Polihidroksialkanatlar (PHA) bazı mikroorganizmalarda karbon ve enerji veya indirgeyici güç depolama maddesi olarak biriktirilen hidroksialkanatların polimerleridir. PHA, biyolojik olarak parçalanabilme özelliğine sahip olduğundan, klasik polimerlerin yerine kullanılması yönünde artan bir ilgi bulunmaktadır. Ancak, PHA’ın en önemli dezavantajı üretim maliyetinin yüksek oluşudur. Bu maliyetin azaltılması için, daha iyi bakteri zincirleri, daha etkili fermantasyon ve elde etme prosesleri geliştirme yönünde büyük çabalar sarf edilmektedir. Bu çalışmada, klasik plastiklere alternatif ve biyolojik parçalanabilirliği nedeniyle çevre dostu bir plastik materyal olan PHA incelenmiştir.

Polihidroksialkanatlar, N, P, S, O veya Mg gibi besi elementlerinin sınırlı olduğu ve aşırı karbon kaynağının mevcut olduğu şartlarda birçok mikrobiyal tür tarafından indirgeyici güç depolama bileşiği veya karbon ya da enerji kaynağı olarak biriktirilen hidroksialkanatların poliesterleridir. Polhidroksialkanatların genel yapısal formülü belirtilmiştir. Polihidroksialkanatlar, belirgin granüler olarak hücre içinde biriktirilmektedirler.

poli (R)-3-Hidroksi Yapısı (P3HB), Polyhydroxyalkanoate - Polihidroksialkanat (PHA)

Plastik materyaller, modern yaşamın ayrılmaz bir parçası durumundadır. Son yıllarda, global çevre ve katı atık yönetimiyle ilgili problemlerin başında petrol kökenli parçalanması zor sentetik plastikler gelmektedir. Polietilen, polivinil klorür, polistiren, yaygın olarak sentetik plastik üretiminde kullanılmaktadır. Biyolojik olarak parçalanamayan bu petrokimyasal plastikler yılda 25 milyon tonluk bir hızla çevrede birikmektedirler. Bu problem, sentetik plastiklerin fiziksel ve kimyasal özelliklerine sahip biyolojik parçalanabilir plastikleri geliştirme yönünde ilgiyi artırmıştır. Polihidroksialkanatlar, poliaktitler, poliesterler, polisakkaritler ve bunların karışımı geliştirilen biyolojik parçalanabilir plastiklerden bazılarıdır. Bu plastikler arasında, sentetik plastiklere benzer özelliklere sahip olması ve tam olarak biyolojik parçalanmasından dolayı polihidroksialkanatlar daha fazla ilgi toplamıştır. Polihidroksialkanatların biyolojik olarak parçalanabilirliği yanında, tarım ve hatta endüstriyel atıklar gibi yenilenebilir karbon kaynaklarından sentez edilebilmesi endüstriyel açıdan da dikkatleri üzerinde toplamıştır. 300’den fazla mikroorganizmanın PHA’ı sentez ettiği ve hücre içinde biriktirdiği bilinmektedir. Polihidroksialkanatların bileşeni olarak 100’den fazla monomer tayin edilmiştir.

 

H

׀

[- O – C – (CH2)n – C –]100-3000

׀

R

 

Polimer
n=1 R= hidrojen Poli(3-hidroksipropiyonat)
R= metil Poli(3-hidroksibütirat)
R= etil Poli(3-hidroksivalerat)
R= propil Poli(3-hidroksihekzanat)
R= pentil Poli(3-hidroksioktanat)
R= nonil Poli(3-hidroksidodekanat)
n=2 R= hidrojen Poli(4-hidroksibütirat)
n=3 R= hidrojen Poli(5-hidroksivalerat)

 

PHA’lar monomerik parçada bulunan karbon atomu sayısına bağlı olarak iki gruba ayrılmaktadır. 3-5 karbon atomdan oluşan kısa zincirli PHA ve 6-14 karbon atoma sahip orta zincirli PHA. Bu; PHA senteazın besi maddesi spesifikliğinden kaynaklanmaktadır. PHA senteaz, çeşitli bakterilerden PHA biyosentez yolunun anahtar enzimi durumundadır. Ayrıca, olefinler, dallı alkiller, halojenler, fenil ve siyano gibi çeşitli fonksiyonel gruplara sahip kısa zincirli PHA’lar da tayin edilmiştir. Polihidrok-sialkanatların biyosentezindeki bu esneklik, daha iyi özelliklere sahip polimerlerin projelendirilmesine imkan sağlayacaktır.

PHA ÜRETİMİ

Endüstriyel ölçekte PHA üretimi için herhangi bir mikroorganizmanın seçimi; ucuz karbon kaynağı kullanabilme kabiliyeti, büyüme hızı, polimer sentez hızı ve polimer biriktirme büyüklüğü gibi faktörlere bağlıdır.

