asd
Ana SayfaMakaleYeşeren Teknoloji HaberDayanıklı biyo-atık: LİGNİN

Dayanıklı biyo-atık: LİGNİN

Biyorafineriler, dayanıklı bitki atıklarını geri dönüştürmek için mikrobiyal yakıt hücresi (lignin) kullanıyor. Bitkilerin sert yapılarında, liflerinde ve odunsu malzemesi olan kabuklarında bulunan aromatik yapıda bir polimer türüdür. İnanılmaz derecede yavaş parçalanan lignin o kadar sağlam ve uzun ömürlüdür ki çözücülere, bakterilere ve çürümeye karşı dirençlidir. Tarım arazileri ve kağıt fabrikalarından çıkan tüm lignin atıklarının çoğu yakılır veya gömülür. Yani kirlilik yaratır ve potansiyel bir yenilenebilir kaynağı israf edilir.

Northwestern Üniversitesi araştırmacıları, lignin de dahil olmak üzere organik karbon atığını dönüştürebilen sürdürülebilir, ucuz iki aşamalı bir süreç geliştirdiler. Araştırmacılar, atıkları mikrop güdümlü bir biyorafineri aracılığıyla işleyerek lignini, yüksek değerli, bitki türevli farmasötiklerde ve antioksidan nutrasötiklerde ve ayrıca ilaç veya kimyasal dağıtım için karbon bazlı nanopartiküllerde kullanılabilecek karbon kaynaklarına dönüştürdüler.

Araştırmayı yöneten Kimberly Gray: “Lignin muazzam bir değere sahiptir ancak doğası gereği atık olarak görülüyor. Lignin, biyokütlenin %20-30’unu  oluştururken enerjinin %40’ını oluşturuyor ancak bu enerji kaynağından yararlanmak oldukça zor. Ligninin işlenmesi o kadar zor ki, insanlar onu nasıl kullanacaklarını çözemediler. Araştırmacılar onlarca yıldır bu sorunu çözmeye çalışıyorlar. Bir petrol rafinerisini örnek alarak, atık akışlarını toplayan ve yüksek değerli ürünler üreten bir biyo-rafineri geliştirilmiştir.” dedi1.

Doğanın yapı malzemesi

Dünyada en bol miktarda bulunan organik aromatik polimerlerden biri olan lignin, tüm damarlı bitkilerde bulunur. Hücre duvarları arasında bulunan lignin, ağaçlar gibi güçlü, sağlam bitkilere yapısal destek sağlar. Lignin olmadan, ağaç çok zayıf olacaktır. Bununla birlikte ahşap evler ve mobilyalar bu yapı olmasa  basitçe çökebilir.

Lignin bazı sektörlerde kullanmak için elverişli ve uygun değildir. Kağıt üretimi gibi bitkileri kullanan çoğu endüstri, lignini çıkarır ve geride bir şeker türü olan selüloz bırakır. Endüstriyel ekipler, doğanın ultra dayanıklı malzemesini kullanmak yerine ucuz bir yakıt olarak lignini kullanmaktadırlar. 

Gray: “İnsanlar şekerlere ulaşmak için ligninden kurtulmak istiyor. Selülozu alkol yapmak için fermente ediyorlar veya hamur yapmak için işliyorlar. O zaman lignini ne yapıyorlar? Düşük kaliteli bir yakıt olarak yakıyorlar. Bu da bir israf.” diyor.

Bakterilerle çalışan yakıt hücresi

Araştırmacılar, lignin de dahil olmak üzere karbon atıklarını parçalamak için bir biyo-rafineri geliştirmek için önce bir mikrobiyal elektroliz hücresi (MEC) tasarladılar. Bir yakıt hücresine benzer şekilde, MEC bir anot ve bir katot arasında enerji alışverişi yapar. Ancak, metal bazlı bir anot yerine, Northwestern’in biyo-anotları, organik maddeleri yiyerek doğal olarak elektrik enerjisi üreten bir bakteri türü olan ekzoelektrojenler içerir.

George Wells: “Mikroplar katalizör görevi görüyor. Genellikle çok pahalı olan ve yüksek sıcaklıklar gerektiren kimyasal katalizörler kullanmak yerine, katalizör olarak biyolojiyi kullanıyoruz.” dedi.

