Bitkisel yağ, mısır nişastası, bezelye nişastası veya mikrobiyota gibi yenilebilir biyokütle kaynaklarından türetilen Biyobozunur Plastik Ambalaj Malzemeleri daha düşük sera gazı salınımına neden olur.

Polistiren, polipropilen, polietilen, polimetilmetakrilat ve polivinil klorür gibi günlük yaşantımızda her alanda yaygın olarak kullanılan petrole dayalı sentetik plastikler her yıl 250 milyon tondan fazla üretilmektedir. Bunlanır %30’u paketleme malzemesi olarak kullanılıp atık olarak çöp toplama alanlarında toplanmakta ve atmosferik şartlarda iklim değişikliklerine bağlı olarak soğuk, sıcak, nem farklılıkları ile parçalanıp toprağa karışmaktadır. Ticarî polimerlerden plastik şişe malzemesi olarak yaygın bir şekilde kullanılan polietilen tereftalatın ortalama bir süre içinde tamamen parçalandığı bilinmektedir.

ABD ve Avrupa Birliği ülkelerinde toprakta çürüyebilen (biyobozunur) plastik ambalaj malzemelerinin üretimi ve kullanımı zorunluluk halindedir. Doğa kendi ürettiğini yine kendisi yok eder. Bu nedenle doğada üretilmiş olan doğal maddeler toprağa dönünce 1-6 ay gibi kısa sürede çürüyüp toprağa karışmaktadır.
Biyobuzunum
American Society for Testing Materials (ASTM) tarafından yapılan tanıma göre, doğada bulunan bakteri, mantar, alg, maya ve diğer mikroorganizmaların etkisi ile çözünebilen polimerlere biyobozunur polimer denir. Biyobozur polimerler doğal olarak canlı organizma (hayvan, bitki, bakteri gibi) tarafından üretilen selüloz, nişasta, deri, çitin, çitosan, bakteriyel polyester… yanında sentetik olarak üretilen ama biyobozunurluğu kanıtlanmış poli(laktik asit) (PLA), poli(ekaprolakton) (PCL), poli(glikolik asit) (PGA)’yı kapsar. Biyobozunmanın gerçekleşmesi için temel olarak üç ana koşulun sağlanması gerekir. Bunlar organizma, substrat ve çevre etkisidir. Bunlardan herhangi biri sağlanamadığı zaman biyobozunma gerçekleşmez.

Polimerlerde bozunma hücre dışı ve hücre içi olmak üzere iki temel işleyiş üzerinden yürümektedir. Hücre dışı parçalanmada polimer, aerobik ya da anaerobik koşullarda mikroorganizmaların ürettiği endo ve ekzoenzimlerce katalizlenen biyokimyasal tepkimeler ile bozunmaya uğrar. Endoenzimler, molekül ağırlığında ani düşmeler gözlenir. Ekzoenzimler ise, polimer molekülünü uç birimlerinden başlayarak parçalar, bunda ise bozunma yavaş ilerler. Enzimler, karboksil (-COOH), hidroksil (-OH) ve amin (-NH²) gibi hidrofilik gruplar taşıyan yüksek molekül ağırlığına sahip proteinlerdir. Böylelikle, enzim etkisiyle polimer zincirindeki parçalanma çoğunlukla hidrolizlenme ya da yükseltgenme mekanizması üzerinden yürür. Bu tür bozunma için mikroorganizmaların, oksijen, nem ve minerallerin organizmaya göre sıcaklığı 20-60 ^oC arasında, pH’ı ise 5-8 arasında olmalıdır. Biyobozunmanın ikinci aşamasında ise, hücre içine girebilecek kadar küçülmüş oligomerler mineralize edilir. Mineralizasyon ile organizma enerji kazanırken CO₂, CH₄, N₂ gibi gazlar, H₂O, tuzlar, mineraller ile organik atıklar açığa çıkar. Bu durumda polietilenin fotolitik yolllarla parçalanması fiziksel bir paçalanma olup toprakta dağılıp gitmesini sağlayabilir. Ancak oligomerler basamağında bakteri tarafından yenerek CO₂ ve suya kadar yükseltgenme basamağına uğratıldığına dair bilimsel bir veriye ulaşılmamıştır.

Bu tür plastiklerin parçalanması biyobozunmadan ziyade bir kimyasal reaksiyonun sonucudur. Ortaya çıkan parçacıklarsa doğada kalacaktır. Parçalanma atık sorununa bir çözüm değil, daha çok gözle görülür kirleticilerin (plastik atık) gözle görülmez kirleticilere (parçacıklar) dönüştürülmesidir. Bu, genel olarak, plastik atık sorunu için uygun bir çözüm sayılmaz çünkü atıkların çevreye atılması sonucu kirlilik şeklinde ortaya çıkan davranışsal sorun bu tür ürünlerle tetiklenebilir.
Polimerlerin parçalanması üzerine mikroorganizmaların etkileri incelenmiş, polimerlerin molekül ağırlığı 5000 g/mol’ün altına düştüğünde mikroorganizmalar tarafından yenebildiği bulunmuştur. Bakteri ve mantar kolonilerin oluşabilmesi için, polimer üzerindeki yüzey gerilim, yüzey bozukluğu, yüzey alanı, gözenek yapısı ve çevre koşullarının uygunluğu gerekir.