PHA üretim maliyetini azaltmak için, yüksek verimlilik ve yüksek ürün elde etmek şarttır. PHA, endüstriyel ölçekte Alcaligenes latus, Azotobacter vinelandii, rekombinat Alcaligenes eutrophus, Pseudomonas oleoverans, Ralstonia eutropha, methylotrophs ve recombinant Escherichia coli gibi yüksek PHA üretim verimliliğine sahip saf kültürlerle üretilmektedir. Poli (3-hidroksibütirat-poli 3-hidroksivalerat) (P(3HB-3HV)), Ralstonia eutropha saf kültürü tarafından üretilmektedir ve PHA muhtevası hücre kuru ağırlığının %80’ninden daha fazladır. Alcaligenes latus ve recombinant Escherichia coli ile elde edilen PHA muhtevası sırasıyla %88 ve %76’dır. PHA ile ilgili araştırmaların ilerlemesine bağlı olarak, 80 g/l’den daha fazla PHA konsantrasyonu ve 2 g/l.h’den daha fazla verimlilikte PHA laboratuarda elde edilebilmektedir.

PHA üretiminde maliyetin büyük bir kısmı-nı besi maddesi oluşturmaktadır. PHA üretim maliyetine, besi maddesinin etkisi belirtilmiştir. Fermantasyon performansı değişmeden rekombinant E. coli’den P(3HB) üretimi için glikoz (0.5 $/kg) yerine hidrolize tahıl nişastası (0.22 $/kg)  kullanılmasıyla P(3HB) üretim maliyeti 3.72 $/kg’a düşecektir ki bu maliyet glikozla elde edilenden 1.19 $ daha düşüktür. Kamış ve şekerpancarı melası, peynir suyu, nişasta hidrolizatları, selülöz ve hemiselülöz gibi ham karbon besi maddeleri düşük fiyatlarından dolayı onları kullanan bakteriler için mükemmel besi maddeleri olabilir. Bazı bakteriler bu düşük maliyetli besi maddelerinden P(3HB) üretebilmektedir. Ancak, P(3HB) muhtevası ve P(3HB) üretim verimliliği oldukça düşüktür. Ayrıca, atıksuda bulunan çeşitli organik maddelerin PHA üretiminde kullanılabilmesi durumunda, hem atıksu arıtımı gerçekleşmiş olacak hem de PHA gibi yararlı bir ürün oluşacaktır.

Besi maddesi Maliyet 

($/kg)

Ürün 

(g PHB/g besi maddesi)

Besi maddesi fiyatı 

($/kg PHB)

Glikoz 0.493 0.38 1.35
Sükroz 0.295 0.40 0.72
Metanol 0.180 0.43 0.42
Asetik asit 0.595 0.38 1.56
Etanol 0.502 0.50 1.00
Kamış melası 0.220 0.42 0.52
Peynir suyu 0.071 0.33 0.22
Hidrolize tahıl nişastası 0.220 0.185 0.58
Hemiselülöz hidrolizatı 0.069 0.20 0.34

Tablo. PHA Üretim Maliyetine Besi Maddesinin Etkisi

P(3HB) sentez hızı da, üretim maliyetine etki etmektedir. Ancak, bu besi maddesi fiyatı ile karşı-laştırıldığında oldukça düşük kalmaktadır. P(3HB) üretim hızı, 1.98 g/l.h’den 3.2 g/l.h’e artırıldığı za-man P(3HB) maliyeti 5.37 $/kg’dan 4.91 $/kg’a düşmektedir.

Biyokütlenin P(3HB) muhtevası, P(3HB)’ ın elde edilme maliyetine etki etmektedir. %50 P(3HB) muhtevası ile P(3HB) elde edilmesi 4.8 $/kg P(3HB)’a mal olmaktadır. %88’lik P(3HB) muhtevası ile P(3HB) elde edilmesi ise sadece 0.92 $/kg P(3HB)’dir.

Genetik olarak değiştirilmiş tahıl bitkilerinden PHA elde edilmesi yöntembiliminde önemli bir değişim yapmıştır. Bu stratejiyle, fermantasyon proseste kullanılan besi maddesini elde etmek gereksizdir. Doğal olarak bulunan karbondioksit ve güneş ışığı karbon ve enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Bu araştırma sahası, yeni olup, yapılan çalışmalar umut vericidir.

Saf kültür mikroorganizma kullanarak yüksek PHA muhtevası elde edilmesine rağmen, PHA üretim maliyeti çok yüksek olmaktadır. PHA’ın üretim maliyetini azaltmak için aktif çamurda karışık bakteri kültürünün kullanılması son yıllarda güncel hale gelmiştir.

PHA, özellikle anaerobik – aerobik aktif çamur proseste veya aşırı biyolojik fosfor giderim prosesinde (EBPR) en önemli karbon depolama maddesinden biridir. EBPR proseste mikroorganizmalar, besi maddesi karbonun bağlanması için enerji kaynağı olarak polifosfatı kullanmaktadır. Karbon, PHA olarak depolanmaktadır. Aerobik şartlarda; PHA, büyüme ve polifosfat üretimi için kullanıl-maktadır. EBPR proseste mikroorganizmalar fosfat giderme ve PHA birikim karakteristiklerine sahiptir.

Aktif çamur, anaerobik şartlarda kuru ağırlı-ğının yaklaşık %20’si kadar PHA biriktirmektedir. Aktif çamurun PHA muhtevası, mikroaerofilik – aerobik çamur proseslerde %62’ye kadar artırılabilmektedir. Saf kültür fermentasyon prosesleriyle karşılaştırıldığında, aktif çamurla PHA üretimi için daha basit proses kontrolü gerekmesi ve atıkların kullanılması maliyeti düşürmektedir.

PHA’IN BİYOLOJİK PARÇALANABİLİRLİĞİ

PHA’ın en önemli özelliklerinden biri çeşitli çevresel ortamlarda biyolojik olarak parçalanabilmesidir. PHA’ın toprak, deniz ve göl gibi doğal ortamlarda biyolojik olarak parçalanabilirliği değerlendirilmektedir ve PHA’ın biyolojik olarak parçalanmasının, mikrobiyal popülasyon, sıcaklık, nem, pH, nutrient ve parçalanılacak plastik maddenin özellikleri (kompozisyon, kristal yapısı, yüzey alanı, vs) gibi birçok faktöre bağlı olduğu belirlenmiştir. P(3HB-3HV)’ın kanalizasyon, toprak ve deniz suyunda sırasıyla 6, 75 ve 350 hafta sonra tamamen parçalandığı tespit edilmiştir.

PHA’ın parçalanması iki adımda gerçekleşmektedir. İlk adımda, PHA depolimeraz’ın tipine bağlı olarak monomer, monomer – dimer ve oligomer karışımına parçalanmaktadır. İkinci adımda, oligomer hidrolaz oligomerleri monomerlere ayırmaktadır. PHA’ın parçalanması, mikrobiyal populasyonlardan hücre dışı enzimlerin faaliyetiyle hem aerobik hem de anaerobik şartlarda gerçekleşmektedir. Aerobik şartlarda, PHA parçalanmasının son ürünü karbondioksit ve su; anaerobik şartlarda ise karbon-dioksit, su ve metandır.

Hücre içinde biriktirilen PHA, hücre içi PHA depolimeraz tarafından parçalanabilmektedir. Çevresel ortamdaki PHA ve PHA’dan yapılan polimer hücre dışı PHA depolimeraz tarafından parçala-nabilmektedir. Hücre içi PHA depolimeraz hücre dışı PHA’ı hidrolize edememektedir. Hücre dışı depolimerazda hücre içi granüllerin fiziksel biçimindeki farklılıktan dolayı hücre içi pHA’ı hidroliz edememektedir. Hücre içi PHA, amorftur ve protein, fosfolipitten ibaret yüzey tabakasıyla kaplanır. Hücre dışı PHA yüksek oranda kristallik özelliğe sahiptir.

PHA’ın ELDE EDİLMESİ

PHA’ın elde edilmesi için çok sayıda farklı metot geliştirilmiştir. En çok kullanılan metot, çözücülerle biyokütleden P(3HB)’ın ekstraksiyonudur. Kullanılan başlıca çözücüler; kloroform, metilen klorür, propilen karbonat ve dikloroetandır. Seyreltik PHA çözeltilerinin yüksek viskozitesinden dolayı bir polimeri ekstrakte etmek için yaklaşık 20 katı çözücü gerekmektedir. Büyük miktarda çözücü kullanılması ekonomik olarak bu metodun cazibesini azaltmaktadır.

Geliştirilen diğer metotlar, PHA olmayan hücre maddelerinin çürümesi için sodyum hipoklorür kullanımını içermektedir. Bu metot, PHA dışındaki hücresel maddelerin çürümesinde etkili olması yanında PHA’ın parçalanmasına neden olmakta ve PHA’ın moleküler ağırlığında %50 azalma meydana gelmektedir. Kloroformun sodyum hipoklorürle birlikte kullanımı PHA parçalanmasını önemli ölçüde azaltmıştır. Kloroformun hipoklorür tarafından izole edilen P(3HB)’ı hemen çözdüğü ve parçalanmaya karşı koruduğu belirtil-miştir. Hipoklorür yöntemiyle %95’den daha büyük saflıkta polimer elde edilebilmektedir.

