Tek kullanımlık ambalaj malzemeleri; Biyobozunur polimerler ve Biyoplastikler
Tek kullanımlık ambalaj malzemelerinin kullanımda yenilenebilir kaynaklara olan ilginin artması ve tüketicilerin bilinçlenmesi ile petrol türevli polimerik malzemeler yerini biyobozunur ambalaj malzemelerine bırakmaktadır.
Ambalaj malzemesinin bulunduğu ortamda (toprak, deniz vb.) fiziksel ve kimyasal etkilere maruz kalmasının yanında önemli ölçüde mikroorganizmaların etkisiyle biyobozunurluğu gerçekleşir. Biyobozunurluk petrol türevli sentetik polimerlere çeşitli katkılar ilave edilerek sağlananabildiği gibi biyobozunur polimerler kullanılarakta sağlanabilmektedir. Sentetik polimerlere ilave edilen metal içerikli katkılar ile üretilen ambalaj toprakta ve denizde parçalandığında metal birikimine yol açar. Biyobozunur polimer veya biyoplastik hammaddeden üretilen tek kullanımlık ambalaj malzemelerinde ise herhangi bir çevre kirliliği meydana gelmez.
Biyobozunur polimerlerin bu çevreci özelliğinin yanında nem bariyer özellikleri düşüktür. Biyobozunur polimerlerin düşük nem bariyer özellikleri aşağıdaki uygulamalar ile geliştirilebilmektedir;
• Biyo-esaslı ambalaj malzemelerinin yüzeyinin mumlar, poliester, yağ asidi ester türevleri gibi hidrofobik malzemelerle kaplanması
• İnorganik dolgularla çapraz bağlama veya neme dayanıklı malzemelerle karışım yapma ya da katkı olarak doğal elyaflar kullanılması
Biyobozunur polimer ile biyoplastik terimi arasında az da olsa bir farklılık vardır. Her biyobozunur polimer biyoplastik olarak isimlendirilir fakat her biyoplastik biyobozunur polimer özelliği göstermez. Örneğin biyo-polietilen, fermentasyon ile üretilen etil alkol monomeri kullanılarak kimyasal sentez ile üretilir. Biyo-polietilen biyoplastik olarak isimlendirilir ama biyobozunur polimerler sınıfına dahil değildir.
Ticari olarak kullanılan tek kullanımlık biyobozunur ambalaj malzmelerinin en önemlileri nişasta temelli polimerler, poli(laktik asit) (PLA), polihidroksialkanoatlar (PHA) ve selüloz türevleridir.
Selüloz, (b-1-4) bağları ile birbirine bağlanmış glikoz monomerlerinin lineer uzun zincirlerinden oluşmuş doğal polimerdir. Selülozun işlenmesi zor olduğundan daha kolay işlenebilir hale getirmek için endüstride selüloz türevleri halinde kullanılır.
Selüloz türevleri;
- Metil selüloz (MC)
- Karboksimetil selüloz (CMC)
- Hidroksipropil selüloz (HPC)
- Hidroksipropil metilselüloz (HPMC)
- Selüloz asetat (CA)
- Selüloz asetat propiyonat (CAP)
- Selülozasetat bütirat (CAB) gibi selüloz esterlerini içermektedir.
Selüloz yüksek mekanik dayanım, yüksek kristalinite ve yüksek saflıkta nano-elyaf ağ yapısı gibi mükemmel özellikleri nedeniyle birçok uygulama için umut vaad eden bir polimerdir.
Nişasta, glikoz monomerlerinin α-1,4 ve α-1,6 glikozidik bağlarıyla bağlanmasıyla oluşan dallanmış biyobozunur bir polimerdir. Nişasta plastikleştiriciler yardımıyla işlenebilir hale getirilerek Termoplastik nişasta (TPS)’ya dönüştürülür. Nişasta ve TPS’nin termomekanik özellikleri zayıftır. Bu zayıf mekanik özellikleri ve termal direnci liflerinin eklenmesiyle arttırılmaktadır. Bu uygulamalarda, TPS/Biyocam, PLA/Nişasta, Protein nişasta esaslı filmler, Nişasta/kauçuk, bakteriyel selüloz fiber takviyeli nişasta ve maleatlanmış polikaprolakton/nişasta kullanılmaktadır.
