Sınai Biyoteknoloji

 

Sınai Biyoteknoloji

Sınai biyoteknoloji, Avrupa’da daha sık kullanılan deyimle “Beyaz Biyoteknoloji”, enzimleri, mikroorganizmaları ve hücre kültürlerini kullanarak, kimyasal madde, gıda, yem, deterjan, kâğıt, kâğıt hamuru, tekstil ve biyoyakıt veya biyogaz gibi alternatif enerji kaynaklarının üretiminin ve ticaretinin yapıldığı etkinlik alanı olarak tanımlanır. Enzimlerin, mikroorganizmaların ve hücre kültürlerinin, günümüzde kimya sanayisinin temel ham maddesi olan fosil yakıtların dönüştürülmesinde de kullanılması bir ölçüye kadar olanaklıdır. Ancak, ham madde kaynağı olarak biyokütlenin kullanılması hem daha geniş bir çeşitlilik olanağı sunmakta, hem de biyokütlenin yenilenebilir olması nedeniyle sürdürülebilir bir sanayi temeli sağlamaktadır. Sınai biyoteknolojide, ham maddenin dönüştürülmesinde kullanılan biyoprosesler de, çoğunlukla, geleneksel kimyasal proseslere oranla daha düşük sera gazları yayımına yol açmaktadırlar. Yenilenebilir ham madde kaynaklarının kullanılıyor olması ve düşük sera gazı yayımı sınai biyoteknolojinin küresel sürdürülebilirlik açısından çok dikkat çekici bulunmasına yol açmaktadır.

A –       Uygulama Alanları ve Ürünler

Sınai biyoteknolojinin kullanıldığı uygulama alanları aşağıdaki altbaşlıklar altında ele alınmıştır. Ancak, ilkesel temelde konuşmak gerekirse, sınai biyoteknoloji temelli üretimleri “biyo” yapan unsurlar şöyle özetlenebilir:

– Ham maddeler: Kullanılan ham madde kaynağı, ağırlıklı olarak, biyokütle adı verilen malzemedir. Biyokütle, esasen biyolojik kökene sahip ve yenilenebilir olan girdileri içerir. Yenilenebilir kökenli biyokütlenin içinde, insanlarca yenilebilir olan yağ ve nişasta içerikli tarımsal ürünlerin yanı sıra, gıda olarak tüketilemeyen yağlarla, lignin ve hemi-selüloz içeren bitkisel ve hayvansal ürünler bulunur. Biyokütlenin önemli kaynakları arasında, bu bileşenleri içeren tarımsal ve ormansal atıklarla, kentsel atıklar bulunmaktadır. – Dönüştürücü unsurlar: Ham maddelerin aşağıda, üç alt başlıkta gruplanan ürünlere dönüştürülmesinde kullanılan dönüştürücü unsurları enzimler, mikroorganizmalar ve hücre kültürleri oluşturmaktadır. Enzimlerin kullanıldığı dönüştürme süreçleri “biyokataliz süreçleri”, kimyasal dönüşümü mikroorganizmaların sağladığı süreçler “biyosentez süreçleri”, hücre kültürlerinin kullanıldığı süreçlerse “hücre kültürü ile ilerleyen süreçler” olarak adlandırılır.

– Biyoteknolojik prosesler: İstenen özelliklerde bir biyokütle havuzunun oluşması için, biyokütle oluşumunda yoğun kullanılan bitki ve hayvan türlerinin genetik yapılarına müdahale edilmesi, gösterge yardımıyla tür seçiminin (MAS) kullanılması gibi biyoteknolojik prosesler devreye sokulabilmektedir. Diğer taraftan, dönüştürücü unsurlar, doğal biyolojik yapıda olabildikleri gibi, genetik değiştirme (GD) işlemlerinin etkisiyle, öngörülen amaca daha uygun hale getirilerek de kullanılabilmektedir. Bu amaçla, genetik değişikliğe uğratılmış mikroorganizmaların yanı sıra, onların ürettiği enzimler de kullanılabilmektedir. Hücre kültürlerinde de, çoğunlukla, GD tekniğiyle oluşturulan rDNA’lardan yararlanılmaktadır. Tüm bunların ötesinde, dönüştürme süreçlerinin kendileri de, başta fermentasyon olmak üzere, çeşitli biyoteknolojik proses adımlarını içerebilmektedir.

