Akıllı Ambalajlar

Son 60 yıldır, ambalajın üç işlevi vardı: ürünü sarmak, saklamak ve satmak.  Bu süre içinde yeni malzemelerin ortaya çıkması ve ambalaj tasarımı konusuna olan ilginin artması, ambalaj sektöründe büyük değişikliklere neden olmuştur.  Ancak, eldeki akıllı malzemeleri kullanmak için bu sektörde çok da fazla çaba harcanmayarak; en önemli neden olarak akıllı malzemelerin üreticiye getirebileceği ilave maliyetler gösterilmiştir. 

Öte yandan:

-İnsanların % 50’si kendilerine verilen ilaçların prospektüslerini önemsemez.

-Dünyadaki sahte malların değeri 1 trilyon ABD doları olarak tahmin edilmekte ve birçok sahte ürün insan sağlığına zararlı ve hatta bazen ölümcül olmaktadır.

-Tüketicilerin marka sadakati azalmaktadır. Araştırmalara göre belli bir fiyat eşiğinin üzerine çıkılınca, Hızlı Tüketim Ürünleri (FMCG) markaları farklılaşmamış hale gelebilir.

Bu yazımızda, akıllı ambalajlar ile sahtecilikle mücadele edilerek, sahteciliğin insan sağlığı ve gıda güvenliği üzerindeki etkilerinin azaltılacağı ve markanın pazar payının arttırılacağı konularına değinilmektedir. Akıllı ambalajın tüketicilerin, perakendecilerin ve marka sahiplerinin ve ayrıca devlet kurumlarının yararına parça/adet bazında kullanılmasının çeşitli yolları bulunmaktadır.

Günümüzde kullanılmakta olan iki tip akıllı ambalajlamadan bahsedebiliriz. Akıllı etiketler (Örnek: RFID-Radyo Frekanslı Tanımlama Etiketleri) ve Ambalaj indikatörleri (Örnek: TTI-Sıcaklık-Süre İndikatörleri). 

Akıllı ambalaj teknolojilerinden birisi olan RFID ile bilgiler depolanıp geri çağrılabilmektedir. Önümüzdeki yıllarda ilaçlar için parça bazında zorunlu olması beklenen bu teknolojiden sağlanacak diğer faydalar arasında sahtecilikle mücadele etmesi, bir tıbbi uygunluk sağlayıcı ve hatta geri dönüşümü kolaylaştıracak bir araç olması sayılabilir.

RFID

Daha uzun bir zaman zarfına yayılan ikinci bir teknoloji ise baskı sektöründeki gelişmelerin sonucudur.  İletken mürekkeplerdeki gelişmeler sayesinde ambalajlar üzerindeki “ekranlar” interaktif olarak güncellenebilir, hatta video klipleri içerebilir.  Gelecekte, ürün sahibi, tüketici ile etkileşim içinde olabilecek ve ürününün ambalajını kontrol edebilecektir.

Akıllı ambalajlardaki gelişmeler, bu ürünlerin genel bir çözüm olmasından çok spesifik bir sorun üzerinde duracağının ipuçlarını vermektedir.  Özellikle medikal ürünlerin ambalajlanmasında (tıbbi uygunluk için hatırlatma ve kaydetme sistemlerinin geliştirilmesi) bugünkü geleneksel ambalajlardan uzaklaşılması gerekebilir.  Sahtecilik ve kurcalanmayı önleme gibi sorunlar için yeni mürekkepler, barkodlar, malzemeler ve etiketler sayesinde tedarikçiler suçu önlemede bir adım önde olabileceklerdir.  Tüketiciye zarar gelmemesi için belgeleme sistemlerinin geliştirilmesi ve onaylı tedarik zincirlerinin kurulması planlanmaktadır.

Akıllı ambalaj fırsatları sayesinde markalar rekabetin giderek arttığı bir piyasada yüksek fiyatlar talep etmeye devam edebilir. İster baskılı elektronik, ister dokunmatik yüzey ya da kışkırtıcı kokular yoluyla olsun, interaktif ambalajlarda öncü olmak markalara rekabet gücü verir. Akıllı ambalajla fark yaratan markalar kendi temel bileşenlerini ambalaja katarak kullanıcıya özel ürünler sunabilir.

