Biyoplastik

Biyoplastikler, yenilenebilir bitkisel biyokütleden (örneğin mısır nişastası, şeker kamışı, selüloz gibi) elde edilen veya biyolojik olarak parçalanabilen plastik malzemeleri tanımlayan bir kavramdır. Bir plastik malzeme biyobazlı veya biyobozunur ya da her ikisine birden sahipse biyoplastik olarak kabul edilir. Geleneksel petrol temelli plastikler dayanıklı ve hafif olmalarına rağmen çevre için ciddi sorunlar yaratmaktadır. Her yıl yaklaşık 300 milyon ton plastik üretilmekte ve bu plastikler doğada yüzlerce yıl boyunca bozulmadan kalabilmektedir. Bu birikim denizlerde ve karada kirliliğe, yaban hayatı üzerinde zarara (1500’den fazla türün plastikleri yediği bilinmektedir) ve mikroplastik oluşumuna yol açmaktadır. Ayrıca plastik üretimi fosil yakıt tüketimini ve sera gazı emisyonlarını artırmaktadır. 2019 yılında plastik üretimi, küresel sera gazı emisyonlarının %3,4’ünü oluşturmuştur. Sonuç olarak sınırlı petrol rezervleri ve artan çevre bilinci, endüstriyi biyoplastiklere yönlendirmiştir.

Tarihçe

Biyoplastik fikri, gerçekte 19. yüzyıl ortalarına kadar uzanır. 1862’de İngiliz kimyager Alexander Parkes, bitkisel selülozdan Parkesine adını verdiği ilk sentetik plastik benzeri malzemeyi geliştirmiştir. 1897’de Almanya’da üretilen Galalith adlı biyobozunur plastik ise süt proteini (kazein) temelli ilk gerçek biyoplastiklerden biridir. 1926’da Fransız bilim insanı Maurice Lemoigne, bakterilerden Polyhydroxybutyrate (PHB) üreterek ilk mikroorganizma kökenli biyoplastikleri tanıtmıştır. 1930’larda Henry Ford, soya fasulyesi bazlı biyoplastikler kullanarak otomobil parçaları üretmiştir. Ancak petrokimya devrimi ve petrol bolluğu bu tür girişimleri geriletmiştir.

1970’lerde petrol kriziyle birlikte biyoplastiklere tekrar ilgi artmıştır. 1983’te İngiltere’de Imperial Chemical Industries (ICI) ve ortakları, bakterilerden Biopol adlı PHB bazlı biyoplastik üreten ilk biyoplastik şirketini kurmuştur. 2001’de NatureWorks (Cargill-Dow ortak girişimi) ilk büyük ölçekli PLA (polilaktik asit) üretim tesisini ABD’de işletmeye açmıştır. Böylece nişasta kökenli PLA ticari hale gelmiş, PHB üretimi ise Metabolix ve Tepha gibi şirketlerce devam etmiştir. 2000’li yıllarda ABD, Avrupa ve Asya’da birçok firma PBS, PBS-DLA gibi yeni biyoplastikler geliştirmiştir. Bugün her geleneksel plastik türüne karşılık bir biyoplastik alternatifi arayışı devam etmektedir.

Geleneksel Plastiklerden Farkı

Biyoplastikler ile geleneksel (petrol bazlı) plastikler arasında birkaç önemli fark vardır. Öncelikle hammadde kaynağı bakımından; biyoplastikler yenilenebilir tarımsal ürünlerden (mısır, şeker kamışı, patates nişastası, selüloz, bitkisel yağlar vb.) elde edilirken, geleneksel plastikler petrol veya doğal gaz gibi fosil yakıtlardan üretilir. Bu da biyoplastiklerin fosil kaynaklara bağımlılığı ve üretimden kaynaklanan karbon ayak izini azaltır. İkinci olarak biyobozunurluk açısından biyoplastiklerin çoğu biyolojik süreçlerle çözünebilir niteliktedir. Örneğin endüstriyel kompostlama koşullarında biyobozunur kabul edilen biyoplastiklerin %90’ının 12 hafta içinde ayrışması beklenir. Oysa geleneksel plastikler genellikle 100–1000 yıl arasında çok uzun süre ortamda kalmakta ve mikroplastiklere dönüşmektedir. Üçüncüsü, karbon ayak izi bakımından yaşam döngüsü analizleri biyobazlı plastikların geleneksel muadillerine göre önemli ölçüde daha düşük sera gazı etkisine sahip olduğunu göstermektedir. Dördüncüsü, maliyet ve yaygınlık açısından biyoplastikler hâlihazırda geleneksel plastiklere göre daha pahalıdır. PLA gibi biyoplastikler, benzer özellikli petrokimya plastiklere kıyasla %20–50 civarı daha yüksek maliyetle üretilmektedir. Sonuçta biyoplastikler toplam plastik üretiminin henüz çok küçük bir payını oluşturmaktadır.

Üretim Yöntemleri

Biyoplastiklerin üretiminde kullanılan yöntemler hammaddelere ve polimer türüne göre çeşitlidir:

• Selüloz bazlı biyoplastikler: Selüloz asetat ve selüloz nitrat gibi malzemeler selülozun kimyasal modifikasyonu ile üretilir. Örneğin ağaç veya pamuk selülozu asetil anhidrit ile esterleştirilerek asetat film veya lif (filtre kâğıdı, film tabanı) elde edilir.

• Mikrobiyal kökenli biyoplastikler (PHA/PHB): Polyhydroxyalkanoate (PHA) sınıfı biyopolimerler bakteriler tarafından fermente edilerek elde edilir. Örneğin Ralstonia eutropha gibi bakteri türleri aşırı karbon kaynağı (şeker) varlığında PHB biriktirir. Endüstriyel üretimde şeker veya nişasta kaynaklı kökenlerden beslenen bu bakteriler fermentasyon tanklarında büyütülür; ortamdan PHB biyomalzemesi ayrıştırılıp saflaştırılır.

• Nişasta bazlı biyoplastikler (TPS, PLA): Nişasta bazlı termoplastikler (TPS) genellikle nişasta ile gliserol veya sorbitol gibi plastikleştiricilerin mekanik karışımıyla üretilir. PLA üretiminde ise nişasta kaynaklı şekerlerin fermantasyonu ile elde edilen laktik asit, kimyasal polimerizasyonla PLA’ya dönüştürülür.

• Diğer yöntemler: Deniz yosunu, lignoselülozik atıklar veya bitkisel yağlar gibi kaynaklardan agar, alginat veya biyopoliesterler gibi farklı biyoplastikler üretilebilir.

Biyoplastik Çeşitleri ve Özellikleri

• PLA (Polilaktik Asit): Laktik asit monomerlerinden elde edilen alifatik poliesterdir. Şeffaf, sert ve nispeten kırılgandır. Gıda ambalajı, tekstil ve 3D baskı alanlarında kullanılır.

• PHB (Polihidroksibütirat): Bakteriyel fermentasyonla üretilir. Yarı-kristalin yapılı, biyobozunur ve medikal uygulamalarda tercih edilen bir polimerdir.

• TPS (Termoplastik Nişasta): Nişasta ve plastikleştiricilerle elde edilen, düşük maliyetli ve tamamen biyobozunur bir plastiktir. Torba ve ambalaj üretiminde yaygındır.

• PBS (Polibütilen Süksinat): Kimyasal kondenzasyonla elde edilen, esnek ve dayanıklı bir biyoplastiktir. Tarım örtüleri ve ambalaj malzemesi olarak kullanılır.