Sınai biyoteknoloji sektörünün ürettiği ürünler, biyoürünler veya biyo-temelli ürünler genel adıyla anılırlar ve biyo-temelli kimyasallar, biyo-temelli malzemeler, biyoyakıtlar gibi alt gruplara ayrılırlar.

Bu alt gruplardaki üretimin yanı sıra, sınai biyoteknolojinin uygulama alanları arasında, çevreye dönük uygulamalar ve madencilik sanayisi uygulamaları da bulunmaktadır50.

 

1-    Biyo-temelli Kimyasallar

Biyoteknolojik yollardan kimyasal madde üretimi, bazı kimyasalların üretiminde daha düşük maliyetlere yol açmasına karşın, pek çok kimyasalın kimyasal sentezle üretilmesi halen daha ekonomik olmaktadır. Bu nedenle, dünya kimyasal üretiminin sadece küçük bir bölümü, 2005 yılında %1,77’si, sınai biyoteknoloji yöntemleriyle üretilen biyo-temelli kimyasallardan oluşmaktadır (51). Bu yolla üretilen ve büyük hacimlerde ticareti yapılan kimyasallar (commodity chemicals) arasında etanol başı çekmektedir. Ancak, biyo-temelli etanolüretiminde kullanılan ham madde ağırlıklı olarak şekerdir. Burada, bir kimyasal madde olan etanol biyoteknolojik yöntemler kullanılarak sürdürülebilir kaynaklardan üretilirken, gıda üretiminde kullanılan kaynakların kullanıldığını görüyoruz. Bu kuşkusuz tercih edilen bir durum değildir. Ancak, şekerin fermentasyonundan elde edilen etanolün maliyetinin kimyasal sentez yoluyla üretileninkinden düşük olması nedeniyle bu uygulamalar halen devam etmektedir. Gerek etanolün gerekse diğer biyo-temelli kimyasalların üretiminde tercih edilen yaklaşım, biyo-temelli kimyasal üretiminde gıda ve yem olarak tüketilmeyen kaynakların kullanılmasıdır. Bu kaynakların başında selüloz ağırlıklı biyokütlelerin kullanımı gelmektedir. Selüloz temelli etanol üretimi için uygun teknoloji geliştirilmiş durumdadır, ancak halen, selülozdan etanolün maliyeti, şekerden elde edilenin maliyetinden daha yüksektir. Büyük hacimlerde ticari üretimi yapılan diğer kimyasallar arasında, metanol, dimetil eter, bütanoller, selüloz-temelli şekerler, süksinik asit ve etilen sayılabilir.

Kimyasalların bir diğer grubu olan amaca özel kimyasallar (specialty chemicals) grubundan da pekçok kimyasal biyo-temelli olarak üretilmektedir.

Üçüncü grup kimyasalları oluşturan değerli ve saf kimyasalların (: fine chemicals) daha büyük bir bölümü sınai biyoteknoloji yöntemleriyle üretilmektedir. Bunlar arasında çeşitli biyosentez yöntemleriyle üretilen enzimler ve amino asitlerle hücre kültürleri kullanılarak üretilen büyük moleküllü ilaç etkin maddelerini sayabiliriz.

 

2-    Biyo-temelli Malzemeler

Bu bölüme başlamadan, biyomalzeme teriminin tanımı üzerinde biraz durmak yerinde olacaktır. Genel kabul gören tanıma göre, biyomalzeme, başta insan vücudu olmak üzere biyolojik sistemlerde kullanılan harici malzemelere verilen addır. Yani, burada, “biyo” ön eki, malzemenin biyolojik kökenli olup olmadığını değil, biyolojik sistemlerde kullanıldığını vurgulamaktadır. Örnek olarak, ameliyatlarda kullanılan dikiş ipliklerinden, yapay kalp kapakçıklarından, her türlü protezlerden ve yapay organlardan söz edilebilir. ABD’deki Ulusal Sağlık Enstitüsü’nün (National Institute of Health, NIH) yine bu çerçevede yaptığı ayrıntılı tanım şöyledir: “Bir biyolojik sistemde herhangi bir süreyle kullanılarak, vücudun herhangi bir işlevinin, dokusunun ya da organının yerini alan veya bunları iyileştiren, ilaç dışındaki her türlü doğal ya da yapay harici malzemeye biyomalzeme denir (52)”.  Buna karşın, biyoteknoloji sanayisiyle ilgili pek çok yazıda, kökeni canlı organizmalara dayanan ve biyotemelli kimyasal olarak nitelendirilemeyecek olan malzemeler için de “biyomalzeme” terimi kullanılabilmektedir. Oysa bu tanıma uygun malzeme için kullanılması gereken doğru terim “biyotemelli malzeme” olmalıdır.

