Alglerden Biyoplastik Üretimi
Özet
Plastik malzemelere yönelik artan küresel talep, doğada ciddi plastik atık kirliliğine neden olmuştur. Bu kritik sorun hem deniz yaşamını hem de çevreyi olumsuz etkilemektedir. Plastik kirliliğini azaltmak için yapılan işlemler örneğin; plastik geri dönüşümü, yakma ve depolama ve kimyasal işlemler çözüm olmamaktadır. Bu nedenle sürdürülebilir, toksik olmayan, biyolojik olarak parçalanabilen, petrol bazlı plastiklerin yerini alabilecek çevre dostu plastikler üretilmelidir. Algler, özellikle mikroalgler, gıda kaynaklarıyla rekabet etmedikleri, atık kaynaklarda büyüme yeteneğine sahip oldukları ve yüksek değerli ürünler sağlayabildikleri için biyoplastik üretiminde potansiyel olarak iyi bir kaynaktır. Ayrıca, mikroalglerden biyoplastik üretimi daha sürdürülebilir bir çözüm sunarak hem döngüsel ekonomiye hem de biyoekonomiye katkıda bulunabilir. Ek olarak, alglerden üretilen biyoplastikler, petrol bazlı plastiklerle aynı özelliklere sahip olmakla birlikte, doğada biyolojik olarak parçalanabilir olmaları sayesinde petrol bazlı plastiklere üstünlük sağlarlar. Bu derleme, biyolojik esaslı kaynaklardan, özellikle alglerden türetilen biyoplastikler, üretim yaklaşımları ve sınırlamaları hakkında yeni bir bakış açısı sunmaktadır.
Anahtar kelimeler: biyoplastik, mikroalg, biyobozunur
Abstract
The increasing global demand for plastic materials has caused a serious pollution of plastic in the environment. This critical problem adversely affects both marine life and the environment. Actions taken to reduce plastic pollution, for instance; plastic recycling, incineration and storage and chemical processes are not solutions. Therefore, sustainable, non-toxic, biodegradable, environmentally friendly plastics that can replace petroleum-based plastics must be produced. Algae, especially microalgae, are potentially a good source for the production of bioplastics, as they do not compete with food sources; have the capability to grow in waste waters, and can ensure high-value products. Moreover, bioplastic production from microalgae can contribute to both the circular economy and the bioeconomy by providing a more sustainable solution. In addition, algae-based bioplastics have the same properties as petroleum-based plastics, but are superior to petroleum-based plastics by being biodegradabable in nature. This review offers a new perspective on bioplastics derived from biobased sources, especially algae, their production approaches and limitations.
Key words: bioplastic, microalgae, biodegradable
Giriş
İnsan yaşamının hemen her alanında kullanılabilen plastikler, genellikle petrol bazlı kaynaklardan elde edilen, moleküler ağırlığı yüksek, uzun moleküler zincirli sentetik veya yarı sentetik organik polimerlerdir [1]. Plastiklerin düşük maliyet, dayanıklılık, işlenebilirlik, esneklik ve sağlamlık gibi avantajlı özellikleri ve ev ürünlerinden tıbbi cihazlara, inşaattan ambalajlamaya kadar birçok alanda uygulanabilirliği sayesinde plastik tüketimi artarak devam etmektedir [1,2,3]. Bu yüksek tüketim, plastik üretiminde artışa neden olmaktadır. Yıllardır çok fazla plastik üretilmesine rağmen, plastik atıkların neden olduğu bertaraf problemlerinin üstesinden gelmek için henüz etkin bir yöntem uygulanamamıştır [2]. Plastiklerin geri dönüşüm oranı düşüktür ve çoğu çöplüklere atılmaktadır. Plastikler biyolojik olarak parçalanamazlar ve tamamen parçalanıncaya kadar uzun yıllar sonucunda atık olarak çevrede birikirler. Deniz organizmaları tarafından yutma sırasında kolayca alınabilen sentetik veya yarı sentetik kökenli lifler veya parçacıklar mikroplastikler olarak adlandırılır [3].
Şu anda, dünyanın organik kimyasallarının ve enerjisinin çoğu fosil yakıtlardan elde edilmektedir. Fosil yakıt kaynaklarının plastik üretimi için mevcut kullanım oranı devam ederse, bu kaynakların yaklaşık 2050 yılına kadar önemli ölçüde azalacağı tahmin edilmektedir [4]. Bu nedenle sürdürülebilir üretim için yenilenebilir kaynaklara ihtiyaç duyulmaktadır. Geleneksel plastikler fosil kaynaklarının tükenmesine, sera gazı emisyonlarına, iklim değişikliğine ve küresel ısınma gibi sorunlara yol açabilir [2,4,5,6]. Belirtilen tüm nedenlerden dolayı plastik üretimi için biyolojik olarak parçalanabilen, çevre dostu, sürdürülebilir alternatif hammaddelere ihtiyaç ortaya çıkmıştır.
