Polimerleri düzenlemek için CRISPR benzeri yaklaşım plastik geri dönüşümünü değiştirebilir

Plastik geri dönüşümünde yeni olanaklar

Plastikler 1960’lardan itibaren sanayide yaygınlaşarak günlük yaşamın her alanına girdi. Bununla birlikte, kara ve deniz ekosistemlerinde bulunan mikroskobik parçacıklar olan mikroplastikler başta olmak üzere ciddi bir kirlilik kaynağı haline geldi.

Araştırmalar mikroplastiklerin bazı antibiyotiklerin etkinliğini azaltabildiğini gösteriyor. Parçacıklar insan dokularında da bulundu ve deniz canlıları tarafından tüketiliyor. İnsan sağlığı üzerindeki etkileri ise araştırılmaya devam ediyor.

Mevcut mikroplastik kirliliğini azaltmak için sürdürülebilirlik ölçütlerinin kullanılması, zehirli olmayan su itici çözücüler ve plastiklerin lazerlerle ya da ışıkla çalışan fotokatalizle yeniden değerlendirilmesi gibi birçok yöntem inceleniyor.

Bu arada ExxonMobil gibi şirketlere plastiklerin geri dönüştürülebilirliğine ilişkin beyanları nedeniyle dava açıldı (XOM ).

Plastik kirliliğine yönelik birçok çözümün pahalı olması, geniş ölçekte uygulanmasını zorlaştırıyor. Tamamlayıcı bir yaklaşım, plastik atığı daha değerli ürünlerin hammaddesine dönüştürerek toplama ve işleme için daha güçlü bir ekonomik teşvik yaratmaktır.

Oak Ridge National Laboratory araştırmacıları bu amaçla plastik atığı daha yüksek performanslı malzemelere dönüştürebilen bir yöntem geliştirdi. Sonuçlar Journal of the American Chemical Society dergisinde “Polyalkenamers as Drop-In Additives for Ring-Opening Metathesis Polymerization: A Promising Paradigm for Upcycling” başlığıyla yayımlandı¹.

Geleneksel geri dönüşüm neden yeterli değil?

Plastikler hâlihazırda geri dönüştürülüyor, ancak süreç kusursuz değil. Araştırmacılar geleneksel mekanik geri dönüşümü “erit ve en iyisini um” diye tanımlıyor.

Birçok plastik türünde her mekanik geri dönüşüm döngüsü polimer zincirlerini bozarak dayanım, renk ve kullanım ömrünü azaltabilir. Isı, oksidasyon, kirleticiler ve farklı malzemelerin karışması bu bozulmaya katkıda bulunur.

Bu nedenle pek çok plastik, performans gereklerini karşılayamaz hale gelmeden önce yalnızca sınırlı sayıda yeniden kullanılabilir.

Bazı plastik türleri bu yöntemle pratik olarak hiç geri dönüştürülemez ve çoğunlukla yakmaya veya depolama sahalarına gider.

Uluslararası tahminlere göre plastik atığın yalnızca küçük bir bölümü geri dönüştürülüyor; sıkça aktarılan küresel oran yaklaşık %9’dur.

Kaynak: PureCycle Technologies

Geri dönüşüm yerine ileri dönüşüm

İleri dönüşümde amaç, başlangıç hammaddesinden daha değerli veya daha iyi özelliklere sahip bir ürün elde etmektir.

Bu yaklaşım, plastiği oluşturan polimer zincirlerini kontrollü biçimde yeniden düzenliyor. Yapının hedefli şekilde “düzenlenmesi”, araştırmacıların yöntemi CRISPR gen düzenlemesine benzetmesine yol açtı. Bu yalnızca bir benzetmedir; kimyasal süreçte CRISPR kullanılmaz.

Ekip, günümüzde zor geri dönüştürülen veya hiç geri dönüştürülemeyen malzemeler üzerinde çalıştı. Bunlar arasında lastiklerde yaygın kullanılan yumuşak polibütadien ile oyuncak, klavye, havalandırma borusu, koruyucu başlık, araç parçası ve ev aletlerinde bulunan dayanıklı akrilonitril bütadien stiren (ABS) yer aldı.

“Bu teknolojiyle atık akışının önemli bir bölümünü ele alıyoruz. Günümüzde depolama sahalarına giden malzemelerin kütlesini ve enerjisini korumak bile büyük bir etki yaratabilir.”

Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

Sürecin “atom ekonomisi” yüksektir; yani giren maddelerdeki atomların büyük bir bölümü nihai ürüne katılır. Ancak bu ölçüt tek başına enerji tüketimini veya toplam çevresel etkiyi göstermez.

Yöntem nasıl çalışıyor?

Araştırmacılar atık malzemeden güçlü polimerler üretmek için önce mevcut plastiğe karıştırılacak bir katkı maddesi hazırladı.

Kaynak: Journal of the American Chemical Society

Katkı maddesi için polibütadien ve ABS parçalandı ve diklorometanda çözüldü. Reaksiyon 40°C’de gerçekleşti ve iki saatten kısa sürede tamamlandı.

Reaksiyon ayrıca bir katalizör gerektiriyordu ve ekip bir rutenyum bileşiği kullandı. Rutenyum katalizörleri metatez reaksiyonlarında ve bazı biyokütle hammaddelerinin dönüşümü dahil başka kimyasal işlemlerde kullanılır.

Basitleştirilmiş anlatımla rutenyum katalizörü, zincir parçalarının yeniden düzenlenmesini kolaylaştırarak daha uzun veya farklı yapıda polimerlerin oluşmasını sağlar. Katalizör ürünün yapıtaşı haline gelmez.

Metatez, karbon-karbon çift bağlarını yeniden düzenleyerek moleküler parçaların yer değiştirmesini ve yeni zincirlerin oluşmasını sağlar.

Yöntemin bir bölümü olan halka açılma metatez polimerizasyonu, halkalı molekülleri açıp uzun polimer zincirleri oluşturur. Diğer bölüm olan çapraz metatez ise farklı zincirler arasında parçaların değişimini sağlar.

Kaynak: Sigma Aldrich

Çalışma ekip halinde yürütüldü: Bir grup polimerizasyonu optimize etti, diğerleri reaksiyonları nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisiyle gerçek zamanlı izledi, başka bir grup da nihai malzemelerin mekanik ve termal özelliklerini test etti.

Güçlü laboratuvar sonuçları

Oak Ridge National Laboratory araştırmacıları laboratuvar ölçeğinde, sürecin polimer kalitesini bozmadan atık malzemeyi bünyeye katabildiğini gösterdi. Daha düşük enerji ve emisyon iddialarının büyük ölçekte kapsamlı bir yaşam döngüsü değerlendirmesiyle doğrulanması gerekir.

İleri dönüştürülen plastik deneylerde güçlü termal ve mekanik özellikler sergiledi. Bununla birlikte üstünlük bileşime ve uygulamaya bağlıdır; sonuç henüz tüm atık akışları veya endüstriyel ölçek için gösterilmemiştir.

Plastik ileri dönüşümünde sonraki adımlar

Yöntemi başka plastiklere genişletmek

Yöntem belirli polimerlerde gösterildi ve uygun reaktif gruplara sahip diğer malzemelere uyarlanabilir. Diklorometanın daha güvenli ve çevreye daha az zararlı bir çözücüyle değiştirilmesi de önemli bir hedeftir.

“Vizyonumuz, bu kavramın ana zincirinde reaksiyona girebilecek bir fonksiyonel grup bulunan her polimere genişletilebilmesidir.

Yöntem ölçeklendirilir ve başka katkı maddeleriyle genişletilirse, daha geniş atık sınıfları moleküler yapıtaşı kaynağına dönüşebilir ve işlenmesi zor plastiklerin çevresel etkisi önemli ölçüde azaltılabilir.”

Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

Sürecin ekonomik uygulanabilirliği henüz net değildir. Görece düşük sıcaklık ve kısa reaksiyon süresi olumlu olsa da katalizör, çözücü, geri kazanım ve ölçek büyütme maliyetleri değerlendirilmelidir.

Plastiklerin ötesindeki uygulamalar

Plastiklerde kullanılan kimyanın başka malzemelerin işlenmesinde de kullanılması araştırılabilir.

Araştırmacılar yöntemi özellikle termosetler için umut verici buluyor. Bu sınıfa epoksi reçineler, vulkanize kauçuk, poliüretan ve silikon dahildir.

Termosetler sertleştikten sonra yeniden eritilip biçimlendirilemez; bu nedenle geri dönüştürülmeleri zordur.

