil ihtiyacı ortaya koymuştur. Örneğin, Desert Research Institute araştırmacılarının Lake Tahoe göl tabanında gerçekleştirdiği çığır açıcı bir anket, kilometre başına ortalama 83 plastik parçası bulunduğunu ve göl tabanının hiçbir kısmının plastik kalıntısız olmadığını göstermiştir. En yaygın bulunan maddeler arasında yiyecek kapları, şişeler, plastik poşetler ve oyuncaklar yer alırken, en sık rastlanan altı plastik türü polivinil klorür (PVC), polistiren, polyester/polietilen tereftalat, polietilen, polipropilen ve poliamiddir.
Su altındaki plastikleri temizlemek için uygulanabilir alternatifler sunan çeşitli çözüm sağlayıcıları bulunmakla birlikte, araştırmacılar ayrıca bir ‘sürdürülebilirlik metriği’nin plastik kirliliğini azaltmadaki potansiyelini de değerlendirmektedir. Woods Hole Oceanographic Institution araştırmacıları, çevrede düşük kalıcılığa sahip plastik ürünlerin ekolojik tasarımı için bir sürdürülebilirlik metriği geliştirmiştir. Araştırmacılar, bu metriğin çevresel ve toplumsal faydalar sağlayabileceğine inanmaktadır.
Çalışma, plastik kirliliği sorununu ele almanın yenilikçi ve yaratıcı bir yolunu göstermiştir. Yaklaşım, tanıdık olduğumuz sosyal etki muhasebesi egzersizlerine benzer bir şekilde görülebilir. Plastik ve alternatiflerinin çevresel etkileri için indeksler karşılaştırılmış; plastiklerin çevresel kalıcılığını hesaba katıp onları verimli bir şekilde değiştirmek, tek bir tüketici ürünü için yüz milyonlarca dolar kazanç anlamına gelebileceği gösterilmiştir.
Çalışmanın baş yazarı, malzeme bilimci ve mühendis Bryan James, şunları söylemiştir:
“Önemli olan, tüm yeşil malzeme mühendisliği ilkelerini gelecekte yaşayacağımız dünyaya entegre eden işlevsel, sürdürülebilir ve zararsız malzemeler, ürünler ve süreçler tasarlamaktır.”
Genel olarak, yeterince biyobozunur plastikler üretmek ve bunlar için uygun alternatifler bulmak, bilim ve teknoloji topluluğunu meşgul etmeye devam etmektedir. Bu alanda aktif olarak çalışan büyük ve küçük birçok işletme bulunmaktadır.
#1. Mitsubishi Chemical Group
Mitsubishi Chemical Group, bu alanda uzun süredir aktif bir katılımcıdır. Ekim 2012’de kurulan Japon Yapay Fotosentetik Kimyasal Proses Araştırma Derneği (ARPChem) üyesi olarak, Mitsubishi Chemical Corporation (MCC), Yeni Enerji ve Endüstriyel Teknoloji Geliştirme Organizasyonu (NEDO) tarafından yürütülen bir Yapay Fotosentez projesine katılmıştır. O zamandan beri Mitsubishi, sürecin daha fazla verimlilik ve optimizasyonunu sağlamak için çaba göstermektedir.
Açılışta tartıştığımız araştırmada sürdürülebilir fumarik asit üretiminden bahsediliyordu. Ancak Mitsubishi Chemical Group’un çabaları Olefin üretimine yöneliktir.
Bu süreçte, ayrılmış hidrojen ve karbondioksit arasındaki reaksiyonu mümkün kılan sentetik bir katalizör kritik bir rol oynar. Mitsubishi’in uygun bir katalizör geliştirme ve gerekli proses teknolojilerini iyileştirme konusundaki yenilikçi çalışması, verimi önemli ölçüde artırarak Olefin üretimini daha verimli hâle getirmiştir.
Sonuç olarak, Olefin, plastik üretiminde kullanılan ham maddenin etkili bir şekilde üretilmesini sağlayarak Mitsubishi’in kimya endüstrisinde sürdürülebilir üretim uygulamalarını ilerletmedeki katkısını göstermektedir.
NEDO tarafından yürütülen Green Innovation Project, Mitsubishi’in yapay fotosentez tabanlı kimyasal hammadde üretiminin ticari geliştirilmesini Şubat 2022’de finansman için seçti.
Geliştirmenin sonraki aşamalarında, süreç petrolden elde edilen hammaddeyi dönüştürerek karbon dioksit kullanarak plastik üretim teknolojisi geliştirmeye yardımcı olacak; bu süreç, petrokimya üretim teknolojisi, katalizör geliştirme teknolojisi ve üniversiteler ve araştırma enstitüleriyle iş birliği içinde geliştirdiği diğer teknolojileri kullanarak gerçekleştirilecektir.
Mitsubishi Corporation entegre raporunu yayınladı; rapor, 31 Mart 2023 tarihli mali yılını kapsar ve şirket 159 milyar ABD dolarından fazla kazanç elde etmiştir.
#2. Evonik and Siemens
Teknik fotosentez olarak adlandırılan yöntemde, iki şirket olan Evonik ve Siemens, yenilenebilir enerji ve bakterileri kullanarak karbondioksiti özel kimyasallara dönüştürüyor. Şirketler, Rheticus adlı ortak araştırma projesi kapsamında bu görevi yürütüyor. Araştırmanın ilk aşamasında, hem özel plastikler hem de gıda takviyeleri için hammadde olan butanol ve hekzanol gibi kimyasallar üretildi.
Evonik’in stratejik araştırma departmanı Creavis’te projeden sorumlu Dr. Thomas Haas şöyle açıklıyor:
“Rheticus platformu ile yapay fotosentezin mümkün olduğunu göstermek istiyoruz.”
Bu iddiayı gerçeğe dönüştürmek için Evonik ve Siemens, temel yetkinlikleri doğrultusunda katkı sağlıyor. Örneğin, Siemens, ilk adımda karbondioksit ve suyu elektrikle hidrojen ve karbon monokside dönüştürmek için elektroliz teknolojisini sürece entegre ediyor.
Evonik’in katkıları, karbon monoksit içeren gazların, özel mikroorganizmalar tarafından metabolik süreçlerle faydalı ürünlere dönüştürülmesini güçlendirmeye yöneliktir.
Plastik ve özel kimyasallar endüstrisine yardımcı olma potansiyelini açıklarken Dr. Haas şöyle diyor:
“Modüler yapısı ve konum, hammadde kaynağı ve üretilen ürünler açısından esnekliği, yeni platformu özellikle özel kimyasallar endüstrisi için çekici kılıyor. Diğer şirketlerin de platformu kullanarak kendi modüllerini entegre edip kimyasal ürünlerini üretmelerine güvenimiz tam.”
En son mevcut yıllık finansal raporuna göre, Evonik Grubu 2022’de neredeyse 18,5 milyar Euro satış gerçekleştirdi. Bu gelirin %23’ü özel katkı maddeleri, %23’ü beslenme & bakım, %26’sı akıllı malzemeler, %20’si performans malzemeleri ve %8’i teknoloji & altyapı ürün ve hizmetlerinden oluşmaktadır.
2023 mali yılı raporunda Siemens, 2022’de kaydedilen 19,5 milyar Euro’luk gelire kıyasla, 2023’te yaklaşık 22 milyar Euro yıllık gelir elde ettiğini bildirmiştir.
Plastikler ve Sürdürülebilirliğe Giden Yolculuğumuz
Kolektif çabalarla, yenilenebilir kaynaklardan enerji elde eden, biyobozunur plastikler ya da biyobazlı malzemeler olarak adlandırılabilecek, geleneksel plastiklerle dayanıklılık ve kullanılabilirlik açısından eşdeğer, mevcut plastik makinelerinde işlenebilen ve geleneksel depolarda saklanabilen bir gelecek için doğru adımları atmamız gerekiyor; bu sayede kaynak israfının önüne geçilir.
Plastik atık sorununun geçerli bir alternatifi bulunamaması, dünya genelinde birçok ülke için büyük tehlikeler doğurur. Örneğin Güneydoğu Asya, hızlı kentleşme ve büyüyen orta sınıfın etkisiyle plastik kirliliğinin bir ‘sıcak nokta’ haline gelmiştir. Verimli altyapının eksikliği, geri dönüştürülebilir plastiklerin etkinliğini azaltmıştır.
COVID döneminde maske, dezenfektan şişeleri ve online teslimat paketlemeleri tüketimi, atık yönetimi sorununu daha da şiddetlendirmiştir. Dünya Bankası verilerine göre, Tayland, Filipinler ve Malezya gibi ülkelerde geri dönüştürülebilir plastiklerin malzeme değerinin %75’inden fazlası kaybedilmekte; bu da tek kullanımlık plastiklerin geri kazanım ve geri dönüşüm yerine atılması durumunda yılda 6 milyar dolar kayba eşdeğerdir.
Bu atık yönetimi eksikliği ve altyapı yetersizliği ışığında, biyoplastikler, bu tür hatalardan bağımsız en etkili alternatif olarak ortaya çıkmaktadır. Ayrıca, biyoplastikler, geleneksel fosil yakıtlara olan bağımlılığı azalttığı için sürdürülebilirlik çabalarımıza da katkı sağlar. Biyobozunur plastiklerin kullanılması, bertaraf ve geri dönüşüm süreçlerinde daha iyi son‑yaşam senaryoları anlamına gelir.
Bununla birlikte, biyoplastiklerin payı hâlâ gelecekte tamamen sürdürülebilir bir modele geçmek için olması gerekenin çok altında kalmaktadır. Bir tahmine göre, dünyada yılda üretilen 367 milyon ton plastikten, biyoplastiklerin payı hâlâ yüzde birin altında. Ancak, ambalaj, tüketim malları, inşaat, otomotiv ve ulaşım, tekstil, tarım ve bahçecilik, elektrik ve elektronik, kaplamalar ve yapıştırıcılar gibi birçok uygulama alanında önümüzdeki yıllarda önemli bir büyüme göstermesi beklenmektedir.
Yapay fotosentez ve yenilenebilir enerji kaynaklarıyla çalışan plastik bileşenlerinin sürdürülebilir üretimi gibi, kesintisiz araştırma destekli ileri teknoloji çözümler, plastikle başa çıkma yolları üzerinde büyük bir etki yaratacaktır. Bu süreçler yalnızca çevre dostu plastikler üretmekle kalmayıp, aynı zamanda neredeyse sıfır emisyonlu, sürdürülebilir bir üretim ekosistemi de sağlayacaktır.