Biyoplastikler
Bitki, alg ve bakteri gibi yenilenebilir biyolojik kaynaklardan elde edilen ve geleneksel plastiklere biyolojik olarak parçalanabilen bir alternatif sunan plastiklere biyoplastik denir [4,5]. Topraktaki bakteri ve mantar gibi mikroorganizmalar tarafından parçalanabilen biyoplastikler, doğal hammaddelerden herhangi bir toksik madde bırakmadan elde edildikleri için fosil yakıt bazlı plastiklere üstünlük sağlamaktadır [1,5]. Örneğin, biyoplastiklerin toksik olmayan kimyasal, daha kolay ve hızlı geri dönüşüm, fosil yakıt rezervlerinin daha az kullanılması, üretimi için daha az enerji harcanması ve yenilenebilir kaynakların kullanılması, sürdürülebilir ve çevre dostu olması gibi birçok avantajı vardır [2,4,5]. Ayrıca fosil kökenli plastiklerle aynı işlevleri sağlayabilirler [1]. Biyoplastiklerin üretilmesinde farklı özelliklere sahip çeşitli malzemeler kullanılmaktadır.
Biyoplastikler; biyobazlı ancak biyolojik olarak parçalanamayan plastikler (polipropilen (PP), polietilen (PE), polietilen tereftalat (PET) ), biyobozunur fosil kaynaklı plastikler (polibütilen adipat tereftalat (PBAT)), biyobazlı ve bozunabilir plastikler (polilaktik asit (PLA), selüloz, nişasta ve polihidroksialkanoat (PHA)) olarak temelde üç gruba ayrılır [7].
Biyoplastik üretiminde mısır, patates ve buğdaydan elde edilen nişasta, süt proteinleri, soya proteinleri, tarımsal gıda ve yem bitkisi artıkları, odun ve biyokütle içeren diğer atık maddeler ağırlıklı olarak kullanılmaktadır [2,5,7]. Bununla birlikte, bu hammaddeler çeşitli zorluklara yol açmaktadır. Birincil kısıtlama, biyokütle kaynağının gıda ve yem uygulamaları ile rekabete girmesi ve bu tarım bitkilerinin yaşam döngüleri boyunca büyük miktarlarda petrol ürünleri tüketmesidir. Ayrıca bu hammaddeler çok miktarda gübre, verimli toprak ve sulama suyu gerektirir [8].
Biyoplastik üretiminde iyi bilinen ve yaygın olarak kullanılan bir diğer kaynak ise bakterilerdir. Çoğu bakteri türü, hücrelerinde karbon ve enerji kaynağı olarak hücre içi polihidroksialkanoat (PHA) granülleri üretir. PHA'ların üretimi için kullanılan önemli bakteri suşlarından bazıları Klebsiella aerogenes rekombinantları, Bacillus megaterium ve Pseudomonas aeruginosa'dır [5]. Polihidroksialkanoat, biyolojik olarak sentezlenmiş bir plastiktir ve sentetik plastiklere benzer fiziksel özellikleri nedeniyle büyük ilgi görmektedir. PHA, yenilenebilir kaynaklardan üretilir ve atıldığında mikroorganizmalar tarafından parçalanır [9]. Bakterilerden biyoplastik üretiminde kontaminasyon riski, kültürlerinde belirli koşullara ihtiyaç duyulması, özel aparat ve altyapı, üretimi kısıtlayan faktörlerdir [7].
Biyoplastik üretiminde yukarıda bahsedilen kaynakların sınırlamalarını aşmak ve dünyanın gıda ve çevre güvenliğini sağlamak için algler sürdürülebilir bir alternatif kaynak olarak büyük ilgi görmektedir. Algleri bu kadar ilgi çekici kılan özellikleri arasında besin kaynaklarıyla rekabet etmemesi, bol miktarda biyokütle oluşturması, hızlı büyümesi, hasat süresinin kısa olması, değeri yüksek mahsullerin çıkarılabilmesi ve ekilebilir olmayan arazilerde bile yetiştirilebilmesi sayılabilir [2,4,5,10].
