Petrol Türevli Plastik Kullanımına Alternatif Biyo Esaslı Plastikler

Petrol Türevli Plastik Kullanımına Alternatif Biyo Esaslı Plastikler Nişasta İçerikli Biyo Esaslı Polipropilen ile Daha Çevreci Keçeli Kalem Üretimi ve Karbon Salınımına Etkisi

Özet

Günlük yaşantımızın vazgeçilmez bir parçası haline gelmiş plastikler işleme kolaylığı, ucuzluğu, hafifliği, esnekliği vb. gibi avantajlarıyla hemen hemen her sektörde karşımıza çıkmaktadır. Bu özellikleri sebebiyle kırtasiye sektörünün de vazgeçilmez bir parçasıdır. Pek çok avantajının yanı sıra petrol ve petrol kaynaklarından sentezlenen plastikler doğaya bırakıldıklarında uzun süre yok olmadan kalabilmekte ve atmosfere karbon salarak çevre kirliliğine sebep olmaktadır. Bu durumlar ekosistem için tehlike oluşturmaktadır. Bunun yanında nüfus artışı, petrolün tükenen bir kaynak olması, petrol rezervlerinin sınırlı olması, plastiklerin neden olduğu çevre kirliliğinin endişe verici boyutlara ulaşması gibi unsurlar artık düşük maliyetli sürdürülebilir alternatif kaynak arayışlarını zorunlu hale getirmiştir. Günümüzde insanlar, aşırı tüketim ve sürdürülebilir olmayan tutumlarının sonuçlarının yakın geleceğimizi ne derece kötü etkileyeceğinin farkına varmış ve bilinçli yaklaşımlar sergilemeye başlamıştır. Son 20 yıldır sürdürülebilir hammaddeye güvenme, fosil kaynaklara daha az bağımlı olma ve karbon emisyonlarını azaltma ihtiyacına dayanarak, geleneksel petrol bazlı plastiklerin yerine geçen yenilenebilir yani doğal kaynaklı polimerler, diğer bir deyişle biyo-kökenli polimer plastik malzemeler birçok malzeme bilimcisinin odak noktası haline gelmiştir [1]. Biyoplastikler çevreye daha az CO2 salınımı yaptıklarından ve hammadde olarak tarımdan elde edilen ürünlerin kullanılmasıyla elde edildiklerinden dolayı %100 petrol kaynaklı plastiklere göre daha fazla tercih edilmektedir [2]. Bu çalışmada ev tekstilinden kırtasiye sektörüne; otomotiv endüstrisinden gıda hizmetlerine kadar pek çok alanda kullanılmakta olan biyoplastiklerin [3] kırtasiye sektöründeki ürünlere uygulanması hedeflenmiştir ve petrol türevli plastik kullanımına alternatif olabilecek biyo esaslı plastik kullanımı ile keçeli kalemlerde ilk adımları atılmıştır.