Bu yazımızda sizlerin teknolojiler ve tedarikçiler hakkında daha fazla bilgi alabileceğiniz bazı referanslar da yer almaktadır.

Ön bilgi

Akıllı malzemelerin ve sistemlerin birçok tanımı vardır ve bu terimin bir tanımını yapmak için uzun uzun tartışmak mümkündür.

Akıllı ambalajın “kendi çevresindeki değişikliklere ya kendiliğinden ya da kullanıcı ile etkileşim halinde tepki veren ambalaj” olarak tanımlanması doğru olacaktır.

Ambalajın görünümü ve tasarımı son 60 yılda değişmiş olmakla beraber, kimilerine göre tüketici yararına olacak pek fazla yeni işlev kazandırılmamıştır. Akıllı malzemeler ve sistemler ambalaj sektörü hariç diğer sektör ve uygulamalarda giderek daha çok kullanıldıkça, ambalajdaki gelişmeleri yönlendirmek için pek fazla çaba sarf edilmemiştir. Oysa ki firmalar hem pazar paylarını hem de itibarlarını arttırmak için kendi ürünlerinin ambalajlarına yeni işlevler kazandırabilecekleri bazı temel alanlar üzerinde daha çok durabilirlerdi.

indikatör

Akıllı ambalaj tüketiciye birçok açıdan yarar sağlayabilir. Lojistikte yardımcı olan RFID ve ambalajlı gıda ürünlerinde kullanılan göstergeler ve kontroller başta olmak üzere bunların çoğu yeterince anlatılmıştır. Örneğin İngiltere’de, tüketiciyi bağlamak ve tüm paydaşlara yarar sağlamak amacıyla üç alan ele alınmaktadır.

• Medikal sektöründe uygunluk oranlarını yükseltmek
• Sahteciliği veya ürünlerin kurcalanmasını önleyerek zararı azaltmak
• Marka rekabetini arttırmak

Ambalaj ve ürün tedarikçileri, perakendeciler, kamu kurumları ve tüketicilerin yeni teknolojilerin başarıyla uygulanmasından yararlanmasını bekliyorlar.  

Gelecekte markaların yararına olabilecek akıllı ambalajlardan bazı örnekler:

			Maliyet avantajı vardır	Eğlendirir	Bilgi verir	Güvenliği arttırır	Kullanışlıdır
Türü	Nasıl kullanılır?	Yorumlar
Belli ürünler üzerinde ya da mağaza rafında RFID	Müşteri yaklaşınca harekete geçen RFID etiketi bir sinyal verir ve müşterinin mağaza kartı, cep telefonu ya da IPod’u aracılığıyla bir sesli mesaj, ilan ya da ürün bilgisi gönderir.	Ürüne özgü reklam ve bilgi verir.  İlave kişisel güvenlik mesajları içerir. “İçinde glüten var.”	û	ü	ü	ü	ü
Baskılı elektronik (fleksıbıl)	İletken mürekkepler ve kağıt piller	Fleksıbıl ekranlar için büyük potansiyel barındıran yeni teknoloji	û	ü	ü	û	û
Ambalajı açmak için parola ya da sesi tanıma	Parola mekanizmasına elektro-kısıtlayıcı ya da manyeto-kısıtlayıcı mühür konabilir.	Belli bir parolayla ve sesi tanıyarak açılan büyüklerle ve çocuklarla dost ambalaj.	û	û	û	ü	ü
Polimer ambalajlarda renk değiştiren pigmentler	Pigmentler renk değişmesini sağlar ve ileriye yönelik bilgi verir	Yeni ambalaj kavramı ürünü rafta farklılaştırıyor ve ürüne özgünlük veriyor.	û	û	û	ü	û
Ambalajda piezo-elektrik malzemeler	Sıkı kapatılmış bir ürünü açmak için kuvvet uygulanınca oluşan akım elektro-aktif mürekkebe enerji vererek ürüne kurcalanma mesajı gönderir.	Kurcalanmayı önleyen ambalaj müşterinin ürüne ve ürünün orijinalliğine güvenmesini sağlıyor.	û	û	ü	ü	û
Kendinden ısınan/soğuyan kaplar	Kimyasal reaksiyon – faz değiştiren malzemeler	Şarabı soğutur, çayı ısıtır	û	û	û	û	ü
Saat & sıcaklık göstergeleri	Kontrollü reaksiyon hızı.	Dondurulmuş gıda uzun süre sıcakta kaldıysa uyarı verir	û	ü	ü	ü	ü
Mercekli etiketler	Bir dizi büyüten lenste belirgin hareket görülür.	Görsel etki	û	ü	ü	û	û
Gaz sensörleri	Kimyasal reaksiyonla bozuk gıda tespiti	Sensor ile renk değiştiren etiket harekete geçirilip bilgi verilir	û	û	ü	ü	ü

