Biyoplastik Üretmek için “Yeşil” Solvent ve Doğal Pigment

Fotoğraf: Sürdürülebilir proses (sağdan sola: astaksantin, beta-karoten ve P. rhodozyma mayasından ekstrakte edilen her iki pigmentin karışımını içeren tüpler)

Brezilya ve Portekiz merkezli bilim insanları, mayadan “yeşil” çözücüler ile ekstrakte edilen pigmenti kullanarak biyolojik olarak parçalanabilen plastik üretmek için çevresel olarak sürdürülebilir bir proses geliştirdiler. Green Chemistry dergisinde yayınlanan makalede, biyolojik olarak parçalanabilen plastiğin gelecekte antioksidan ve anti-mikrobiyal özelliklere sahip akıllı ambalajlarda kullanılabileceğini gösteriyorlar.

Ayrışması yüzlerce yıl süren petrol, gaz ve kömürden elde edilen geleneksel plastiklere benzer uygulamalarla şeker kamışı, mısır ve patatesten üretilen sürdürülebilir biyoplastikler ticari olarak temin edilebilir hale gelmeye başladı.

Sekiz yıldan fazla bir araştırmadan sonra, bilim insanları ötektik çözücülerin Phaffia rhodozyma mayasının biyokütlesinden iki karotenoidi, astaksantin ve beta-karoten’i verimli bir şekilde çıkarabildiğini gösterdi.

Karotenoidler; bitkiler, algler ve fotosentetik bakteriler tarafından sentezlenen, doğal olarak 750’den fazla pigmentten oluşan bir sınıftır. Birçok bitkinin sarı, turuncu ve kırmızı renklerini oluşturmaktadırlar. Diğerlerinin yanı sıra gıda, kozmetik ve ilaç endüstrilerinde ticari uygulamaları da vardır.

Araştırmacılara göre ötektik çözücüler hem pigmentleri çıkarmak hem de biyoaktif nişasta bazlı biyolojik olarak parçalanabilen plastik film üretmek için ek bir saflaştırmaya gerek kalmadan kullanılabilmektedir.

Makalenin ilgili yazarı, Cassamo Ussemane Mussagy, “Sürdürülebilir bir proseste doğal bir pigment üretmenin mümkün olduğunu kavramın kanıtı olarak gösterdik. İki hat ile çalıştık. Biri, maya bazlı pigmentlerin üretimi için, biyolojik olarak uyumlu ve bozunabilir bileşenlerin bir karışımı olan ötektik çözücüler kullanılarak ekonomik olarak değerli bu doğal bileşiklerin ekstraksiyonuydu. Diğeri, nişasta bazlı biyoplastik gibi biyomalzemeler üretmek için özlerin kullanılmasıydı.” dedi.

FAPESP (São Paulo Research Foundation), araştırmayı dört projeyle desteklemiştir (20/08655-0, 19/15493-9, 18/06908-8 ve 15/11759-3).

Araştırma, Mussagy’nin Profesör Adalberto Pessoa Junior’ın gözetiminde São Paulo Eyalet Üniversitesi (UNESP) ile iş birliği içinde São Paulo Üniversitesi’nde (USP) doktora sonrası çalışmasının bir parçasıdır.

Mussagy, “Sentetik pigmentlere ve kirletici solventler kullanan ekstraksiyon işlemlerine alternatifler bulmak için yola çıktık. Doğal pigmentler elde etmek ve bunları plastik üretiminde uygulamak için yeşil çözücüler kullanarak biyolojik olarak parçalanabilen sürdürülebilir yöntemlerle çalıştık.” diye açıklıyor.

Pigmentler yüzyıllardır farklı ürünlerin görünümünü iyileştirmek veya eski haline getirmek ve tekdüzeliği garanti etmek için kullanılmıştır. Tüketiciler giderek daha sağlıklı veya besleyici ürünler ararken, aynı zamanda çevreye zarar vermemeye çalışırken, sentetik pigmentlerin yerini çevre dostu ve aynı zamanda antioksidan ve antimikrobiyal özelliklere sahip biyolojik olarak aktif olan doğal bileşikler almaktadır.

Araştırmacılara göre, mikroorganizmalardan doğal pigmentlerin üretilmesini veya çıkarılmasını amaçlayan bilimsel çalışmalar, biyoplastik arzını genişletmeye yardımcı olacaktır. Biyopolimerler olarak da bilinen bu ürünler, 70 kadar üye şirketin çıkarlarını temsil eden European Bioplastics’e göre şu anda dünya çapında her yıl üretilen 367 milyon metrik tondan fazla plastiğin %1’inden azını oluşturmaktadır.