MEC’in güzelliği, insani, tarımsal veya endüstriyel her türlü organik atığı işleyebilmesidir. MEC, atık dolu suyu karbonu yiyen bakterilerin içinden geçirir. Burada organik karbonu, karbondioksite indirgerler ve daha sonra doğal olarak elektronları solurlar. Bu işlem sırasında, çıkarılan elektronlar biyoanottan katoda akar ve burada su üretmek için oksijeni azaltırlar. Proses, protonları tüketerek suyun pH’ını kostik (NaOH) bir çözeltiye dönüştürmek için yükseltir. Oradan, kostik solüsyon, atık su arıtımı da dahil olmak üzere uygulama için kullanılabilir.

Wells: “Bu sürecin bir başka yararı da, zararlı organik karbonu gidermek için atık suyu etkili bir şekilde arıtmasıdır. Yani, önemli bir ürün temiz su.” dedi. Araştırmacılar yakıcı maddeyi aldılar ve dikkatlerini tekrar lignine çevirdiler. Lignin bileşikleri dayanıklıdır çünkü altı karbon atomlu bir halka oluşturan özel bir bağlanma modeline sahip karmaşık aromatik karbon zincirleri içerirler. Her aromatik halka, birbirinden ayrılması inanılmaz derecede zor olan, değişen çift ve tekli bağlardan oluşur.

‘Kırılmaz’ bağları yıkmak

Araştırmacılar lignini biyo-bazlı kostik kimyasala maruz bıraktıklarında, ligninin polimerleri aromatik halkaları koruyacak şekilde parçalandı. İşlenmiş ligninin yaklaşık %17’si, genellikle takviyelerde bulunan antioksidan açısından zengin bir fitobesin olan flavonoidler adı verilen karbon halkalarına dönüştü. Tıbbi kimyada yaygın olarak kullanılan bu halkalar, ucuz farmasötikler ve takviyeler için bitki kaynaklı, sürdürülebilir öncüler olarak kullanılabilir2.

 

Şekil: Lignin kimyasal yapısı.

Gray: “Polimer bağlarını ayırır ancak seçici olarak halkayı terk eder. Eğer bu halkayı koruyabilirseniz, o zaman yüksek değerli malzemeler yapabilirsiniz. Kimyacılar tüm bileşiği parçalayan katalizörler geliştirdiler ve sonra halkayı yeniden inşa etmeleri gerekiyor. Ama biz onu seçici şekilde kırarak değerli yapıları korumayı başardık.” dedi.

İşlenmiş ligninin geri kalanı (yaklaşık %80), insanlarda hedeflenen ilaç dağıtımı veya bitkilerde hedeflenen besin dağıtımı için kullanılabilen karbon bazlı nanopartiküller haline geldi. Nanoparçacıklar ayrıca güneş kremleri ve kozmetikler için sürdürülebilir, bitki kaynaklı bir alternatif sunabilir.

Tehlikeli kimyasallar olmadan kaynakların geri kazanılması

Araştırmacılar, lignini işlemek için ticari olarak temin edilebilen bir kostik madde kullanmış olsalar da, MEC tabanlı yaklaşımların birçok avantajı vardır. İlk olarak, yeşil biyo-bazlı kimyasallar kullanılır. İkincisi, daha güvenlidir, daha ucuzdur, ortam koşullarında kullanılabilir ve ihtiyaç anında kimyasallar üretebilir.

Wells: “Birçok endüstriyel işlemde ve atık su arıtımında yaygın olarak kullanılan sodyum hidroksit gibi birçok yakıcı madde var” dedi. “Ancak bu, büyük miktarlarda zehirli kimyasalların nakliyesini ve depolanmasını içeriyor. Sadece bu kadar pahalı değil, aynı zamanda halk sağlığı için de tehlikeli. Atık ürünlerden sahada kimyasal üretmek çok daha güvenli ve daha sürdürülebilir. Büyük miktarlarda nakliye veya depolama yapmaktan kaçınıyoruz. Tehlikeli kimyasallar içeriyor ve zamanında gelen tedarik zincirlerine veya kamyonlara bağımlı değiller. Kimyasalları ihtiyaç duyulduğu anda sahada üretmek için bize esneklik ve uyum sağlıyor.”

 

Aylin Güleç

 

Kaynaklar

  1. https://techxplore.com/news/2023-01-biorefinery-microbial-fuel-cell-upcycle.html
  2. Obrzut, N., Carnelli, P. F., Brauer, S., Notestein, J. M., Wells, G. F., & Gray, K. A. (2022). Valorization of Lignin under Mild Conditions: Biorefining Flavonoids and Lignin Nanoparticles. ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Yorum Yap

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz

Bu site, istenmeyenleri azaltmak için Akismet kullanıyor. Yorum verilerinizin nasıl işlendiği hakkında daha fazla bilgi edinin.

Son Yazılar

Son Yorumlar