Biyo-çözünür Plastikler

Doğal polimerleri kaynaklarına göre üç ana gruba ayırabiliriz. Birinci grup bitkisel kaynaklı doğal polimerlerdir. Polisakkarit olan selüloz, nişasta, aljinat, agar, karraginan, çeşitli zamklar (guar), pektin. İkinci grup hayvansal kaynaklı doğal polimerlerdir: Polisakkarit orjinli kitin, kitosan, hyluronatlar ile protein orijinli kollajen, albümin, fibronejen, kasein, resilin, ipek, elastin, soya, buğday glüteni ve yapıştırıcılar. Üçüncü grup mikrobik kaynaklı doğal polimerlerdir: Bakteriyel polyesterler ve polisakkarit orijinli hyluronatlar.
Doğal kaynaklardan insan eliyle üretilen ve aynı doğal polimerler gibi toprağa bırakılınca kısa zamanda çürüyebilen fakat plastik malzemelerin gösterdiği üstün mekanik ve termal özelliklere sahip önemli polimerlerden biri laktik asit polimeridir (HLA). Halen tıbbî uygulamalar için biyo-malzemelerin üretiminde kullanılan PLA, son yıllarda satış fiyatlarının düşmesiyle birlikte, sıcaklığı dayanıklı, yüksek dirence sahip, petrole bağımlı olmayan, biyobozunur plastik pazarında ümit vadeden bir ambalaj malzemesi olarak hızlı bir şekilde öne çıkmaktadır. PLA, işleme kolaylığı, transparan, sert ve elastik oluşu nedeniyle ziraatte kullanılan film örtüleri, ambalaj malzemeleri, plastik torbalar, ofis ürünleri, tek kullanımlık çatal, tabak, bardak malzemeleri gibi birçok ürünün hammaddesi olarak kullanılmaktadır. Toprakta biyobozunmanın yanında bu tür polimerlerin geri dönüşümü de ekonomik olmaktadır. Ancak polietilen, polipropilen, polivinil klorür gibi petrole dayalı ve biyobuzunur olmayan polimerlerin atıkları geri toplanıp yeniden işlenerek eşya haline getirilirken polimer zincirini parçalandığı mekanik dayanımının düştüğü, bilinen bir zayıf noktalarıdır. Bunun için geri dönüşümden sonra üretilen eşyanın kalitesi düşer. Halbuki PLA’nın geri dönüşümünden sonra, kolay bir hidroliz prosesi ile laktik asit monomerine dönüştürülüp yeniden orijinal PLA üretimi gerçekleştirilebilir.
Bakteriyel polyesterler de şeker gibi doğada üretilebilen kaynağa dayalı biyobozunur polimer sınıfındandır. Bu polyester sınıfında poli (3-hidroksibutirat) (PHB) fermentörlerde şekerle beslenerek büyütülen Ralstonia eutropha’nın hücre içinde enerji deposu olarak biriktirilir. Bir iki gün gibi çok kısa bir sürede bakteri tarafından hücre içinde üretilen polyester çözücü ekstraksiyonu ile izole edilir. PHB’de yüksek sıcaklığa dayanıklı, yüksek mukavemete sahip doğrusal bir plastiktir.
Doymamış bitkisel yağlar da plastik malzeme yapımı için düşük maliyetle polimerleştirilebilir. Hint yağı, keten tohumu yağı, soya yağı, susam yağı gibi doğal yağlar biyopolimer sentezi için uygun kaynaklardır. Özellikle soya yağının polimerleri üzerinde yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bu yağların yapısında en çok trigliseritler bulunur. Trigliserit yağların çok çeşitli uygulama alanları olduğundan, modifikasyonla fiziksel ve kimyasal özellikleri değiştirilerek yeni polimerler elde edilir.
PHB fiziksel karakteristikleri nedeniyle farklıdır. Erime noktası 170^oC civarında, şeffaf bir film üretir ve kalıntı bırakmadan biyobozunur.
Sonuç olarak doğal polimerler (nişasta bazlı reçineler ve diğerleri) ve poli(laktik asit), poli(ekaprolakton) ve poli(glikolik asit) gibi sentetik polimerler toprağa atık olarak bırakılınca bakteri tarafından salgılanan enzimlerle bozundurularak son ürün olarak zararsız ve çevre dostu küçük moleküllere, karbondioksit ve suya dönüştürülmektedir. Bu da şekilde gösterildiği gibi doğal karbon çevrimini sağlamakta ve ekstra bir karbondioksit üretimi olmadığından küresel ısınmaya sebep olmamaktadır.
Biyolojik plastikler düşük erime sıcaklıkları nedeniyle üretim aşamasında da daha az enerji sarf etmekte, daha az petrol kullanılmaktadır. Amerikan Novamont şirketinin en son yaptığı açıklamada biyolojik plastik üretiminde geleneksel plastiğe göre yaklaşık %65 enerji tasarrufu sağlanmaktadır.
Bugün yaygın olarak kullanılmakta olan polietilen gibi sentetik polimerlere bazı inorganik katkı maddeleri (mangan stearat gibi pro oksidanlar) karıştırılarak üretilen ambalaj malzemelerinin de hızlandırılmış oksidasyon yoluyla parçalandığı, bu küçük parçaların daha ileri oksidasyonla aldehit, keton, karbonsilli asitler gibi küçük moleküllere parçalandığı bilinmektedir. Bu polimer parçaları ve küçük organik moleküllerin de biyoasimilasyonu öne sürülmekle birlikte, pro-oksidan içeren polietilen filmlerin toprakta bulunan mantar ve bakterilerle biyobozunurluğunun ortaya konulması için daha geniş araştırmalara ihtiyaç vardır.