1. Giriş

Geleneksel olarak kullanılan plastikler; petrol, doğal gaz ve kömür gibi fosil kaynaklardan elde edilen hammaddelerin işlenmesi ile elde edilmektedirler. Plastiğin modern yaşamımızda kullanımının vazgeçilemez olması, atık birikimlerini önemli ölçüde artırmıştır. Atıkların bertarafı ve geri dönüşümü atık yönetimi alanında birincil sorun haline gelmiştir. Bunlara ek olarak, plastik atıkların çoğu çöplüklerde, toprakta, okyanuslar ve su kütlelerinde birikmektedir ve dolayısıyla bitkiler, karasal ve suda yaşayan hayvanlar ve insanlar için büyük tehlikeler yaratmaktadır. Geleneksel plastiklerin neden olduğu sorunlardan dolayı son yıllarda biyoplastiklerin, biyolojik olarak parçalanabilen plastiklerin üretimi ve petrol türevli plastiklerin yerine bu biyoplastiklerin kullanılması önem kazanmıştır. Polimerik malzeme biyo-esaslı veya biyolojik olarak parçalanabilir, yenilenebilir malzemelerden yapılmış olması durumunda biyoplastik olarak kabul edilir. Geleneksel plastikler ile biyoplastikler arasındaki ayrım aşağıdaki tabloda detaylı olarak görülmektedir [4]. Sera gazları, belirli bir termal kızılötesi aralığında ultraviyole radyasyon yayan gaz halindeki bileşiklerdir. Atmosferin tüm katmanlarındaki başlıca sera gazları H2O, CO2, CH4, O3 ve N2O’dur. Sera gazları, alt atmosferde yüksek sıcaklıkları muhafaza ederek daha az ısının uzaya geri kaçmasına izin verir, yani ısıyı hapseder. Bu daha sonra sera etkisine ve küresel ısınmaya neden olur. Enerji üretimi ve diğer endüstriyel faaliyetler için petrol türevli fosil yakıtlara yüksek oranda bağımlılık sera gazlarının salınımını artırmaktadır [5]. Son 150 yılda atmosferdeki sera gazlarındaki artışın neredeyse tamamından insan faaliyetleri sorumludur [6]. Petrol türevli plastikler içerisinde polipropilen kullanımı dünya çapında açık ara en büyük hacme sahiptir. Ecoinvent veritabanı versiyon 3.6’daki verilere göre Avrupa’da 1 kg polipropilen granülünün üretiminde 1.91 kg CO2eq/kg sera gazı emisyonu yapmaktadır [7]. Biyolojik olarak parçalanma, ortamda bulunan mikroorganizmaların yapay katkı maddelerine gerek duymadan malzemeleri su, karbon dioksit ve kompost gibi doğal maddelere dönüştürdüğü kimyasal bir süreçtir. Biyopolimerler, fosil kaynaklı polimerlerin yerini alırken fosil kaynaklı polimerlerin çevreye vermiş oldukları toksik etkinin de azaltılması gibi önemli avantajlarından dolayı biyo teknoloji alanında büyük ilgi görmektedir. Biyoplastik malzemelerin üretiminde gerek duyulan hammaddeler, gıda ve hayvancılık endüstrisinin atık ve yan ürünlerinde bol miktarda bulunmaktadır. Bu atıklar ucuz ve yenilenebilir kaynaklardır. Biyoplastikler nişasta, selüloz, proteinler, lignin, kitosan, polilaktik asit (PLA) ve polihidroksialkanoatlar (PHA) ve polihidroksibütiratlar (PHB) içerebilirler. Nişasta günümüzde en yaygın olarak kullanılan biyo bozunur (doğada parçalanan) polimerlerin başında gelir. Sebzelerde, örneğin patateste ve mısırda kristaller halinde bulunan nişasta, suda kolaylıkla çözünmesi nedeniyle plastik malzeme üretiminde doğrudan kullanılamıyor. Bu amaçla nişastadan plastik üretilmesi sırasında polietilen, polipropilen ve polistiren gibi bozunmayan sentetik polimerlerle genellikle su, gliserin ve sorbitol gibi plastikleştirici maddeler kullanılır ve nişastanın moleküler yapısının ısıtılarak belirli koşullarda bozulması sağlanır. Jelatinleşme olarak bilinen bu işlem sonucunda elde edilen malzeme termoplastik nişasta (TPS) olarak bilinir. Polimerlere nişasta eklenmesinin nedeni, doğadaki bazı  mikroorganizmaların bir glikoz polimeri olan nişastayı besin maddesi olarak kullanması ve plastik içerisindeki nişastaya ulaşabilmek için enzimler salgılayarak plastiği parçalamalarıdır [8]. Belçika’da bir denetim ve sertifikasyon kuruluşu olan Vinçotte, şirketlere ürünlerinin yenilenebilirliği konusunda bağımsız bir değerlendirme sağlamak için Eylül 2009’da OK biyo esaslı sertifikalandırma programını başlatmıştır. TÜV AUSTRIA Group’a entegre olan OK biyo-bazlı sertifikasyon şeması, bir ürünün biyo esaslı içeriğini belirtmek için bir yıldız sistemi kullanmaktadır. Tek yıldızlı bir biyo esaslı ürün %20 ile %40 arasında biyo esaslı karbon içeriğe sahipken, dört yıldızlı sertifikalı bir ürün %80’den fazla biyo esaslı karbon içeriğine sahiptir. One Star ✸ %20 ≤ Biobased Carbon Content (BCC) < %40 Two Stars ✸ ✸ %40 ≤ BCC < %60 Three Stars ✸ ✸ ✸ %60 ≤ BCC < %80 Four Stars ✸ ✸ ✸ ✸ %80 ≤ BCC [9]. Keçeli kalemde kullanılan hammadde EN 16640 test metoduna göre içerdiği biyo esaslı karbon içeriğine bağlı olarak TÜV Avusturya tarafından tek yıldız almaya hak kazanmıştır [10]. Bu çalışmamızda geleneksel olarak %100 petrol türevli polipropilen (PP) kullanılarak üretiğimiz keçeli kalem gövdesi yerine, TÜV Austria tarafından OK biobased 1 yıldız sertifikalı termoplastik nişasta içerikli PP compound kullanılarak keçeli kalem gövdesi üretimi yapılmıştır.