Biyo-temelli malzemeler içinde, en büyük grubu oluşturanlar biyo-temelli polimerlerden üretilen biyo-temelli plastiklerdir. Burada, yine terimlere bağlı bir yanlış anlamanın önüne geçmek için “biyobozunur” teriminin tanımına da değinmek gerekir. Uzman olmayan kişilerin, sık sık, biyobozunur plastik terimi ile biyo-temelli plastik terimini eş anlamlı olarak kullandıkları görülebilmektedir. Biyobozunur (biodegradable) terimi, bir malzemenin doğal ortamda, mikroorganizmaların etkisiyle dönüşüme uğrayabilme özelliğinde olduğunu belirtir. Biyobozunur polimerler ve plastikler biyotemelli veya sentetik özellik taşıyabilirler (Örnekler arasında, bazı lineer polyesterlerden, BASF’in Ecoflex’i ve DuPont’un Biomax adını verdiği modifiye PET’i gibi aromatik/alifatik kopolyesterlerden, polivinil alkolden ve bazı polivinil asetat türlerinden söz edilebilir) (53). Öte yandan, biyo-temelli bir polimer ya da plastik, biyobozunur olabildiği gibi biyobozunur olmayan özellikte de olabilir.

Sınai üretimi yapılan başlıca biyo-temelli plastikler, kurulu üretim kapasitelerine göre şöyle sıralanabilir (54-55):

– Biyo-temelli Polietilen: Polimerin temel birimi olan etilen monomerinin, şeker kamışından ya da mısırdan yapılan biyoetanolün dehidratasyonuyla elde edilmesine dayanmaktadır. Brezilya’da Braskem firması, biyo-temelli polietileni büyük ölçekte üretmektedir.

– Nişasta esaslı biyoplastikler: Toplam biyo-temelli plastik üretiminin %50’sini oluşturan bu grup içinde saf nişasta polimerlerinin yanı sıra nişasta polimerleriyle polikaprolakton, poliolefin gibi polimerlerin karışımları da yer almaktadır.

– Selüloz esaslı biyoplastikler: Başlıcalarını, selüloz nitrat (ya da yaygın kullanılan terimiyle nitroselüloz), selüloz asetat ve selüloz asetobütirat esaslı olanlar oluşturmaktadır.

– Bazı alifatik polyesterler: En önde gelen sınıfını polilaktik asit ve polihidroksialkanoatlar oluşturmaktadır.

– Poliamidler: Biyo-temelli sınai poliamidler arasında, yaygın kullanılan ve Arkema firmasının geliştirdiği Poliamid 11 in yanı sıra, DSM’in geliştirdiği Poliamid 410 da yer almaktadır.

– GD Biyoplastikler: Çeşitli araştırmalarda, genetik değişiklikler yapılarak, canlı ham madde kaynağının ilgili biyoplastik üretimini verim ve kalite açısından geliştirmesine çalışılmaktadır. Ancak, günümüzde GDO’lardan yola çıkılarak hiç bir biyo-temelli plastik üretilememiştir.

