Kimyagerler, gıda atıklarından elde edilen ekmek kırıntılarını hidrojene dönüştürebilen yeni bir yöntem geliştirdi. Araştırmacılara göre bu süreç, kimya endüstrisinde yaygın olarak kullanılan bazı üretim yöntemlerinde fosil yakıtlara daha sürdürülebilir bir alternatif sunabilir.
Yeni araştırma, 23 Şubat’ta Nature Chemistry dergisinde yayımlandı. Çalışmada, bakterilerin doğal fermantasyon süreçleri metal katalizle birleştirilerek basit gıda atıklarından değerli kimyasal ürünler elde edilmesi hedeflendi. Hesaplamalar, bu hibrit yöntemin genel olarak karbon negatif bir etkiye sahip olabileceğini gösterdi.
Araştırmanın yazarları, yöntemin kimyasal üretim süreçlerini daha sürdürülebilir hâle getirmek için atılabilecek ilk adımlardan biri olabileceğini belirtiyor.
Hidrojenasyon Kimya Endüstrisi için Temel Bir Süreç
Hidrojenasyon, bir hidrojen molekülünün çift bağ üzerine eklenmesini sağlayan kimyasal bir süreç olarak biliniyor. Gıda üretiminden plastik imalatına, ilaç bileşiklerinin sentezinden farklı endüstriyel uygulamalara kadar geniş bir alanda kullanılıyor.
Ancak bu reaksiyonlarda kullanılan hidrojen gazının büyük bölümü fosil yakıtlardan elde ediliyor. Yaygın olarak kullanılan buhar reformasyonu yöntemi, enerji yoğun bir süreç olmasının yanı sıra yüksek miktarda karbon salımına yol açıyor. Her 1 kilogram hidrojen üretimi için yaklaşık 15 ila 20 kilogram karbondioksit açığa çıkabiliyor.
Bu nedenle hidrojenasyon, kimya sektörü açısından önemli bir sürdürülebilirlik sorunu oluşturuyor. Bilim insanları da fosil yakıtlara dayanmayan daha çevreci hidrojen kaynakları üzerinde çalışıyor.
Bakterilerin Doğal Hidrojen Üretimi Kullanıldı
Edinburgh Üniversitesi’nde kimyasal biyoteknoloji profesörü olan Stephen Wallace, bu soruna biyolojiden yararlanarak çözüm bulunup bulunamayacağını araştırdı. Birçok bakteri, oksijensiz ortamda solunum yapmak zorunda kaldığında doğal olarak hidrojen üretebiliyor ve bu gazı çevresine salıyor.
Wallace, bu biyolojik hidrojen üretiminin uyumlu bir kimyasal sistemle birleştirilmesi durumunda hidrojenasyon reaksiyonlarında fosil yakıtlara olan ihtiyacın azaltılabileceğini değerlendirdi.
Araştırmacı, yaptığı açıklamada çalışmanın temel zorluğunu şöyle anlattı:
“Asıl zorluk, canlı bir sistemde; suda, ılımlı sıcaklıklarda ve hücrelere zarar vermeden çalışabilecek bir katalizör bulmaktı. İki taraf arasında denge kurmamız gerekiyordu: karmaşık bir biyolojik ortamda etkinliğini koruyan bir katalizör ve katalizörün varlığında işlevini sürdürmeye devam eden mikroplar.”
E. coli Kültürleriyle Deney Yapıldı
Araştırma ekibi, glikoz içeren bir ortamda E. coli bakterileri yetiştirdi. Karışıma ticari bir paladyum katalizörü ve test edilecek bir substrat eklendi. Ardından oksijenin uzaklaştırılması için karışım gazla temizlendi.
Oksijensiz hâle getirilen reaksiyon, 37 santigrat derecede bir gün boyunca inkübe edildi. Sonraki analizler, en başarılı bakteri suşunun beklenen hidrojenasyon ürününü yüzde 94 verimle ürettiğini ortaya koydu.