Algler
Algler, denizlerde, göllerde, nehirlerde, toprakta, hayvanlarda ve bitkilerde (simbiyotik olarak), kısacası dünyanın her yerinde bulunan klorofil içeren fotosentetik organizmalardır. Besin zincirinin önemli bir parçasını oluştururlar. Küçük, tek hücreli türlerden karmaşık çok hücreli türlere kadar uzanır [11,12].
Alg grupları birbirleriyle karşılaştırıldığında sitolojik, morfolojik, biyokimyasal özellikler, üreme yöntemi ve yaşam döngüsü açısından aralarında farklılıklar olduğu görülmektedir [12]. Algler yapısal olarak mikroalgler ve makroalgler olarak iki ana gruba ayrılır. Makroalgler (deniz yosunları) yeşil algleri, kırmızı algleri ve kahverengi algleri içerir ve genelde kıyı bölgelerde bulunurlar. Mikroalgler, diatomlar, yeşil ve sarı-kahverengi flagellatlar, dinoflagellatlar ve mavi yeşil algler gibi organizmaları içeren hem bentik hem de planktonik habitatlarda bulunan alg türleridir [13]. Mikroalgler, deniz besin zincirinin temelini oluşturan ve okyanus verimliliğinde önemli bir role sahip olan fotosentetik organizmalardır [11].
Algler, fikobiliproteinler, karotenoidler, enzimler, klorofil, karbonhidratlar, proteinler, lipidler, selüloz, nişasta, antioksidanlar gibi biyolojik olarak aktif, doğal, değerli moleküllerin önemli bir kaynağı olarak kullanılır [4,14,15]. Fotosentetik deniz yosunları, güneş enerjisi kullanarak karbondioksiti yakalama ve sabitleme ve deniz suyunda yetişerek tatlı su kullanımını en aza indirme özelliklerine sahiptirler. Bu özellikler sayesinde biyo-ürün üretiminde dikkat çekici hedeflerdir. Ek olarak, deniz yosunları, sekonder metabolit üretebilme yeteneğine sahip olmaları nedeniyle terapötik ilaçlar için büyük ilgi ile araştırılmaktadır [15].
Tüm bu özellikleri sayesinde algler, biyoyakıt (biyodizel, biyogaz vb.), kozmetik, hayvan yemi, gıda, gübre, nutrasötikler, ilaç ve biyoplastik üretimi gibi birçok uygulama alanına sahiptir [3].
Algal Biyoplastikler
Algal biyoplastikler, toksik olmayan, plastik kalitesini iyileştirebilen, fosil yakıtların kullanımını azaltabilen ve petrol bazlı plastiklerin aşırı kullanımının olumsuz çevresel etkilerini en aza indirebilen umut verici bir alternatiftir.
Algler, insan tüketimi için üretilen gıda ile rekabet etmez, zorlu çevre koşullarına tolerans gösterir, atık suyu iyileştirebilir ve biyokütle üretimi için besin kaynağı olarak karbondioksit kullanabilir. Alg bazlı plastik, karbondioksiti yakalayabilir ve kalıcı olarak depolayabilir. Böylece karbondioksit atmosfere geri salınmayacaktır. Bu da sera etkisini azaltacaktır [2,5].
Alg biyokütlesi, biyoplastik bileşenlerden biri olarak kullanılabilen protein ve polisakkaritlerden oluşur. PHA, PHB, selüloz, nişasta ve protein bazlı polimerler, biyolojik olarak parçalanabilen plastikler geliştirmek için kullanılan alg biyokütle bileşiklerinin bazı örnekleridir. PHA, enzimatik olarak bozunabileceğinden, biyoplastik üretimi için en çok tercih edilen bileşendir. Ayrıca, yakın zamanda bir PHA türü olan PHB, oksijen için iyi bariyer özelliği sayesinde biyoplastik üretmek için yeni bir polimer olarak ortaya çıkmıştır [2,5]. Alglerden elde edilen polisakkaritler, gerek fermantasyon yoluyla gerekse diğer biyopolimerlerle formüle edilerek biyoplastik üretiminde kullanılabilir [10].
Mikroalgler, gıda kaynaklarıyla rekabet etmedikleri, atık kaynaklarda büyüme ve basit yetiştirme kabiliyetine sahip oldukları, minimum besin maddesi gerektirdiği ve yüksek değerli mahsuller sağlayabildikleri için potansiyel olarak biyoplastik üretiminde daha iyi bir biyokütle kaynağı olabilir [3,10]. Ayrıca mikroalglerden biyoplastik üretimi daha sürdürülebilir olarak döngüsel ekonominin yanı sıra biyoekonomiye de katkıda bulunabilir [10]. Biyoplastikler, ambalaj, tekstil, elektrik-elektronik, tarım ve bahçecilik, tüketim ürünleri, ilaçlar, boyalar ve yapıştırıcılar gibi birçok alanda kullanılabilir [10,16].