 

3-    Biyoyakıtlar

Biyoyakıtları, fosilleşmemiş canlı kalıntılarından elde edilen yakıtlar olarak tanımlamak uygun olur (56). Burada söz konusu edilen canlılar, öncelikle bitkiler ve algler, daha ender olarak da hayvanlardır. Fosil yakıt kaynaklarının azalması ve küresel ısınma nedeniyle gündeme gelen alternatif enerji kaynakları arasında biyoyakıtlar önemli bir yer tutmaktadır. Bu kapsamda, en fazla üretilen biyoyakıtlar, mısır ve şeker kamışı kaynaklı şekerden elde edilen biyo-temelli etanol ile yağ asitlerinin transesterleştirilmesiyle üretilen biyodizeldir. Biyoyakıt üretiminin, gıda üretimi ve habitat üzerinde yol açtığı zararlara yönelik eleştiriler nedeniyle, selüloz ve hemiselülozdan yola çıkarak biyoyakıt eldesi araştırma ve uygulamaları gündeme gelmiştir. Bunların dışında, üretimleri çok daha düşük düzeyde olan biyoyakıtlar arasında bitkisel yağlardan elde edilen yeşil dizelden, biyobenzinden, kullanılmış bitkisel yağlardan da söz edilebilir.

Biyoyakıt üretimi, elde edilen ürünler ve kullanılan yöntemlere göre aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir (57):

– Transesterleştirmeyle biyodizel üretimi: Bitkisel ve hayvansal yağlardan oluşan ham maddeler alkolle karıştırılıp lipaz enziminin katalitik etkisiyle biyodizel üretiminde ve yan ürün olarak da gliserin eldesinde kullanılırlar. Bu üretim, yüksek miktarda bitkisel ve hayvansal yağ kullanımına yol açması nedeniyle çevresel açıdan eleştirilmektedir.

– Fermentasyonla etanol ve bütanol üretimi: Fermentasyon, yaygın olarak mısır ve şeker kamışından etanol eldesinde kullanılmaktadır. Suda çözünen etanolün sulu fermentasyon ortamından çekilmesi güçlüğe ve yüksek maliyetlere yol açmaktadır. Bu nedenle, ikincil bir seçenek olarak bütanol fermentasyonu gündeme gelebilmektedir. Gıda amaçlı biyokütlenin tüketilmesine yol açtığı için bu proses de yoğun olarak eleştirilmektedir. Ancak halen, dünya etanol üretiminin 2/3’ü şekerden fermentasyon yoluyla yapılmaktadır.

– Lignin selülozunun dönüştürülmesiyle alkol üretimi: Selüloz ve hemiselüloz gibi polisakkaritler ligninden özütlenip basit şekerlere dönüştürülmekte ve bunların fermentasyonuyla da genellikle etanol, bazı araştırmacılar tarafından ise bütanol elde edilmektedir. Tarımsal atıkların ve verimsiz topraklarda yetişen gıda dışı otsu bitkilerin de kullanımına açık olması bu yöntemi daha çekici kılmaktadır. Halen araştırma ve deneme üretimi aşamasındaki bir uygulamadır.

– GD mikroorganizmalar yardımıyla yakıt üretimi: GD mikroorganizmalar kullanılarak gaz veya sıvı yakıt olarak kullanılabilecek moleküllerin üretilmesi doğrultusunda çalışmalar yapılmaktadır. GD alglerin fotosentezlediği bitkisel yağ benzeri moleküllerden mikrobiyal yolla biyodizel üretimi, şeker kamışından GD mikroorganizmalarla biyodizel benzeri yapıdaki izoprenoidlerin üretilmesi ya da metabolik yolak mühendisliğini kullanarak mikrobiyal yolla biyobütanol üretimi bu alanda çalışılan örnekler arasında sayılabilir.