Çalışmada yer almayan Nottingham Üniversitesi biyoteknologlarından Simone Morra, süreci şu sözlerle açıkladı:
“Metal katalizör içeri giriyor ve esasen hücre zarına bağlanıyor. Hücrenin kendisi hidrojeni üretiyor ve hidrojen hücreden dışarı yayılmaya başlar başlamaz bu metal katalizöre çarpıyor; katalizör de reaksiyonun ikinci kısmını gerçekleştirerek bir hidrojenasyon ürünü üretiyor.”
Glikoz Yerine Ekmek Atığı Kullanıldı
Biyolojik sistemin çalıştığını gösteren ekibin bir sonraki hedefi, pahalı glikoz besin kaynağını daha ucuz ve sürdürülebilir bir alternatifle değiştirmek oldu.
Araştırmacılar bu amaçla ekmek atıklarına yöneldi. Mikrobiyal enzimler kullanılarak ekmek kırıntılarındaki karmaşık karbonhidrat molekülleri basit glikoz birimlerine ayrıldı. Atıktan elde edilen bu yakıt, doğrudan E. coli kültürlerine verildi. Böylece ekmek kırıntıları dolaylı olarak hidrojen üretiminde kullanılabilir hâle getirildi.
Ekip bununla da yetinmedi. Bakteri kültürlerine dışarıdan öncü molekül vermek yerine, bazı bakteri suşları genetik olarak düzenlenerek gerekli substratları hücrelerin kendi içinde üretmesi sağlandı.
Morra, bu yaklaşımı şu sözlerle değerlendirdi:
“Bu parlak ve çok ilham verici. E. coli’nin sentetik yeteneklerinden yararlanabileceklerini gösteriyorlar. Esasen hücrenin karbon yollarını kullanarak istedikleri herhangi bir substratı yapabiliyorlar.”
Karbon Negatif Bir Süreç Potansiyeli
Araştırmaya göre biyolojik olarak üretilen hidrojenin kullanılması, fosil yakıtlardan elde edilen hidrojene kıyasla sera gazı emisyonlarında üç kat azalma sağladı.
Özellikle ekmek kırıntılarıyla çalışan hidrojenasyon sürecinde küresel ısınma potansiyelinin yüzde 135’ten fazla azaltıldığı hesaplandı. Bu sonuç, yöntemin karbon negatif bir ayak izine karşılık gelebileceğini gösteriyor.
Araştırma ekibi şimdi yöntemin uygulanabileceği substrat sayısını artırmaya ve farklı biyolojik atık türlerini kullanabilecek şekilde süreci geliştirmeye çalışıyor. Nihai hedef, bu yaklaşımın endüstriyel kimyasal sentez süreçlerine entegre edilebilmesi.
Endüstriyel Kullanım için Hâlâ Geliştirilmesi Gerekiyor
Wallace, yöntemin şu aşamada özellikle basit alkenlerle (yani karbon-karbon çift bağı içeren moleküllerle) daha iyi çalıştığını belirtti:
“Şu anda sistem daha basit alkenlerle en iyi şekilde çalışıyor. Henüz endüstriyel süreçler kadar verimli değil, ancak hidrojenasyon yapmanın temelde yeni bir yolunu gösteriyor. Bunu uygulanabilir kılmak için verimliliği artırmamız, biyolojiyi ölçeklendirmemiz ve endüstriyel ölçekte kararlı ve maliyet açısından etkili kalacak katalizörler geliştirmemiz gerekiyor.”
Araştırmacılara göre ekmek kırıntıları gibi gıda atıklarının kimyasal üretimde kullanılabilmesi, hem fosil yakıtlara bağımlılığın azaltılması hem de atık yönetiminin daha verimli hâle getirilmesi açısından önemli bir potansiyel taşıyor. Ancak yöntemin geniş ölçekli kullanıma geçebilmesi için verimlilik, maliyet ve endüstriyel dayanıklılık konularında ek çalışmalar gerekiyor.
İlginizi Çekebilir: Bilim İnsanları Dinozorların 10 Milyon Yıllık Kayıp Döneminin Peşinde
Yeni keşfe dair düşüncelerinizi yorumlarda veya Kayıp Rıhtım Forum’da paylaşabilir, bilim dünyasından daha fazla içerik için bizleri Google News ve WhatsApp üzerinden takip edebilirsiniz.
Kaynak: Live Science
Forum üzerinden yorum yapıp sohbete katılmak için tıkla!