Biyoplastik üretiminde kullanılan bazı alg türleri Tablo 1'de verilmiştir. Mikroalglerden biyoplastik üretimi ile ilgili araştırmalar şu üç yaklaşımı içermektedir [10]:
(1) Mikroalg-polimer karışımları: Mikroalg biyokütlesi, kullanım ömrünü uzatmak, mekanik performanslarını geliştirmek ve özelliklerini iyileştirmek için polimerler, petrol plastikleri veya doğal ürünler gibi diğer malzemelerle karıştırılabilir.
Alg biyokütlesi, örneğin PLA, protein, PHA, nişasta ve selüloz gibi harmanlama malzemeleri sağlayabilir. Biyoplastiklerin hem fiziksel hem de kimyasal özellikleri, plastik ürünleri diğer malzemelerle karıştırarak geliştirilebilir [10, 17].
(2) Biyorafineri ile mikroalg biyoplastiklerinin işlenmesi: Mikroalg biyobazlı ürün üretimi, bir biyorafineri yaklaşımı sayesinde sistemin maliyetinin düşürülmesini sağlar. Bu nedenle, mikroalg biyo-bazlı ürünler maliyeti düşürmeye yardımcı olur [10,17].
(3) Biyopolimer üreten mikroalg suşlarının oluşturulması için genetik mühendisliği yaklaşımı: Termoplastik ve biyolojik olarak parçalanabilen polyester olan PHB gibi bileşikleri sentezlemek üzere biyoplastik üretimi için alg türlerini değiştirmenin umut verici bir yolu olduğu bulunmuştur. Alglerden PHB üretimi, genetik mühendisliği ile uygulanabilir hale getirilebilir [2,10,17].
Bitkiler, ökaryotik hücreler ve diğer karmaşık organizmalarla karşılaştırıldığında, algler genetik olarak daha basittir ve genetik mühendisliği prosedürünü kolaylaştırır. Bununla birlikte, genetik modifikasyon işlemi, binlerce mutantın istenen fenotiplerle taranmasını ve ardından yeni modifiye edilmiş suşun izolasyonunu gerektirir. İstenen mutantların seçilmesi ve onların izolasyonu için yapılan tarama işlemi uzun süre gerektirir. Ek olarak, kitler ve özel ekipman gereksinimi, yeni geliştirilen suşlar için genetiği değiştirilmiş organizma statüsünün uygulanması, genetik mühendisliği yönteminin maliyet açısından pahalı olmasına yol açmaktadır.
Sonuç
Fosil yakıtlardan üretilen plastikler yerine bitki, patates, mısır, biyolojik atık ve özellikle alg gibi yenilenebilir kaynaklardan üretilen biyoplastiklerin kullanılmasının gerekli olduğu açıktır. Bu derlemede alglerden özellikle mikroalg kaynaklarından biyoplastik üretiminin mevcut durumu tartışılmıştır. Bu çalışmada yapılan literatür taramasına göre biyoplastikler mikroalglerden temel olarak üç farklı yaklaşımla üretilmektedir. Mikroalglerden biyoplastik ürünlerin ticari olarak üretiminde değerli yan ürünlerin de üretilmesi üretim maliyetini düşürecektir.
Referanslar
1) Rajendran, N. et al., (2012). Seaweeds can be a new source for bioplastics. Journal of Pharmacy Research, 5(3),1476-1479
2) Chia, W. Y., et all., (2020). Nature’s fight against plastic pollution: Algae for plastic biodegradation and bioplastics production. Environmental Science and Ecotechnology, 100065.
3) Alam, M. A., Xu, J.-L., & Wang, Z. (Eds.). (2020). Microalgae Biotechnology for Food, Health and High Value Products.
4) Rasul, I., et all. (2017). Algae Biotechnology. Algae Based Polymers, Blends, and Composites, 301–334.
5) Thiruchelvi, R., Das, A., & Sikdar, E. (2020). Bioplastics as better alternative to petro plastic. Materials Today: Proceedings.
6) Zhang, C., Loke Show, P., & Ho, S.-H. (2019). Progress and perspectives on algal plastics- A critical review. Bioresource Technology, 121700.
7) Nilgün Özdemir, Jülide Erkmen, Yenilenebilir Biyoplastik Üretiminde Alglerin Kullanımı, Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi / The Black Sea Journal of Sciences 3(8):89-104, 2013.