Yöntem çapraz bağlı moleküler yapıyı hedeflediği için, ilke olarak termosetlerdeki benzer bağlara da uyarlanabilir.

Yeniden polimerizasyon ayarlanabildiğinden, nihai malzemenin özellikleri de değiştirilebilir. Bileşime göre ürün daha yumuşak ve esnek ya da şekillendirilip sertleştirilmesi daha kolay olabilir. Bu olanakların her malzeme ve uygulama için ayrı ayrı doğrulanması gerekir.

Sonuç

İleri dönüşüm, daha değerli ürünler yaratabildiği için plastik atığın değerlendirilmesini artırabilecek bir seçenektir. Küresel geri dönüşüm oranını ne ölçüde yükselteceği ise maliyet, ölçek, toplama altyapısı ve talebe bağlıdır.

Plastik kullanımını azaltmak, mikroplastikleri temizlemek, biyoplastik geliştirmek — bkz. “En iyi 5 biyoplastik şirketi” — ve ileri dönüşümü yaygınlaştırmak daha geniş bir çözümün parçaları olabilir.

Atık oluşumunu önleme ve yeniden kullanımla birlikte bu yaklaşımlar, daha az kaynak tüketen ve daha az kirleten döngüsel bir ekonomiyi destekleyebilir.

Geri dönüşüm şirketi

PureCycle Technologies

PureCycle, polipropilene (PP) odaklanan ve PP atığını yüksek saflıkta geri dönüştürülmüş reçineye dönüştürmeyi amaçlayan bir geri dönüşüm şirketidir.

Şirket, PP atığından polietilen, katı maddeler, pigmentler ve diğer kirleticileri ayırmak için kendine ait bir arıtma süreci geliştirdi.

Kaynak: PureCycle Technologies

Ekstraksiyon süreci, koku, renk veya kirleticilerin geri dönüştürülmüş PP’nin kullanım alanlarını sınırlayabildiği geleneksel mekanik işlemeden farklıdır. Kalite, hammaddeye ve işleme hattına bağlıdır.

Kimyasal geri dönüşüm başka bir seçenektir; ancak enerji tüketimi, emisyonlar ve maliyet teknolojiye ve tesise göre önemli ölçüde değişir.

Kaynak: PureCycle Technologies

PureCycle, reçinesinin belirli koşullar altında bazı gıda temaslı kullanımlar için FDA’dan itiraz yoktur yazıları aldığını belirtiyor. Hedef pazarları arasında elyaf, ambalaj filmi, enjeksiyon kalıplı ambalajlar ve otomotiv plastikleri bulunuyor.

Şirketin aktardığı yaşam döngüsü değerlendirmesine göre süreç, yeni PP üretimine kıyasla yaklaşık %79 daha az enerji kullanabilir ve yaklaşık %35 daha düşük sera gazı emisyonuna sahip olabilir. Sonuçlar varsayımlara ve tesisin gerçek işletimine bağlıdır.

Şirket, Ironton, Ohio’da bir pelet üretim tesisi kurdu ve sürecin ticarileştirilmesi kapsamında ilk üretimi Haziran 2023’te duyurdu.

PureCycle ayrıca Kuzey Amerika ve Avrupa’da tesisler ile Asya’da SK geo centric ortaklığına ilişkin planlar açıkladı. 2027’ye kadar yıllık 630 milyon pound kapasite hedefi, şirket planıydı; garanti edilmiş bir sonuç değildir.

Kaynak: PureCycle Technologies

Şirket, Ironton tesisinde 2024’ün üçüncü çeyreğinde 3,5 milyon pound pelet üretildiğini, bunun önceki çeyreğin yaklaşık üç katı olduğunu ve bazı kalite ölçütlerinde iyileşme görüldüğünü bildirdi.

PureCycle, yatırımcılara farklı bir PP arıtma teknolojisine maruz kalma olanağı sunuyor; ancak ölçek büyütme, finansman, tesis güvenilirliği, talep ve rekabet önemli risklerdir. Bu şirket profili bir yatırım tavsiyesi değildir.

Çalışma kaynağı:

^{1. Jeffrey C. Foster, et al. (2024). Polyalkenamers as Drop-In Additives for Ring-Opening Metathesis Polymerization: A Promising Paradigm for Upcycling. Journal of the American Chemical Society, 146(48), 33084–33092. DOI: 10.1021/jacs.4c10588}