Bu teknolojilerin en başında RFID metotlarına dayalı olanlar gelmektedir.  Etiket fiyatı düştükçe bunlar parça/adet bazında daha uygun fiyatlı hale gelecektir.  Etiketler ilaçlarda zorunlu hale gelerek kökenini teyit edecek ve hatırlatıcılar gibi bilgileri tutup iletecek, ilaçların alınmasını kaydedecek ve bu ilaçlar hakkında daha fazla bilgi verecektir. İlaçlarda yaygın hale gelen RFID sahtecilikle mücadele araçlarından biri olacaktır. Önde gelen markalar ürün ve tüketici hakkında bilgi saklama fırsatını yakalayabilir ama gizlilik konularının mevzuat yoluyla ele alınması gerekecektir. RFID etiketleri tüm tüketim ürünlerinde standart hale geldikten sonra, market alışverişlerinde sıra beklemek gerekmeyecek çünkü RFID kullanılan süpermarket arabasında ürünlerin kaydı tutulur ve mağazadan çıkarken anında ödeme yapılır.

Gelecekte, baskılı elektronik ile günümüz ambalajının iletişim unsuru temelden değişecek. Baskılı elektronik gelince, pahalı silikonlu çip teknolojilerinden sağlanan özellikler seri ambalaj üretimine çok uygun olacak. İnteraktif ambalaj ister ilaçlarda ister daha genel tüketim ürünlerinde olsun müşteriye doğru bilgileri verecektir. Video klipler ve değişen ekranlar çocukları eğlendirebilecek ve eğitecektir.

Bozulan gıdalar için gereken teknoloji zaten geliştirilmiş ve dünya çapında çeşitli ölçülerde uygulanmaktadır. Sıcaklık-süre indikatörleri (TTI’ler), MAP, kontrollü gaz dağılımı, bir dizi sensör ve emici malzemeler, bazı markalar ve ilaçlar için ambalaj içeriğinin güvenli ömrünü uzatıp garanti altına almada yararlı olabilecek gıda ambalajlama teknikleri arasındadır.  Nanoteknoloji sayesinde bazı gıda ambalaj malzemelerinin fiziksel ve kimyasal özellikleri geliştirilmeye çalışılmaktadır.

Tüketicinin elinde tespit ve takip imkanı olmalıdır.  Teknolojilerin çoğu belirgin olmayıp kontrol için cihazlar gerektiğinden, her şey perakendecide başlamalıdır.  

Markaların kalabalık raflarda kendini göstermesi, RFID ve baskılı elektronik göstergelerle yüksek bedel ödenmeye değer olduklarının, tüketicilere kanıtlanması gerekmektedir.  Ancak şimdilik bu ürünlerin kullanım maliyetinin, ambalajda önemli bir faktör olacağı anlaşılıyor.

PVC’nin gerçek hikayesi - Bölüm 2

VCM’den PVC üretimi

Polivinil klorür (PVC) ilk defa 1927 yılında ticari olarak üretilebilmiştir. Malzeme yumuşak bir malzeme değildir. Bu nedenden dolayı PVC’den bir ürün üretilmesi, ancak plastifiyan (plasticizer) adı verilen katkı maddelerinin eklenmesi ile gerçekleştirilebilmektedir. Yoğunluğu 1,35 g/cm³ olmakla beraber; polimer zincirlerinin uzunluğu K değeri adı verilen fiziksel bir değer ile belirtilir. Bu değer PVC hammaddelerinin çeşitlerini ayırmak için kullanılmaktadır. Günümüzde boru ve boru aksamlarında, profil ve ince borularda, film ve levhalarda, tel, kablo ve şişe üretiminde kullanılmaktadır.