2. Materyal ve Yöntem

Termoplastik nişasta esaslı PP üretim öncesi fırın içerisinde 70±2oC’de 2 saat süreyle bekletilerek kullanım öncesi nem giderilme işlemine tabii tutulmuştur. Nemi alınmış granüller besleme ünitesinden verilerek enjeksiyon makinesinde uygun sıcaklık ve basınç altında işlenmiş ve 16 gözlü kalıpta keçeli kalem formuna getirilmiştir. Mekanik analiz ve testlerin gerçekleştirilmesi için standartlara uygun olarak test plakaları hazırlanmıştır. Hazırlanan test plakalarına çekme testleri uygulanarak çekme mukavemeti, kopmadaki uzama, elastikiyet modülü, eğilme mukavemeti ve eğilme modülü testleri ISO 527-2, yoğunluk testi ISO 1183, Sertlik değeri ISO 868, Erime Akış İndeksi ISO 1133 standartlarına göre yapılmıştır. Standart olarak %100 petrol türevli PP ile biyo esaslı keçeli kalem üretiminde kullanılan Ok Biobased 1 yıldız sertifikalı termoplastik nişasta içerikli PP granülüne ait fiziksel ve mekanik test sonuçları aşağıdaki gibidir. Mevcut ürün ile biyo esaslı hammadde ile üretilen ürünlerin ölçülen mekanik ve fiziksel özellikleri değerlendirildiğinde yeni geliştirilen ürün iç kontrol standartlarımızı karşılamıştır.