Çözücü ekstraksiyonuna alternatif olarak sulu enzimatik çürüme metodu geliştirilmiştir. Bu yöntem, PHA olmayan maddeleri çözebilmek için biyokütlenin termal arıtılması, enzimatik çürütülmesi ve anyonik surfaktanla yıkanmasından ibarettir. Ancak, pahalı enzimlerin ve kompleks proseslerin kullanılması bu yöntemin ekonomik olmasına engel teşkil etmektedir. Karıştırıcı bilyeli değirmenler ve yüksek basınçlı homojenizasyon gibi mekanik hücre parçalama yöntemleri daha ekonomiktir. PHA elde edilmesinde diğer bir yön-tem süperkritik CO2 olup, ekonomik açıdan diğer yöntemlere göre pahalıdır.

PHA’ın elde edilmesi için ön arıtım, ekstraksiyon ve temizleme olmak üzere üç basamağın gerekli olduğu belirtilmiştir. PHA’ın elde edilmesinde başlıca basamağın ekstraksiyon olduğu, ancak daha iyi bir ürün için bir ön arıtma basamağının ve daha temiz bir ürün için ise bir temizleme basamağının ilave edilmesinin gerektiği belirtilmiştir. PHA elde edilmesi için farklı stratejiler belirtilmiştir.

PHA’IN TİCARİ KULLANIMI

P(3HB), yenilenebilir kaynaklardan üretilebi-len, toksik olmayan, biyolojik parçalanabilen termoplastiklerdir. Yüksek derecede polimerizasyona sahip olup, kristal, optik olarak aktif ve izostatik, peizoelektrik ve suda çözünmeme gibi özelliklere sahiptir. Bu özellikler, P(3HB)’ı sentetik plastiklerle rekabet edebilme şansını artırmaktadır.

P(3HB) geniş kullanma alanına sahiptir. Başlangıçta, çanta, kutu ve kağıt tabakasında paketleme örtüsü olarak kullanılmaktaydı. Tıraş makinesi, kap,  çocuk bezi, kozmetik kutular gibi kullanıldıktan sonra atılan eşyalarda da kullanılmaktadır. Ayrıca, ilaç, hormon, insektisit ve herbisitin uzun süreli depolanmasında bu tür bileşikler kullanılmaktadır. Bununla beraber, tıp ve eczacılık alanlarında kullanımları sınırlıdır.

P(3HB)’ın ticari kullanımıyla ilgili iki sorun bulunmaktadır. P(3HB) düşük erime stabilitesine sahiptir. Çünkü, P(3HB)’ın erime noktasına yakın bir sıcaklık olan yaklaşık 200 oC’de parçalanmaktadır. İkincisi, P(3HB) birkaç günlük depolama esnasında kırılmaktadır. Bu nedenle, P(3HB)’ın kırılganlığını azaltmak için 3-hidroksivalerat gibi ortak monomeri birleştirerek veya diğer polimerlerle karıştırılarak çalışmalar yapılmıştır.

Dünyada birçok şirket PHA’dan ürün geliştirmektedir. ZENECA biyo ürünler, P(3HB) ve P(3HB-3HV)’ın tek üreticisidir. BİOPOL ticari isim altında üretim yapılmaktadır. BİOPOL’ün yıllık üretimi sentetik polimerden çok azdır [3]. Doğal PHA’ ın maliyeti polipropilen gibi fiyatı 1 dolardan daha az olan sentetik plastiklerle karşılaştırıldığında oldukça yüksektir. BIOPOL ilk üretime geçtiği tarihten itibaren az da olsa sürekli olarak PHA’ın fiyatını düşürmesine rağmen halen yaklaşık 70 kat daha pahalıya satılmaktadır.

SONUÇ

Çevre problemlerinin arttığı günümüzde, artık çevre ortamlarının yabancı olmadığı ve kolayca özümleyebileceği maddelerin üretilmesi zorunlu hale gelmiştir. Plastik maddelerde biyolojik olarak parçalanamamakta ve çevrede birikme özelliğine sahip olduğundan katı atık yönetiminde ana problemlerinden birini oluşturmaktadır. Son yıllarda, bu klasik plastiklerin yerine biyolojik olarak parçalanabilen plastikler geliştirilmiştir. Bu geliştirilen plastikler arasında polihidroksialkanatlar, klasik plastiklere benzer özelliklere sahip olmasından dolayı üretilmesi yönünde daha büyük ilgi çekmiştir. Ancak, şu anda üretim maliyetinin yüksek olması en büyük dezavantajı oluşturmaktadır. Yapılacak araştırmalar neticesinde üretim maliyeti aşağı çekilebilirse polihidroksialkanatların yakın bir gelecekte yaygın kullanımı mümkün olacaktır.