Bazı tahminlere göre, plastik kullanımını azaltmak için baskılar arttıkça ambalaj, cihaz ve tekstil endüstrilerinden alternatif malzemelere olan talebin artmasına yanıt olarak biyoplastik üretimi petrolden elde edilen, kirlilik ve bozunmayan atıklar nedeniyle 2021’de 2,42 tondan, 2026’da 7,59 milyon tona yükselmesi bekleniyor.

Yeni biyopolimerlerin geliştirilmesi, nişasta bazlı biyoplastiğin geliştirilmesinde iş birliği yapan UNESP’de profesör olan Rondinelli Herculano tarafından yönetilen bir araştırma grubunun odak noktasıdır.

2018’de Brezilya’da yaklaşık 11 milyon metrik ton plastik atıldı ve bu, yıl içindeki toplam atığın %13,5’ine tekabül etmekle birlikte Brezilya’yı dünyanın dördüncü en büyük plastik atık üreticisi haline getiriyor.

Birleşmiş Milletler’e göre plastik kirliliği tüm ekosistemler, özellikle de toplam atığın %85’ini oluşturduğu okyanuslar için büyüyen bir tehdit.

Pereira, “Ürün biyolojik olarak parçalanabilir olsa bile endüstriyel üretim süreçleri her zaman agresiftir. Örneğin kağıt yenilenebilir ve geri dönüştürülebilir, ancak neredeyse tüm durumlarda büyük miktarlarda enerji, su ve toksik kimyasallar tüketen sürdürülebilir olmayan yöntemlerle üretiliyor. Çalışmamız, entegre ve sürdürülebilir bir platform aracılığıyla biyoplastik elde etme olasılığını gösteriyor.” dedi.

Proses

Bilim insanları, bir biyoreaktörde Phaffia rhodozyma yetiştirerek karotenoidleri ürettiler. Daha sonra mayadan pigmentleri çıkarmak için iyonik sıvılar, kolin bazlı ötektik çözücüler ve bütirik asit kullandılar. Kolin, insan organizması tarafından üretilen ve doğada bulunan B vitamini benzeri bir besindir.

İyonik ve ötektik sıvılar, esas olarak çözücü moleküllerinin çözünen iyonları veya molekülleri çevrelediği ve bunlarla etkileşime girdiği veya iyonik bir bileşiğin polar bir madde içinde oluşturmadan çözündüğü bir süreç olan çözünme kapasiteleri sayesinde, doğal matrislerden bileşiklerin ekstraksiyonu için ideal yeni çözücüler olarak kabul edilmektedir.

Astaksantin (mayalar ve mikroalgler tarafından üretilen en önemli doğal antioksidanlardan biri) ve beta-karoten alımını en üst düzeye çıkarmak için araştırmacılar, hücre içi molekülleri almak için hücre yırtılma prosedürlerinde anahtar bir parametre olarak kabul edilen beş biyokütle-çözücü (katı-sıvı) konsantrasyonunu test ettiler. Her ikisinde de mikrobiyal biyokütleden artan konsantrasyon 0,2 g/mL yaş maya hücresiydi.

UNESP’de profesör ve Green Chemistry’nin ortak yazarı Valéria de Carvalho Santos Ebinuma, “Biyosolventleri, pigmentin maya biyokütlesinden çıkarılması ve uygulanabilmesi için kullandık. En iyi sonucu veren çözücünün hem mikroorganizmanın biyokütlesinden pigmenti çıkardığını hem de paketleme için bir plastikleştirici görevi gördüğünü tespit ettik.” dedi.

Mussagy, “Birinci sınıf araştırmaları teşvik etmek istiyorsak sürekli uzun vadeli yatırıma ihtiyaç var, bu nedenle FAPESP’in desteği önemlidir. Mikrobiyal kaynaklardan pigment üretmek ve çıkarmak için sürdürülebilir süreçlerin geliştirilmesi üzerine yıllarca süren araştırmalardan sonra, çalışmalarımızın sürdürülebilirlik alanında en iyi %5’ten biri olan bir bilim dergisi tarafından kabul edildiğini gördük.” dedi.

Pereira, “Çalışmada kullanılan multidisipliner yaklaşım önemlidir. Bu, Mussagy’nin istikrarlı çabalarının bir ödülü ve kurumlar ile araştırmacılar arasındaki sinerjinin önemini gösteriyor.” dedi.

Mussagy, sonraki adımların, bu tür “yeşil” plastikle yapılan ambalajların başta gıda endüstrisi olmak üzere çeşitli amaçlarla kullanılabileceğini göstermek için sonuçların uygulanmasına odaklanacağını söyledi.

Kaynak: chemeurope.com