3. Sonuç

Kırtasiye sektöründe yüksek oranda ticari plastikler kullanılmaktadır. Avrupa Yeşil Mutabakatı ve Türkiye Cumhuriyeti İklim Planı kapsamında; iklim değişikliği ile mücadele etme, sürdürülebilir ekonomiye katkıda bulunma ve çevre kirliliğini azaltma amaçlarıyla Adel Kalemcilik olarak keçeli kalemlerde biyo esaslı polimer kullanarak ilk biyo esaslı keçeli kalem üretimini gerçekleştirerek pazara sunduk. Keçeli kalemde kullanılan biyo esaslı karbon içerikli hammadde sahip olduğu sertifikaya göre %20-40 oranında termoplastik nişasta içermektedir. Termoplastik nişasta içerikli üründe baz hammaddelerden birinin polipropilen olması ve polipropilenin yüksek akışkanlığa sahip olması ürünün enjeksiyon makinesinde kolay işlenmesini sağlamış olup mekanik özellikleri kalite kontrol analizlerinde (Tablo 1) istenen standartları karşılamıştır. Bu ürünümüzde Ok biobased 1 yıldız sertifikalı nişasta esaslı hammadde kullanılması ile bu geliştirilen biyo esaslı keçeli kalem serisi ile toplam 1 yılda 1440 kg ticari polipropilen kullanımını ortadan kaldırdık. 1440 kg ticari polipropilen kullanımını azaltarak Ecoinvent veri tabanı versiyon 3.6 verileri ile hesaplama yaptığımızda toplam 2750,4 CO2eq/kg salınımını ortadan kaldırdık. EPA web sayfasındaki Sera Gazı Eşdeğer Hesaplayıcısı programı ile 2750,4 CO2eq/kg azalttığımız salınım miktarı; ortalama bir benzinle çalışan binek araç tarafından katedilen 70,508 mile, 3,095 galon benzin, 2,702 galon dizel yakıt tüketimine, 30,809 kilo kömür yakılmasına, 3.5 evin 1 yıllık enerji kullanımına, 5.4 evin 1 yıllık elektrik tüketimine, 63.6 varil petrol tüketimine, 3,345,659 adet akıllı telefonun şarj edilmesine eşdeğerdir [11]. Küresel iklim krizinin sonuçlarını çok net bir şekilde görmeye başladığımız son yıllarda (artan orman yangınları, sel felaketleri, kasırgalar, buzulların erimesi vb. gibi); özellikle plastik atıkların insan sağlığı ve ekosistem üzerindeki tehlikeli etkilerinin nasıl azaltılacağı konusu en çok üzerinde durulan konulardan biridir. Giderek artan çevreci duyarlılığı, hem yasal düzenlemelerin oluşturulması hem de ticari faaliyetlerin çevreci dönüşümü konusunda kamuoyu baskısı oluşturmuştur [12]. Son yıllarda tekstil, moda, plastik, enerji yoğun, ambalaj gibi birçok endüstride doğaya ve çevreye verilen zararı en aza indirmek amacıyla yenilikçi çevre dostu malzemelerin kullanımında yeni çözüm yolları arayışına gidildiği, köklü ve hızlı gelişmelerin arttığı görülmektedir. Bu çalışma da ülkemizde kırtasiye sektöründe biyo esaslı plastik ürünler grubunda çevre dostu sürdürülebilir malzemelerin kullanılması alanında öncü olmuştur. Biyo esaslı compound kullanılarak üretilen keçeli kalemler doğaya karıştıklarında içerdiği yenilenebilir hammadde sayesinde daha az toksik etki yaratacak, ekosisteme bırakılan, doğada çok uzun süre kalan petrokimya türevli plastik miktarı ve bu plastiklerin karbon salınımı azalacaktır. Hem çocukların küçük yaştan itibaren çevreye duyarlı olmalarını sağlamak ve farkındalık yaratmak, hem de kırtasiye sektöründeki polimerik ürünleri daha çevreci ürünlere dönüştürme hedefi ile hayata geçirdiğimiz bu pilot projenin daha fazla polimer esaslı kırtasiye ürünlerine yaygınlaştırılmasını hedeflemekteyiz.   4. Referanslar 1. Ozdamar, E. G., & Ates, Murat. (2018). Rethinking sustainability: A research on starch based bioplastic. Journal of Sustainable Construction Materials and Technologies,3(3), 249–260. 2. Gironi, F., & Piemonte, V. (2011). Bioplastics and Petroleum-based Plastics: Strengths and Weaknesses. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, s.1949-1959. 3. Grancarić, A. M., Jerković, I., & Tarbuk, A. (2013). Bioplastics in textiles. Polimeri: Časopis Za Plastiku İ Gumu, [Conference Paper: UDK 677.1/.5:678:620.1]. 34(1), 9–14. 4. Sonil Nanda, Biswa R. Patra, Ravi Patel, Jamie Bakos, Ajay K. Dalai, Innovations in applications and prospects of bioplastics and biopolymers: a review. Environmental Chemistry Letters (2022) 20:379–395. 5. Advances in Carbon Capture, “Chapter 1 CO2 emission sources, greenhouse gases and the global warming effect” Kelvin O. Yoro, Michael O. Daramola, 2020. 6. https://www.epa.gov/ghgemissions/sources-greenhouse-gas-emissions 7. Greenhouse gas emissions and natural capital implications of plastics (including biobased plastics) Eionet Report – ETC/ WMGE 2021/3 8. Akdoğan Eker, A. 2009. Türkiye’de Plastik Hammadde Üretimi ve İthalatı. www.yildiz.edu.tr/~akdogan/lessons/plastikmalzeme/Belgeler/Biyoplastikler.pdf (Erişim: 17/03/2017). 9. https://en.tuv.at/ok-biobased-en/ 10. https://en.tuv.at/certifications/product-certificate/ 11. https://www.epa.gov/energy/greenhouse-gas-equivalencies-calculator#results 12. Sürdürülebilir Tasarım Yaklaşımı Açısından Biyoplastiklerin İncelenmesi, Dr. Öğr. Esin Düzakın https://doi.org/10.20488/sanattasarim. 970913 Geliş Tarihi: 26.06.2020, Kabul Tarihi: 10.12.2020.   Elif Öz Çetin - Ar-Ge Uzmanı Yüksek Kimya Mühendisi Adel Kalemcilik Ticaret ve Sanayi A.Ş. Dr. Fatma Seda Güreli Feridun - Ürün Güvenliği ve Regülasyon Uzmanı Dr. Kimyager Adel Kalemcilik Ticaret ve Sanayi A.Ş.