8) Zeller, M. A., Hunt, R., Jones, A., & Sharma, S. (2013). Bioplastics and their thermoplastic blends from Spirulina and Chlorella microalgae. Journal of Applied Polymer Science, 130(5), 3263–3275.
9) Jiun-Yee C., et all. (2010). Bacterially Produced Polyhydroxyalkanoate (PHA): Converting Renewable Resources into Bioplastics.
10) Onen Cinar, S., Chong, Z. K., Kucuker, M. A., Wieczorek, N., Cengiz, U., & Kuchta, K. (2020). Bioplastic Production from Microalgae: A Review. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17(11), 3842.
11) El Gamal, A. A. (2010). Biological importance of marine algae. Saudi Pharmaceutical Journal, 18(1), 1–25.
12) Selin AKTAR, Gözde Elgin CEBE. (2010). Alglerin Genel Özellikleri, Kullanım Alanları ve Eczacılıktaki Önemi. Ankara Ecz. Fak. Derg. 39 (3) 237-264.
13) Garson, M. J. (1989). Biosynthetic studies on marine natural products. Natural Product Reports, 6(2), 143.
14) Chu W-L. (2012) Biotechnological applications of microalgae. IeJSME, 24-37.
15) Yan N, Fan C, Chen Y, et al. (2016) The potential for microalgae as bioreactors to produce pharmaceuticals. Int J Mol Sci, 17:962.
16) Dr. Kestur Gundappa Satyanarayana. (2020) 3rd World Congress on Biopolymers and Bioplastics on Market Report on Biopolymers & Bio plastics. Market Analysis, Biomater Med Appl Vol: 3 Issue: 2
17) Rahman, A., & Miller, C. D. (2017). Microalgae as a Source of Bioplastics. Algal Green Chemistry, 121–138.
18) Monshupanee, T.; Nimdach, P.; Incharoensakdi, A. Two-stage (photoautotrophy and heterotrophy) cultivation enables e_cient production of bioplastic poly-3-hydroxybutyrate in auto-sedimenting cyanobacterium. Sci. Rep. 2016, 6, 37121.
19) Zeller, M.A.; Hunt, R.; Jones, A.; Sharma, S. Bioplastics and their thermoplastic blends from Spirulina and Chlorella microalgae. J. Appl. Polym. Sci. 2013, 130, 3263–3275.
20) Johnsson, N.; Steuer, F. Bioplastic Material from Microalgae: Extraction of Starch and PHA from Microalgae to Create a Bioplastic Material; KTH Royal Institute of Technology: Stockholm, Sweden, 2018.
21) Wang, K. Bio-Plastic Potential of Spirulina Microalgae. Master’s Thesis, The University of Georgia, Athens, GA, USA, 2014.
22) Torres, S.; Navia, R.; Campbell Murdy, R.; Cooke, P.; Misra, M.; Mohanty, A.K. Green Composites from Residual Microalgae Biomass and Poly(butylene adipate- co -terephthalate): Processing and Plasticization. ACS Sustain. Chem. Eng. 2015, 3, 614–624.
23) Gozan, M.; Noviasari, C. The E_ect of Glycerol Addition as Plasticizer in Spirulina Platensis Based Bioplastic; Dianursanti, M., Ed.; E3S Web of Conferences; EDP Sciences: Bali, Indonesia, 2018.
24) Dianursanti, S.A.K.; Khalis, S.A. The E_ect of Compatibilizer Addition on Chlorella Vulgaris Microalgae Utilization as a Mixture for Bioplastic; E3S Web of Conferences; EDP Sciences: Bali, Indonesia, 2018.
25) Gifuni, I.; Olivieri, G.; Krauss, I.R.; D’Errico, G.; Pollio, A.; Marzocchella, A. Microalgae as new sources of starch: Isolation and characterization of microalgal starch granules. Chem. Eng. Trans. 2017, 57, 1423–1428.
26) Zhang, F.; Endo, T.; Kitagawa, R.; Kabeya, H.; Hirotsu, T. Synthesis and characterization of a novel blend of polypropylene with Chlorella. J. Mater. Chem. 2000, 10, 2666–2672.
27) Sabathini, H.A.; Windiani, L.; Gozan, M. Mechanical Physicial Properties of Chlorella-PVA based Bioplastic with Ultrasonic Homogenizer. E3S Web Conf. 2018, 67, 3046.
Nazlı Soydan, Mete Yılmaz
Bursa Teknik Üniversitesi, Biyomühendislik Bölümü, 16310, Yıldırım, BURSA
