Labmedya - Laboratuvar ve Sağlık Gazetesi

Dünyamızın durumunu göz önüne aldığımızda sürdürülebilir malzemelere ihtiyacımız olduğunu görüyoruz. Biyo-türetilmiş malzemeler potansiyel bir seçenek, ancak bunları kullanacaksak ekonomik de olmaları gerekiyor. Örneğin, bir biyo-temellisüt sürahisi harika olurdu, ancak sütün 1 galonu 20 dolara satılsa sürahinin maliyeti 1 dolardan 17 dolara yükseleceği için kimse bu sürahiyi satın almazdı.

Delaware Üniversitesi (UD) araştırmacılarından ve CanmetENERGY'den bir ekipten oluşan bir araştırma grubunu yöneten Profesör Thomas H. Epps, biyokütleyi yeni ürünlere dönüştürmenin yollarını ararken tam da bu tür ekonomik sorunu düşünüyorlardı. Örneğin lignini ele alalım. Lignin, Lignen ya da Odunlaşma, bitkilerde hücre çeperi içerisinde bulunan lignin, selülozla birlikte bitkinin odunsu yapısını ve dayanıklılığını sağlar. Kâğıt yapımında kullanılmaz, fakat kâğıt üretiminin yan ürünüdür. 2’nci ve 3’üncü sınıf kâğıtlarda bolca bulunur. Lignin zamanla bozunarak kâğıdın ömrünü kısaltır. UD araştırmacıları, dünya çapında kâğıt hamuru ve kâğıt fabrikalarında her yıl yaklaşık 100 milyon ton lignin atığı üretilen bu geniş çapta mevcut kaynağın çok daha değerli olabileceğini söylüyorlar.

Fotoğraf: Robert O'Dea, Profesör Thomas Epps'in laboratuvarında çalışan bir kimya mühendisliği doktora öğrencisi ve ağaçların, bitkilerin ve diğer biyokütlenin geri dönüştürülmesi en zor parçası olan lignini yeniden kullanma yöntemlerini inceleyen yeni bir makalenin ortak yazarıdır. Kaynak: Delaware Üniversitesi

Ekip, endüstriyel olarak işlenmiş lignini biyo-temelli 3 boyutlu basılmış reçinelere ve değerli kimyasallar gibi yüksek performanslı plastiklere verimli bir şekilde dönüştürmenin mümkün olduğunu gösterdi. Ekonomik ve yaşam döngüsü analizi, yaklaşımın benzer petrol temelli ürünlerle de rekabet edebileceğini ortaya koyuyor.

Profesör Epps, “Lignin gibi bir şeyi alıp sadece parçalayıp faydalı bir ürüne dönüştürmekle kalmadık, aynı zamanda bunu petrol malzemelerinden daha düşük bir maliyetle ürettik ve çevre için daha yararlı. Böyle bir şeyi daha önce hiç kimse yapamadı” dedi.  

Ligninin geliştirilmesiyle ilgili temel sorunlardan biri, bunu yapmak için yapılan işlemlerin çoğunun çok yüksek basınçlarda çalışmasıdır. Bu da pahalı ve ölçeklendirilmesi zor olması anlamına geliyor. Mevcut endüstriyel tekniklerin başlıca dezavantajları; işlemde kullanılan geleneksel solventler, sıcaklıklar veya basınçlarla ilişkili güvenlik endişeleri, sermaye maliyetleri ve enerji tüketimini içermektedir. Bu zorlukların üstesinden gelmek için araştırma ekibi, ligninin ayrıştırılmasında/yapıbozumunda (deconstruction) kullanılan geleneksel bir çözücü olan metanol yerine gliserin ile işlemin normal (ortam) atmosfer basıncında yapılabilmesini sağladı.

Gliserin nemlendirici özellikleri nedeniyle sıvı kozmetiklerde, sabunlarda, şampuanlarda ve losyonlarda kullanılan ucuz bir bileşendir. Ancak burada gliserin lignini; 3D baskı reçinelerinden farklı plastik türlerine, aroma ve koku bileşiklerine, antioksidanlara ve daha fazlasına kadar geniş bir yelpazede biyo-temelli ürünler yapmak için kullanılabilecek kimyasal yapı taşlarına ayırmaya yardımcı oluyor.

Gliserin kullanılması metanol ile aynı kimyasal işlevselliği sağladı, ancak çok daha düşük bir buhar basıncında. Bu da kapalı bir sistem ihtiyacını ortadan kaldırdı. Bu değişiklik, araştırmacıların reaksiyon ve ayırma adımlarını aynı anda yapmalarına izin vererek daha uygun maliyetli bir sisteme doğru kapı açtı. Atmosferik basınçta çalışmak daha güvenlidir, çünkü daha ucuz ve daha hızlı bir üretim süreci sağlar. Bu süreçte daha az işçilikle daha fazla malzeme yapmak için de basit bir yol sağlar ve üretim süreklidir. Sürecin tekrarlanabilir ve tutarlı olacak şekilde geliştirilmesi ise yaklaşık bir yıl sürdü.

Düşük basınç yöntemin yüksek basınçlı işlemle kıyaslandığında, yumuşak ağaç Kraft ligninini kullanılarak, biyo-temelli basınca duyarlı bir yapıştırıcı üretme maliyetini %60'a kadar azaltabileceğini gösterdi. Maliyet avantajı, çalışmada kullanılan diğer teknik lignin türleri için daha az belirgindi, ancak yumuşak ağaç Kraft lignini, kâğıt hamuru ve kâğıt endüstrisi tarafından üretilen en bol teknik lignin türleri arasındadır.

Projede işbirliği yapan CanmetENERGY'den elde edilen farklı kâğıt hamuru süreçlerinden kaynaklanan teknik lignin atığının değerlendirilmesi, arşatırmacıların ham madde fiyatı veya verim gibi yukarı yönlü maliyetlerin süreçte aşağı yönlü ekonomiyi nasıl etkileyeceğini düşünmesine olanak sağladı. Analiz, verimin tesis ekonomisinde önemli bir rol oynadığını gösterdiği gibi düşük sermaye maliyetleri ve değerli yan ürünlerin üretilmesi nedeniyle de geliştirilmiş bu yeni ve düşük basınçlı sürecin gelenekselden daha düşük maliyetli olduğunu gösterdi.

Araştırmacılar ayrıca malzeme üretiminden ne kadar sera gazı (örneğin karbondioksit) emisyonunun ortaya çıktığını anlamak için bir yaşam döngüsü değerlendirmesi yaptı. Her adımda maliyetleri iyi bir şekilde ele almak, araştırmacıların süreci ve malzeme tedarik zinciri altyapısını optimize etmenin yollarını keşfetmelerine yardımcı olabilir.

“Farklı türde plastikler yapmak için yenilenebilir kaynakları kullanma konusunda çok fazla potansiyel olduğunu gösteriyor. Fosil yakıtları kullanmak zorunda değilsiniz, yenilenebilir kaynaklardan elde edilen plastikler de ekonomik olarak mümkün olabilir.”

Makale: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj7523