PVC, süspansiyon, emülsiyon ve kütle polimerizasyonu yöntemleri ile üretilebilmektedir. Süspansiyon polimerizasyonu en yaygın kullanılan yöntemdir. Bu işlemde vinil klorür monomeri (VCM) güçlü bir çalkalama ile suya dağıtıldığı bir polimerizasyon reaktöründe basınç altında işleme sokulur. Üretime bir reaksiyon başlatıcısı da eklenir. Sonra karışım 60 - 70°C dereceye kadar ısıtılır. Monomerin % 90 kadarı polimere dönüştüğünde tepkime, sulu karışımın bir gaz ayrıştırıcısında gazın boşaltılması ile durur. Geriye kalan monomer, polimer filtreden geçerken geri dönüştürülür, santrifüje yollanır ve kurutulur.

Emülsiyon prosesinde ise VCM, sabun tipi emülgatörlerle suda dağıtılarak macun tipi PVC üretilir. Emülsiyon polimerizasyonu, mineralden arındırılmış su, VCM, suda çözünen bir tepkime başlatıcı (hidrojen peroksit) ve sabun tipi emülgatörlerin eklendiği bir reaktörde gerçekleştirilir. Reaktörde, lateks adı verilen, boyalar ve bitirmeler için kullanılabilen süte benzer bir emülsiyon oluşur.

PVC, iki aşamalı kesikli bir işlem olan kütle polimerizasyonu ile de üretilir. Bu işlemde polimerizasyon sırasında su eklenmez. İlk aşamada, VCM bir reaksiyon başlatıcı ile % 10 dönüşüm sağlanana kadar ön-polimerizasyona tabi tutulur. İkinci aşamada ise çözelti, daha çok VCM’in ve reaksiyon başlatıcısının eklendiği ve karışımın ısıtıldığı reaktöre gönderilir. Toz halinde polimer, yüksek berraklığa sahip film yapımında kullanılabilir.

Sert ve kırılmaya yatkın olan PVC tipleri kolay işlenemezler.  Bu nedenle plastifiyanlar veya ısı stabilizatörleri gibi katkı maddelerinin eklenmesi gerekir.

PVC’nin kullanım yerleri

PVC modern çağın en çok kullanılan plastik malzemelerinden biridir. Çeşitli katkı maddeleri eklenerek dayanıklılık, yanmaya ve aşınmaya direnç, suya direnç, işlenebilirlik ve esneklik, bakım kolaylığı gibi mükemmel özellikler kazanan PVC birçok alanda kullanılmaya uygun hale gelir.   

Katkı maddeleri (stabilizatörler, imalat sırasında eklenen bazı maddeleri, plastifiyanlar, dolgu maddeleri ve renklendiriciler) kullanılarak PVC’den belli özelliklere sahip ürünler elde edilebilir.  Bu ürünler şöyle sıralanabilir:

• Kapı ve pencere çerçeveleri,
• Zemin ve duvar kaplamaları,
• Elektrik kabloları
• Su ve kanalizasyon boruları,
• Şişeler ve kaplar,
• Folyolar,
• Tıbbi araçlar,
• Oyuncaklar.

Birçok farklı sektörde kullanılan bu hammadde ile ilgili yıllardır sorular sorulmaktadır.  Bu soruların doğru yanıtlarını gözden geçirmekte fayda vardır:

• İnşaatlarda, binalarda plastik ve PVC kullanılırsa çok miktarda ahşaptan tasarruf sağlanabilir.  Oksijen kaynağı olan orman arazileri azalmaz. 

