Biomedya - Biyoteknoloji & Yaşam Bilimleri

Profesör Thomas H. Epps, III liderliğinde Delaware Üniversitesi’den araştırmacılar ve CanmetENERGY'den işbirlikçilerden oluşan bir ekip, biyokütleyi yeni ürünlere dönüştürmenin yollarını ararken tam da bu tür ekonomiyi akıllarında tutuyorlar. Örneğin lignini ele alalım. Lignin, bitki örtüsünün Doğa Ana'nın yoluna koyduğu şeylere dayanmasına yardımcı olmak için güç ve sertlik sağlayan bitki ve ağaçların bir bileşenidir.

Kâğıt hamuru ve kâğıt endüstrisinde ise lignin, kâğıt ürünlerinin yapımından arta kalan bir atıktır. Teknik lignin olarak bilinen bu tür lignin, kirlinin en kirlisi olarak kabul edilir, ısı için yakmak veya lastiklere dolgu maddesi olarak eklemek dışında kullanılamayan bir şeydir.

Delaware Üniversitesi araştırmacıları, dünya çapında kâğıt hamuru ve kâğıt fabrikalarında her yıl yaklaşık 100 milyon ton teknik lignin atığı üretilen bu geniş çapta mevcut kaynağın çok daha değerli olabileceğini söylüyor.

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

Delaware Üniversitesi NSF GCR çalışmalarını yöneten ve Allan ve Myra Ferguson Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği alanında seçkin bir profesör olan Epps, "Teknik lignin gibi bir şeyi alıp sadece parçalayıp faydalı bir ürüne dönüştürmekle kalmayıp, aynı zamanda bunu petrol malzemelerinden daha düşük bir maliyetle ve çevresel etkiyle yapmak, kimsenin gerçekten başaramadığı bir şey.” dedi.

Ligninin yükseltilmesiyle ilgili temel sorunlardan biri, bunu yapmak için yapılan işlemlerin çoğunun çok yüksek basınçlarda çalışması, pahalı ve ölçeklendirilmesi zor olmasıdır. Mevcut endüstriyel tekniklerin başlıca dezavantajları, işlemde kullanılan geleneksel solventler, sıcaklıklar veya basınçlarla ilişkili güvenlik endişeleri, sermaye maliyetleri ve enerji tüketimini içerir. Bu zorlukların üstesinden gelmek için araştırma ekibi, ligninin dekonstrüksiyonunda 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-bazlı ürünler yapmak için kullanılabilecek kimyasal yapı taşlarına ayırmaya yardımcı olur.

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 yol açtı.

Atmosferik basınçta çalışmak daha güvenlidir. Aynı derecede önemli olan, aynı zamanda küçük partilerin ötesine ölçeklendirmek ve süreci sürekli olarak yürütmek, daha ucuz ve daha hızlı bir süreçte daha az işçilikle daha fazla malzeme yaratmak için basit bir yol sağlar.

Sürecin tekrarlanabilir ve tutarlı olacak şekilde geliştirilmesi yaklaşık bir yıl sürdü ve makalenin yardımcı yazarlarından Paula Pranda da dahil olmak üzere lisans öğrencilerinin katkılarını içeriyordu.

Colorado Üniversitesi, Boulder'da doktora öğrencisi olan Pranda, sürecin optimize edilmesine yardımcı oldu. Ayrıca ekibin ne tür ürünler yaratabileceğine dair mevcut veri setlerini araştırdı ve bu malzemelerin fiziksel özelliklerini tahmin etti. Bu, Profesör Marianthi Ierapetritou'nun grubunda kimya mühendisliği doktora öğrencisi olan ortak yazar Yuqing Luo'nun sistemi ekonomik olarak uygulanabilir olup olmadığını görmek için modellemesine izin verdi.

Luo'nun çalışması, UD ekibinin düşük basınç yönteminin, yüksek basınçlı işleme kıyasla yumuşak ağaç Kraft lignininden biyo-bazlı 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.

Pranda için, çalışmalarının maliyetini anlamak için kimyasal süreçleri modellemeye odaklanan Luo gibi kendi uzmanlık alanı dışındaki öğrenci akranlarıyla iş birliği yapmak aydınlatıcıydı.

Pranda, "Daha önce hiçbir iş birliğinin parçası olmamıştım ve bu diğer kimya mühendisliği alanlarının nasıl çalıştığına dair fikir edindim." dedi.

Epps laboratuvarında doktora öğrencisi ve makalenin baş yazarı Robert O'Dea'ya göre, Luo'nun ekonomik modelleme katkıları, bu araştırma hattını takip edip etmeyeceğimizi bilmenin anahtarıydı.

O'Dea;"Fiziksel olarak yapabileceğimizi biliyorduk, ancak bunu kimyasal tesis ölçeğinde yapmanın gerçekten finansal bir anlamı olup olmadığını bilmemiz gerekiyordu. Yuqing'in analizi öyle olduğunu gösterdi" dedi.

Kanada'daki proje işbirlikçisi CanmetENERGY'den elde edilen farklı kâğıt hamuru proseslerinden kaynaklanan teknik lignin atığının değerlendirilmesi, Luo'nun hammadde fiyatı veya verim gibi yukarı yönlü maliyetlerin proseste aşağı yönlü ekonomiyi nasıl etkileyeceğini düşünmesine olanak sağladı.

Analiz, verimin tesis ekonomisinde önemli bir rol oynadığını gösterse de düşük sermaye maliyetleri ve değerli yan ürünlerin üretilmesi nedeniyle yeni, düşük basınçlı prosesi çalıştırma maliyeti, her durumda geleneksel prosesten önemli ölçüde daha düşüktü. Epps grubundan ve Profesör Dionisios Vlachos'un araştırma grubundaki meslektaşlarından, sürecin geliştirilmesinde yer alan araştırmacıların şu anda ortam basıncı süreciyle ilgili bekleyen bir patenti var.

Luo 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.

Luo, “Sadece sürecin maliyetlerini değil, aynı zamanda tüm operasyondaki çevresel etkileri de daha büyük resmi yakalamaya çalışıyorduk.” şeklinde aktardı.

Öğrenci iş birliği, NSF GCR programı kapsamında UD'de malzeme yaşam döngüsü yönetimi çalışmasına katılan öğretim üyeleri ve öğrenciler arasındaki toplantılardan doğdu. 

Epps;"NSF GCR programı, bizi malzeme bilimi ve çevresel etkiler gibi konuları aynı anda ele almaya teşvik ettiği için, doğal olarak yüksek etkili işler yaratıyor. Bu nedenle, disiplinler arası iş birliği sayesinde aynı anda birden fazla darboğazın ve engelin üstesinden geliyoruz.” dedi.

Peki ya UD tarafından geliştirilen yöntemin atıkları değerli ürünlere dönüştürme potansiyeli? 

Sözlerine devam eden Pranda; “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.” dedi.

Makale:science.org