Biyoyakıt üretiminin desteklenmesine yol açan en temel nedenlerden biri, biyoyakıtların sera gazı salımını azalttıkları savıdır. Bu amaçla, biyoyakıt üretiminde kullanılan bitkisel ham maddelerin, atmosferden bünyelerine alıp fotosentezde kullandıkları karbonun, yakıtın yanması sırasında çevreye döndüğü, dolayısıyla biyoyakıtların, karbon salımı açısından nötr oldukları ifade edilir. Ancak, son yıllarda bu savın, pek çok durum için geçerli olmadığı netlikle ortaya konmuştur. Avrupa Çevre Ajansı (European Environmental Agency, EEA) Bilimsel Komitesi’nin açıklaması, Eylül 2011’de AB’nin resmi görüşü olarak dünya kamuoyuna ulaşmıştır58. Söz konusu açıklamada, biyoyakıtın bu amaçla üretilen bitkilerden elde edilmesi durumunda, sera gazı salımında, fosil yakıt kullanılması seçeneğine göre pratikçe bir değişiklik olmadığı belirtilmiştir. Çünkü eğer biyoyakıt üretiminde kullanılan bitkiler ekildiği için gıda amacıyla kullanılan bitkiler ekilemiyorsa, ekilemeyen diğer bitkilerin gelişirken bünyesinde tutup gıda zinciri içinde başka canlılara aktaracağı karbon atmosferde kalmış olacaktır. Biyoyakıt amaçlı bitkilerin, gıda amaçlı bitkilerin ekim alanlarında değil de orman alanlarında tarla açarak yetiştirilmesi durumundaysa, daha büyük kütleli olan ve uzun yıllar boyunca bünyesinde karbon tutulma işlemini sürdüren ağaçların eksilmesine bağlı olarak, karbon salımının artmasına neden olacaktır. Dolayısıyla, toprağı gübrelemek dâhil karbon dengesine hiçbir olumlu etkisi olmayan atıklardan üretilmedikçe, biyoyakıt üretiminden sera gazı birikmesine ve küresel ısınmaya bir yarar beklemek doğru değildir. Şeker pancarı, şeker kamışı, mısır ve buğdayın şekeri ve nişastasından etanol; soya fasulyesi, kolza tohumu, ayçiçeği ve palmiyeden biyodizel eldesine, ya da kısaca söylenirse, gıda ve yem amaçlı bitkisel ürünlerden biyoyakıt üretilmesine, topluca, birinci nesil biyoyakıt üretimi adı verilir. Bu biyoyakıt üretimine yönelik eleştiriler, gıda veya yem amaçlı olmayan bitkilere dayalı olan ve ikinci nesil biyoyakıt adı verilen biyoyakıtların üretimine yönelik teknolojilere ilgiyi artırmıştır (59-60).

 

 

 

 

 

 

 

KAYNAK:

Mustafa TUNÇGENÇ. 2014. TMMOB Kimya Mühendisleri Odası. İzmir

50- OECD, Biobusiness to 2030, OECD Publishing, Paris, 2009, s:72-85, http://www.postdoctorat.ro/Documente/Biblioteca%20virtuala/Strategii%20BIOECONOMIE/06%20The%20Bioeconomy%20to%202030_OCDE.pdf , erişim tarihi: 25.09.2030

51- OECD, Biobusiness to 2030, OECD Publishing, Paris, 2009, s:72, http://www.postdoctorat.ro/Documente/Biblioteca%20virtuala/Strategii%20BIOECONOMIE/06%20The%20Bioeconomy%20to%202030_OCDE.pdf , erişim tarihi: 25.09.2030

52-Isenbarth, E., Biomaterials, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, Published Online: 15 APR 2011, s:1.

53-Bastioli, C. (Ed.), “Handbook of Biodegradable Polymers”, Rapra Technology, Shawbury, 2005, s: 191-198

54-“Bioplastic”, Wikipedia the Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Bioplastic , erişim tarihi: 28.10.2013

55-Naik, S.N. et al., “Production of first and second generation biofuels: A comprehensive review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14 (2010), s: 578–597, http://jatropha.pro/PDF%20bestanden/biofuel-1-and-2-generations.pdf, erişim tarihi: 02.11.2013

56- “Biofuel”, Wikipedia the Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Biofuel, erişim tarihi: 30.10.2013

57- OECD, Biobusiness to 2030, OECD Publishing, Paris, 2009, s:84, http://www.postdoctorat.ro/Documente/Biblioteca%20virtuala/Strategii%20BIOECONOMIE/06%20The%20Bioeconomy%20to%202030_OCDE.pdf , erişim tarihi: 25.09.2030

 58-“Opinion of the EEA Scientific Committee on Greenhouse Gas Accounting in Relation to Bioenergy”, European Environment Agency Scientific Committee, http://www.eea.europa.eu/aboutus/governance/scientific-committee/sc-opinions/opinions-on-scientific-issues/sc-opinion-on-greenhousegas/view, erişim tarihi: 15.09. 2011

 

 

Bu yazının kalıcı bağlantısı https://biyolojidersim.com/sinai-biyoteknoloji/

Görüş ve eleştirilerinize en kısa zamanda cevap verilecektir.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

%d blogcu bunu beğendi: