Yapay Fotosentez ve Biyolojik Çürüme: Plastik Tehditlerine Sürdürülebilirlik ile Karşı Koyma

CO2 emisyonu ve Dünya’da biyolojik olarak parçalanmayan plastiklerin varlığı, geri dönüşü olmayan zararlara neden olan iki tehlikedir. Özellikle, ısıyı hapseden bir gaz olan karbondioksit, gezegeni ısıtır ve sonunda iklim değişikliğine yol açar.

Bu ısınma etkisi, NASA’nın tahminleri tarafından vurgulanmaktadır ve insan faaliyetlerinin atmosferin karbondioksit içeriğini 200 yıldan kısa bir sürede %50 artırdığını ortaya koymaktadır. Atmosferin karbondioksit içeriğinin %50 artması durumu daha da kötüleştirmektedir. Ayrıca, stirofoam, atılabilir plastik çantalar ve plastik su şişelerinden elde edilen biyolojik olarak parçalanmayan plastikler, su kaynaklarını ve gıda zincirini kirletmeleri ve havayı kirletmeleri nedeniyle başka bir ciddi tehdit oluşturmaktadır.

Bu iç içe geçmiş zorluklara yanıt veren Osaka Metropolitan Üniversitesi’nden araştırmacılar, her iki zorluğu da tek bir yol aracılığıyla ele alan bir đột phá geliştirdiler. Karbondioksit emisyon seviyelerini düşürürken atığı biyolojik olarak parçalanabilir plastiklere dönüştürecek bir şekilde fumarik asit üretimi için yenilikçi ve verimli bir yol geliştirdiler. Bu inovasyonun ne anlama geldiğini ve nasıl çalıştığını daha derinlemesine anlamaya çalışalım.

Atmosferik CO2’yi önleme veya tedavi etmenin daha iyi olduğunu öğrenmek için buraya tıklayın.

Fumarik Asitin Sürdürülebilir Üretimi

Fumarik asit, biyolojik olarak parçalanabilir plastiklerin bir bileşenidir. Geleneksel olarak petrol, karbondioksit ve biyokütle türetilen bileşiklerden elde edilir. Şimdi, araştırmacılar fumarik asidi sürdürülebilir ve verimli bir şekilde üretmenin bir yolunu bulmuşlardır. Aynı amaç için iki çalışma yapılmıştır.

İlkinde, Osaka Metropolitan Üniversitesi’ndeki (OMU) Araştırma Merkezi için Yapay Fotosentez Profesörü Yutaka Amao liderliğindeki bir araştırma ekibi, fumarik asidi bikarbonat ve biyokütle türetilen pirüvik asitten sentezlemenin yollarını gösterdi. İşlemde kullanılan enerji yenilenebilir güneş enerjisidir.

Bilim adamları, ayrıca karbondioksiti doğrudan gaz fazından elde edilen bir hammaddesi olarak kullanarak fumarik asit üretmeyi başardılar. Ancak, deneysel bir sınırlama vardı. Fumarik asit üretimi önemli değildi. Üretim düşük kaldı.

Ancak, sonraki araştırmada, bilim adamları bu zorluğu aşmayı başardılar. Yeni bir fotosensitizer geliştirdiler ve yapay fotosentezde ilerlemeler kaydettiler, bu da geleneksel yöntemlerle karşılaştırıldığında fumarik asit verimini iki katına çıkardı.

Bilim adamları, trietanolamin, katyonik su çözünür çinko porfirin, çinko tetrakis(4-N, N, N-trimethyl aminofenil)porfirin, pentametilciklopentadienil koordine rhodium(III) 2,2′-bipyridyl kompleksi, NAD+, malat dehidrojenaz (NAD+-bağımlı oksaloasetat-dekarboksilasyon) ve fumarazdan oluşan bir sistemle gaz halinde CO2 ve piruvattan görülebilir ışıkla fumarat üretimi için etkili bir yol geliştirdiler.

Araştırma, “Gaz halinde CO2 ve piruvattan görülebilir ışıkla fumarat üretimi için etkili bir yol” başlıklı bir makale olarak yayınlandı ve Osaka Fermentasyon Enstitüsü tarafından desteklenmiştir.

Genel olarak, araştırma, karbondioksiti biyolojik olarak parçalanabilir plastiklerin üretimi için daha verimli bir şekilde kullanabilen gelişmiş bir yapay fotosentez katalizörünün üretilebileceğini deneysel olarak kanıtlamıştır.

Ancak, daha derinlemesine düşünerek ve neden yapay fotosentez ve biyolojik olarak parçalanabilir plastiklerin sürdürülebilir ve verimli üretimi için katkısının bir đột phá olarak görüldüğünü değerlendirmeye çalışırsak, plastiklerin bir tehlike olduğunu ve biyolojik olarak parçalanabilir plastiklerin üretimi için yapılan herhangi bir çabanın takdir edilmesi ve teşvik edilmesi gerektiğini göreceğiz.

Dünya’da plastikle ilgili en ciddi hasarlardan biri mikroplastiklerdir.

Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi mikroplastikleri beş milimetreden küçük plastik parçaları olarak tanımlamaktadır ve bunlar sağlığımızı, okyanusumuzu ve su yaşamımızı olumsuz etkilemektedir. Bu kategori ayrıca küçük olarak tasarlanan plastikleri de içermektedir. Mikroboncuklar olarak adlandırılan bu plastikler, birçok sağlık ve güzellik ürününde kullanılmaktadır. Bu mikroplastikler several zararlı etkileri vardır.

Mikroplastikler vücudumuza suyumuzu içerek, yiyeceklerimizi yiyerek, yiyecek kaplarımızı kullanarak ve kişisel bakım ürünlerimizi kullanarak girerler. Ayrıca, mikroplastiklerin havayı soluduğumuzda ve cep telefonu kılıflarının mikroplastik içerdiğinden dolayı kişisel temas yoluyla da vücudumuza girerler.

Vücut içinde, bu mikroplastikler oksidatif stres ve DNA hasarına neden olabilir, metabolik bozukluklara yol açabilir ve karaciğer, bağırsak, beyin ve hava yolları gibi hayati organların fonksiyon bozukluğuna neden olabilir. Ayrıca, mikroplastiklerin toksisitesi üreme ve gelişme yeteneklerini bozabilir, bu da insan sağlığı üzerindeki etkisinin ciddiyetini göstermektedir.

Mikroplastiklerin sorunu insan sağlığıyla sınırlı değildir, aynı zamanda su yaşamını da olumsuz etkilemektedir. Balıklar ve diğer su canlıları üzerinde toksik bir etkiye sahiptir, büyümelerini ve gelişimlerini engeller, ölüm oranlarını artırır, iltihaplanmaya neden olur, yüzme hızlarını düşürür, canlılıklarını azaltır ve bağırsak hasarına neden olur. Bu kanıtlar, mikroplastiklerin çevre kirliliğine karşı acil önlem alınması gerektiğini vurgulamaktadır.

Bu nedenle, yakın zamanda yapılan sualtı dalış araştırmaları, yenilikçi atık toplama çözümlerine olan ihtiyacı vurgulamıştır. Örneğin, Desert Research Institute tarafından Lake Tahoe’nun göl yatağında yapılan bir araştırma, kilometre başına ortalama 83 parça plastik çöp olduğunu ortaya koydu ve göl yatağının hiçbir bölümünün plastik çöpten arınmış olmadığını gösterdi. Common items identified include food containers, bottles, plastic bags, and toys, with the six most common types of plastic being polyvinyl chloride (PVC), polystyrene, polyester/polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene, and polyamide.

Sualtı plastiklerini temizlemek için viable alternatifler sunan çözüm sağlayıcılar varken, araştırmacılar ayrıca ‘sürdürülebilirlik ölçütü‘nün plastik kirliliğini önlemede potansiyelini değerlendirmektedir. Woods Hole Oceanographic Institution’un araştırmacıları, plastik ürünlerin düşük kalıcılığa sahip ekolojik tasarımı için bir sürdürülebilirlik ölçütü geliştirdiler. Araştırmacılar, bu ölçütün çevresel ve toplumsal faydalar sağlayabileceğine inanıyorlar.

Çalışma, plastik kirliliğine karşı yenilikçi ve yaratıcı bir yaklaşım ortaya koydu. Bu yaklaşım, sosyal etki muhasebesi egzersizlerine benzer bir şekilde, plastiklerin çevresel etkisini ve bunların yerine geçebilecek ürünlerin çevresel kalıcılığını karşılaştırdı ve bu ürünlerin verimli bir şekilde değiştirilmesinin milyonlarca dolarlık kazançlar sağlayabileceğini gösterdi.

Çalışmanın önemini açıklarken, çalışmanın baş yazarı ve malzeme bilimcisi ve mühendisi Bryan James, şunları söyledi:

“Önemli olan, işlevsel, sürdürülebilir ve zararsız malzemeler, ürünler ve süreçler tasarlayabilmek ve bunları gelecekte yaşayacağımız dünya için geliştirebilmektir.”

Genel olarak, biyolojik olarak parçalanabilir plastikler üretimi ve bunların uygun alternatiflerini bulma effortsı, bilimsel ve teknolojik topluluğu meşgul etmektedir. Bu alanda aktif olarak çalışan birçok büyük ve küçük işletme vardır.

#1. Mitsubishi Chemical Group

Mitsubishi Chemical Group, bu alanda uzun süredir aktif olarak çalışmaktadır. Japonya Teknolojik Araştırma Derneği Yapay Fotosentetik Kimyasal Süreç (ARPChem) üyesi olarak, Mitsubishi Chemical Corporation (MCC), New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) tarafından yürütülen bir Yapay Fotosentez projesine katıldı. O günden beri, Mitsubishi, sürece daha fazla verimlilik ve optimizasyon sağlamak için çalışmaktadır.

Araştırmamızın başında, fumarik asidin sürdürülebilir üretimi hakkında konuşmuştuk. Ancak, Mitsubishi Chemical Group’un effortsı olefin üretimi yönündedir.

Bu süreçte, sentetik bir katalizör kritik bir rol oynamaktadır ve hidrojen ve karbondioksitin reaksiyonunu sağlayan bir katalizör geliştirilmiştir. Mitsubishi’nin bu katalizörün geliştirilmesindeki yenilikçi çalışması ve gerekli süreç teknolojilerinin rafine edilmesi, olefin üretiminin verimliliğini önemli ölçüde artırmıştır.

Sonuç olarak, olefin, plastik üretimi için etkili bir şekilde üretilen bir hammaddesi haline gelmiştir ve Mitsubishi, kimya endüstrisinde sürdürülebilir üretim uygulamalarının geliştirilmesine katkıda bulunmuştur.

NEDO tarafından yürütülen Yeşil İnovasyon Projesi, Mitsubishi’nin yapay fotosentez tabanlı kimyasal hammaddesi üretiminin ticari geliştirilmesini fonladı.

Geliştirme aşamasında, süreç, petrolden elde edilen hammaddeleri dönüştürecek ve petrokimyasal üretim teknolojisi, katalizör geliştirme teknolojisi ve diğer teknolojileri kullanarak karbondioksidi kullanarak plastik üretim teknolojisini geliştirecektir.

Mitsubishi Corporation entegre bir rapor yayınladı ve şirket, 31 Mart 2023 tarihinde sona eren mali yıl için 159 milyar doların üzerinde gelir elde etti.

#2. Evonik ve Siemens

Teknik fotosentez olarak adlandırılan bir proje kapsamında, Evonik ve Siemens, yenilenebilir enerji ve bakterileri kullanarak karbondioksidi özel kimyasallara dönüştürmektedir. Şirketler, Rheticus adlı bir ortak araştırma projesi kapsamında bu görevi yerine getirmektedir. Araştırmanın ilk aşamasında, kimyasallar gibi butanol ve heksanol üretimi gerçekleştirilmiştir ve bu kimyasallar özel plastiklerin ve gıda takviyelerinin hammaddeleri olarak kullanılmaktadır.

Evonik’in stratejik araştırma departmanı Creavis’ten Dr. Thomas Haas, şunları söyledi:

“Rheticus platformu ile yapay fotosentezin mümkün olduğunu göstermek istiyoruz.”

Bu iddiayı gerçeğe dönüştürmek için, her iki şirket de temel yeteneklerine göre katkıda bulunmaktadır. Örneğin, Siemens, ilk adımda elektrik kullanarak karbondioksiti ve suyu hidrojen ve karbon monoksitine dönüştüren elektroliz teknolojisini sağlamaktadır.

Evonik’in katkıları, özel mikroorganizmalar tarafından metabolik süreçlerle karbon monoksiti faydalı ürünlere dönüştüren fermentasyon sürecini güçlendirmeye yöneliktir.

Plastik ve özel kimya endüstrisine olan potansiyelini açıklarken, Dr. Haas şunları söyledi:

“Modüler yapısı ve konum, hammaddeleri ve ürettiği ürünler açısından esnekliği, bu yeni platformu özellikle özel kimya endüstrisi için çekici kılmaktadır. Diğer şirketlerin bu platformu kullanacağına ve kendi modüllerini entegre edeceğine inanıyorum.”

Evonik Grubu, 2022 yılında yaklaşık 18,5 milyar Euro gelir elde etti ve bu gelirin %23’ü özel katkılar ve %23’ü beslenme ve bakım ürünlerinden geldi. Akıllı malzemelerden %26, performans malzemelerinden %20 ve teknoloji ve altyapı ürünlerinden %8 gibi paylar da dahil olmak üzere diğer gelir kaynakları da vardı.

Siemens, 2023 mali yılında 22 milyon Euro gelir elde etti ve bu, 2022 yılında elde edilen 19,5 milyar Euro’luk gelirden önemli bir artış oldu.

Plastikler ve Sürdürülebilirlik Yolculuğumuz

Toplu effortsımızla, biyoplastiklerle dolu bir geleceğe doğru ilerlediğimizden emin olmalıyız. Bu biyoplastikler, biyolojik olarak parçalanabilir plastikler veya biyobazlı malzemelerdir ve yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilirler. Bu biyoplastikler, geleneksel plastiklere göre dayanıklılık ve kullanılabilirlik açısından hiçbir şekilde geri kalmazlar. Geleneksel plastik makineleri ile işlenebilir ve geleneksel depolarda saklanabilirler, bu da kaynak israfının ortadan kalkmasını sağlar.

Plastik atık tehlikesine karşı etkili bir alternatif bulunmaması, birçok ülkeye ciddi tehlikeler teşkil edecektir. Örneğin, Güneydoğu Asya, hızlı kentleşme ve büyüyen orta sınıf nedeniyle plastik kirliliği için bir ‘sıcak nokta’ haline gelmiştir. Etkisiz altyapı ile birlikte, bu durum geri dönüşümlü plastiklerin verimliliğini azaltmaktadır.

Atık yönetimi sorunu, COVID-19 döneminde maske, dezenfektan şişeleri ve online teslimat ambalajlarının tüketimi nedeniyle daha da kötüleşmiştir. Dünya Bankası’nın sunduğu verilere göre, Tayland, Filipinler ve Malezya gibi ülkelerde, geri dönüşümlü plastiklerin malzeme değerinin %75’ten fazlası kaybedilmektedir ve bu, yılda 6 milyar dolarlık bir kayıp anlamına gelmektedir.

Atık yönetimi ve altyapı yetersizliği konusunda, biyoplastikler bu tür hatalardan bağımsız olarak en etkili alternatif olarak ortaya çıkmaktadır. Ayrıca, biyoplastikler sürdürülebilirlik effortsımıza katkıda bulunmakta ve geleneksel fosil yakıtlara bağımlılık azaltmaktadır. Biyolojik olarak parçalanabilir plastikleri kullanmak, ayrıca atık bertarafı ve geri dönüşüm için daha iyi son durum senaryoları anlamına gelmektedir.

Ancak, biyoplastiklerin payı hala çok düşük olup, geleceğimiz için tamamen sürdürülebilir bir yol izlememiz için yeterli değildir. Bir tahmine göre, yıllık olarak üretilen 367 milyon ton plastikten, biyoplastiklerin payı hala %1’in altındadır. Ancak, ambalaj, tüketici ürünleri, inşaat ve ulaşım gibi çeşitli uygulama alanlarında önemli bir büyüme beklenmektedir.

Yenilikçi, araştırma temelli teknolojiler, yapay fotosentez ve yenilenebilir enerji kaynakları ile çalışan plastik bileşenlerinin sürdürülebilir üretimi, plastik kirliliği ile mücadele effortsına önemli bir katkıda bulunacaktır. Bu süreçler, sadece daha çevre dostu plastikler anlamına gelmeyecek, aynı zamanda neredeyse emisyonsuz bir üretim ekosistemini de sağlayacaktır.