Poli(laktik Asit) (PLA) yarı kristalin özellikte ve düşük termal dayanıklılığa sahip bir biyoplastiktir. PLA mekanik olarak incelendiğinde, zincir yapısı yönlendirilmemiş PLA oldukça kırılgan olur ancak iyi mukavemete ve sertliğe sahiptir. Zincir yapısı yönlendirilmiş PLA ise yönlendirilmiş polistirenden daha yüksek performans sergilerken, polietilen tereftalat (PET)’e yakın değerlere ulaşır. PLA, petrol esaslı sentetik termoplastik polimerlerin yerini alabilecek mekanik ve gaz geçirgenliği özelliklerine sahiptir.
PLA esaslı ürünler enjeksiyon kalıplama, termoform, baskı kalıplama, ekstrüzyon, ve film şişirme gibi birçok teknikle üretilebilmektedir. Kullanım oranına göre prosesteki PLA’nın D- ve L- izomerlerinin oranı ciddi önem taşır. PLA kullanılarak üretilen tüketici ürünlerine örnek olarak; giyim eşyaları, çatal, bıçak, tabak, tepsi, bardak gibi mutfak eşyalarını, yiyecek ve içecek ambalajlama malzemeleri verilmektedir.
Şekil 1. Biyobozunur ambalajların yaşam döngüsü
Şekil 1’de yenilenebilir kaynaklardan elde edilen biyobozunur polimerlerin kullanılmasıyla üretilen ambalaj malzemelerinin yaşam döngüsü gösterilmektedir (Senka, 2018).
Kitin; yengeç, istakoz, karides gibi kabuklu deniz canlılarında, mantarlarda ve böceklerin kabuklarında bulunan doğal bir makromoleküldür. Kitinin kimyasal yapısı selüloza benzer. Selülozdan sonra dünyamızda bulunan en bol polimerdir. Ayrıca azot içerikli en bol bulunan polimerdir. Kitosan ise kitinin deasetillenmesi ile elde edilir. Kitosan, katyonik özellikte bir polielektrolit olması bakımında da eşsiz özellik taşır. Selülozda ikinci karbon atomuna bağlı hidroksil(-OH) grubu bulunurken, kitinde asetamin (-NHCOCH3) kitosanda ise amin (-NH2) grubu bulunmaktadır.
Polihidroksialkanoatların (PHA) ilk üyesi olan polihidroksibütirat (PHB) ve kopolimerleri termoplastik poliesterlerdir. PHA’ların mekanik özellikleri polietilen, polipropilen vs. gibi bazı geleneksel plastiklere benzemektedir. PHB’in daha kırılgan olması ve solventlere dayanıksız olması dışında, polipropilene daha yakın özelliklere sahiptir. Düşük su buharı geçirgenliği gibi gıda ambalajlama endüstrisi açısından önemli olan bir özelliği ile de, düşük yoğunluklu polietilene benzemektedir. PHB’ın kopolimerler ise daha esnektir ve daha düşük erime sıcaklığına sahip olduğundan, preslenmiş ürünlerin imalatında kullanılmaları daha uygundur.
Biyobozunur polimerler ambalaj malzemesi olarak geleneksel petrol türevli ambalaj malzemelerine benzer özellikler sergilenmektedirler. Zayıf olan termomekanik özellikleri de lifler ile takviye edilmektedir. Biyobozunur polimerlerin özellikle tek kullanımlık ambalaj malzemesi olarak kullanımlarına olan ilgi gün geçtikçe artmaktadır. Biyobozunur polimerler, hammaddenin ithal olması nedeniyle ürünler pahalıdır. Atıklar kullanılarak biyobozunur hammaddenin ülkemizde üretilmesi maliyetleri düşürecek ve biyobozunur polimerlerden üretilen bu ürünlerin kullanımını arttıracaktır.
Kaynaklar
1.Biodegradable polymers for industrial applications, Edited by Ray Smith, CRC, 2000.
2.Çelebi, M. Biyobozunur Polimerler ve Uygulamaları Ders Notu, Yalova Üniversitesi, 2018.
3.Koller, M., “Biotechnological polymer syntesis”,Food technol. Biotechnol, 2010, 48 (3): 255-259.
4.Pilla, E.S., Hand Book Of Bioplastics And Biocomposites Enginnering Applications, Wiley and Sons,2011, USA.
5.Senka Z. Popovic, Vera L. Lazic, Nevena M. Hromiš, Danijela Z. Šuput, Sandra N. Bulut Biopolymers for Food Design A volume in Handbook of Food Bioengineering, Chapter 8; Biopolymer Packaging Materials for Food Shelf-Life Prolongation, Academic Press, 2018, 223-277.
Mithat ÇELEBİ 1,2
1 Polimer Mühendisliği Bölümü, Mühendislik Fakültesi, Yalova Üniversitesi, Yalova, 77200
2 Mitosan Biyoteknoloji Ltd. Şti.,
