Yeşil polimerler: tanımı ve üretimi

Özet

Yeşil polimerler, geleneksel petrol bazlı plastiklere alternatif olarak giderek daha fazla ilgi çeken, sürdürülebilir ve çevre dostu bir malzeme sınıfıdır. Bu polimerler, bitki materyalleri, tarımsal atıklar veya biyolojik olarak parçalanabilir hammaddeler gibi doğal ve yenilenebilir kaynaklardan elde edilir.

Giriş

Modern toplumda geleneksel plastik ve polimerlerin kullanımı kaçınılmazdır; ambalaj ve tüketim mallarından otomobillere ve elektroniğe kadar birçok alanda kullanılmaktadır. Bununla birlikte, bu malzemelerin sınırlı fosil yakıt kaynaklarına olan yoğun bağımlılığı ve önemli çevresel etkileri, daha sürdürülebilir alternatiflere olan talebin artmasına yol açmıştır. Biyopolimerler veya biyolojik olarak parçalanabilir polimerler olarak da bilinen yeşil polimerler, doğal ve yenilenebilir hammaddeler kullanarak karbon ayak izini azaltan (Şekil 1) ve kullanım ömrü sonu yönetimini iyileştiren polimerik malzemeler oluşturarak umut vadeden bir çözüm sunmaktadır.
< 0 >Şekil 1: Karbon ayak izi
Bu çevre dostu polimerler, bitki nişastası, selüloz, lignin, bitkisel yağlar ve mikrobiyal fermantasyon dahil olmak üzere çeşitli yenilenebilir kaynaklardan elde edilir. Petrol bazlı plastiklere benzer performans özelliklerine sahip olacak şekilde tasarlanabilirler ve aynı zamanda biyolojik olarak parçalanabilirlik, kompostlanabilirlik ve kapalı döngü geri dönüşüm potansiyeli gibi avantajlar sunarlar (Şekil 1). Yeşil polimerlerin geliştirilmesi, artan çevre düzenlemeleri, tüketici bilinci ve atıkların en aza indirildiği ve kaynakların yeniden kullanıldığı döngüsel bir ekonomiye geçiş ihtiyacıyla birlikte artmaktadır.

2. Biyolojik olarak parçalanabilir ve biyolojik olarak kompostlanabilir

Biyolojik olarak parçalanabilir ve biyolojik olarak kompostlanabilir terimleri, özellikle çevresel bağlamlarda, malzemelerin ayrışmasıyla ilgili farklı süreçleri ve sonuçları ifade eder (Şekil 3).

Biyolojik olarak parçalanabilir: Biyolojik olarak parçalanabilir bir malzeme, bakteri ve mantar gibi mikroorganizmaların etkisiyle daha basit, toksik olmayan maddelere ayrışma özelliğine sahiptir. Bu süreç, hem oksijenli (aerobik) hem de oksijensiz (anaerobik) olmak üzere çeşitli çevresel koşullar altında gerçekleşebilir. Biyolojik parçalanma süresi, malzemeye ve çevresel koşullara bağlı olarak günlerden yıllara kadar değişebilir. Genellikle 28 gün içinde ayrışan malzemeleri ifade eden “kolayca biyolojik olarak parçalanabilir” gibi sınıflandırmalar vardır. Biyolojik parçalanmanın son ürünleri genellikle karbondioksit, su ve biyokütledir ve bunlar uzun vadeli hasara neden olmadan ekosisteme yeniden dahil edilebilir (Şekil 4).

Biyolojik olarak kompostlanabilir: Biyolojik olarak kompostlanabilir malzemeler, yalnızca toksik olmayan bileşenlere ayrışmakla kalmayıp, bunu özellikle kompostlama ortamında yapan biyolojik olarak parçalanabilir malzemelerin bir alt kümesidir. Bu süreç genellikle insanlar tarafından yönetilir ve ayrışmayı optimize eden kontrollü koşullar altında gerçekleşir. Kompostlanabilir malzemelerin, kompostlama sistemlerinde sağlanan ideal koşullar (optimum sıcaklık, nem ve havalandırma gibi) nedeniyle, genellikle birkaç ay içinde, genel biyolojik olarak parçalanabilir malzemelerden daha hızlı ayrışması beklenir. Kompostlamanın nihai ürünleri arasında, toprak sağlığını iyileştiren besin açısından zengin organik madde olan humus, karbondioksit ve su bulunur. Kompost ayrıca toprak kalitesini iyileştiren faydalı mikroorganizmalar da üretir (Şekil 5).
< 0 >Şekil 5. Biyolojik olarak parçalanabilir plastik
Biyolojik olarak parçalanabilir ve biyolojik olarak kompostlanabilir arasındaki farklar aşağıdaki tabloda sunulmuştur:

Prensip olarak, tüm biyolojik olarak parçalanabilir malzemeler biyolojik olarak bozunabilir olsa da, tüm biyolojik olarak parçalanabilir malzemeler kompostlama ortamları için uygun değildir.

3. Yeşil polimer üretme yöntemleri

Yeşil polimerler, kimyasal sentez, enzimatik kataliz ve mikrobiyal fermantasyon dahil olmak üzere çeşitli yöntemlerle üretilebilir. En yaygın üretim yöntemlerinden bazıları şunlardır:
1. Polilaktik asit (PLA): PLA, mısır, şeker kamışı veya manyok gibi yenilenebilir kaynaklardan elde edilen biyolojik olarak parçalanabilir ve kompostlanabilir bir polimerdir. Genellikle karbonhidratların fermantasyonuyla elde edilen laktik asidin polimerizasyonu yoluyla üretilir (Şekil 6). PLA, çok çeşitli fiziksel ve mekanik özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanabilir, bu da onu çeşitli uygulamalar için çok yönlü bir malzeme haline getirir.

2. Polihidroksialkanoatlar (PHA’lar): PHA’lar, belirli mikroorganizmalar tarafından karbon ve enerji depolama bileşikleri olarak üretilen, biyolojik olarak parçalanabilir polyesterlerden oluşan bir ailedir. Cupriavidus necator veya Pseudomonas türleri gibi mikroorganizmalar kullanılarak şekerlerin veya lipitlerin bakteriyel fermantasyonu yoluyla sentezlenebilirler. PHA’lar, geleneksel plastiklere benzer özelliklere sahiptir, ancak tamamen biyolojik olarak parçalanabilir olma avantajına da sahiptirler (Şekil 7).

3. Selüloz Bazlı Polimerler: Dünya üzerindeki en bol doğal polimer olan selüloz, selüloz asetat, selüloz nitrat ve selüloz eterler de dahil olmak üzere çeşitli yeşil polimerlerin üretiminde kullanılabilir. Bu malzemeler, odun hamuru, tarımsal atıklar veya geri dönüştürülmüş kağıt gibi kaynaklardan elde edilebilir. Selüloz bazlı polimerler mükemmel mekanik özelliklere ve biyolojik olarak parçalanabilirliğe sahiptir. Ayrıca, özelliklerini ayarlamak için kimyasal modifikasyon potansiyeli de mevcuttur.

4. Nişasta bazlı polimerler: Mısır, buğday veya patates gibi kaynaklardan elde edilen nişasta, geniş bir uygulama yelpazesine sahip biyolojik olarak parçalanabilir polimerler oluşturmak için kimyasal veya enzimatik olarak modifiye edilebilir. Nişasta bazlı malzemeler, mekanik ve termal özelliklerinin yanı sıra işlenebilirliklerini iyileştirmek için genellikle diğer biyopolimerler veya sentetik katkı maddeleriyle birleştirilir (Şekil 9).

5. Lignin Bazlı Polimerler: Bitkilerin hücre duvarlarında bulunan karmaşık aromatik bir polimer olan lignin, çeşitli yeşil polimerlerin üretimi için yenilenebilir bir hammadde olarak kullanılabilir. Lignin, odun, tarımsal atıklar veya kağıt hamuru ve kağıt endüstrisinin yan ürünleri gibi biyokütle kaynaklarından elde edilebilir ve daha sonra polimerik malzemeler oluşturmak için kimyasal veya enzimatik olarak işlenebilir (Şekil 10). Lignin bazlı polimerler, termal kararlılık, antioksidan aktivite ve karbon fiber üretimi potansiyeli de dahil olmak üzere benzersiz özellikler sergiler.

Çözüm:

Yeşil polimerler, geleneksel petrol bazlı plastiklerin yarattığı çevresel zorluklara umut vadeden bir çözümdür. Yenilenebilir ve biyolojik olarak parçalanabilir hammaddeler kullanılarak üretilen bu malzemeler, atıkları, sera gazı emisyonlarını ve sınırlı fosil yakıt kaynaklarına bağımlılığı azaltma potansiyeliyle daha sürdürülebilir bir yol sunmaktadır. Bu alandaki araştırma ve geliştirme çalışmaları ilerledikçe, yeşil polimerlerin benimsenmesinin hızlanması ve polimer endüstrisi için daha çevre bilincine sahip bir geleceğe yol açması beklenmektedir.

Ancak, yeşil polimerlerin yaygın olarak benimsenmesi, üretim süreçlerinin daha da optimize edilmesi, geleneksel plastiklerle maliyet etkin bir şekilde rekabet edilmesi ve etkili geri dönüşüm ve bertaraf altyapısının geliştirilmesi gibi zorluklarla karşı karşıya kalmaya devam etmektedir. Devam eden araştırma çalışmaları, bu zorlukların üstesinden gelmeye, yeni hammadde kaynaklarını keşfetmeye, yeşil polimerlerin performansını iyileştirmeye ve yenilikçi süreçler ve kullanım ömrü sonu yönetim stratejileri geliştirmeye odaklanmıştır.

References

Babu, R. P., O’Connor, K., & Seeram, R. (2013). Current progress on bio-based polymers and their future trends. Progress in Biomaterials, 2(1), 8.

Gandini, A. (2008). Polymers from renewable resources: a challenge for the future of macromolecular materials. Macromolecules, 41(24), 9491-9504.

Jem, K. J., & Tan, B. (2020). The development and challenges of poly (lactic acid) and poly (glycolic acid). Advanced Industrial and Engineering Polymer Research, 3(2), 60-70.

Narancic, T., Cerrone, F., Beagan, N., & O’Connor, K. E. (2020). Recent advances in bioplastics: application and biodegradation. Biochemical Society Transactions, 48(4), 1279-1288.

Storz, H., & Vorlop, K. D. (2013). Bio-based plastics: status, challenges and trends. Landbauforschung, 63(4), 321-332.

Gupta, A. P., & Kumar, V. (2007). New emerging trends in synthetic biodegradable polymers–Polylactide: A critique. European Polymer Journal, 43(10), 4053-4074.

Kalia, S., Dufresne, A., Cherian, B. M., Kaith, B. S., Avérous, L., Njuguna, J., & Nassiopoulos, E. (2011). Cellulose-based bio-and nanocomposites: a review. International journal of polymer science, 2011.

Satyanarayana, K. G., Arizaga, G. G., & Wypych, F. (2009). Biodegradable composites based on lignocellulosic fibers—An overview. Progress in Polymer Science, 34(9), 982-1021.

İçerik derleyicisi: Dr. Mehrnaz Bahadori