• PVC yanıcı bir malzeme değildir. Hatta kendiliğinden sönme özelliği vardır. Eğer tutuşursa, kendiliğinden söner. PVC’nin sürekli yanabilmesi için ortamdaki oksijen oranının % 40 – 50 oranında olması gerekir. Oysaki havada oksijen % 21 oranında bulunmaktadır. Bu nedenle PVC’nin yanıcılık bakımından, ahşap gibi geleneksel malzemelere kıyasla, binalarda daha güvenle kullanılabilir bir malzemedir denebilir. 

• Klorun tehlikeli ve zehirli bir madde olduğu doğrudur. Ancak, klor sofra tuzunda da bulunur ve aynı sofra tuzunda olduğu gibi PVC’de bağlı bir elementtir ve ne imalat sırasında ne de ürünün kullanılması esnasında ayrışmaz. 

• PVC’nin kurşun içerdiği ve bu yüzden tehlikeli olduğundan çokça söz edilmektedir. Ancak her tip PVC hammaddesinde kurşun veya başka bir ağır metal bulunur demek doğru değildir.  Özellikle inşaat sektöründe, kablo ve boru gibi ürünler için üretilen hammaddelerde stabilizatör olarak kurşun bulunabilir. Bunların suda çözünerek doğaya karışması da çok kolay değildir.  Günümüzde PVC hammaddeleri, çevre için zararlı olabilecek bu ağır metal oranları dikkate alınarak üretilmektedir. Çok uzun bir süredir PVC için stabilizatör olarak organik kalay bileşikleri kullanılmaktadır. Stabilizatör olarak çinko ve kalsiyum bazlı katkı maddelerinin kullanılmasının yaygınlaştırılmasına da devam edilmektedir.  

• PVC’ye yumuşaklık sağlamak için plastifiyanlar eklenmektedir.  Doğru bir şekilde, doğru miktarlarda uygulanmaları gerekmektedir.  Yeni geliştirilen plastifiyanlar, güvenle kullanılabilmektedirler.  Dioktil ftalat (DOP) olarak bilinen katkı maddesi en çok bilinen plastifiyandır.  Bu maddenin kullanımı ile ilgili birçok test yapılmıştır, etkileri ve miktarları belirlenmiştir. 

• PVC’nin hidroklorik asite dönüşerek asit yağmuruna dönüştüğü şeklindeki inanış doğru değildir. PVC ancak yüksek sıcaklıkta ayrışırsa hidroklorik asit açığa çıkar ancak normal sıcaklıklarda böyle bir durum için kaygılanmaya gerek yoktur. 

• PVC geri kazanımı mümkün bir plastiktir. Diğer termoplastikler gibi yeniden işlenebilir veya özel yöntemlerle geri kazanılabilir.

Terimler Sözlüğü

Emülgatör: İki karışmaz sıvının bir karışımına, sadece birbiri üzerine iki katman sıvı olması için değil, bir emülsiyon oluşturması için eklenen bir bileşik.  Emülgatör genellikle, moleküllerinin bir ucu suda çözünür ve diğer ucu ise organik bir maddede çözünür özelliğe sahip bir sabuna benzer. Sabun molekülleri misel adı verilen, topa benzeyen, ve suda çözünür uçların suya, organik çözünür uçların ise top şeklindeki yapının merkezine uzandığı küçük yapılar oluştururlar. Yağ, miselin merkezinde saklanarak suda sabit hale gelir. Böylece su ve yağ karışmış olarak kalır.

Emülsiyon: Bir sıvının diğer bir sıvıda dağıtıldığı bir dağılım – örneğin süt, yağın su içindeki bir emülsiyonudur.

Emülsiyon polimerizasyonu: VCM monomeri, yüzey-aktif etken maddeler yardımıyla suda emülsiyonlaştırılır. Monomer, damlacıklar halindedir ve küçük bir bölümü de misellerin içinde erimiştir. Suda çözünen bir reaksiyon başlatıcı eklenir ve misellerde polimerizasyon başlar. Monomer, emülsiyon damlacıklarının sulu aşamayla yayınımı (difüzyonu) ile lateks parçacıklarına (misellere) eklenir. Kesikli polimerizasyon: Bir reaktördeki tüm bileşenler; ürün elde edildiğinde polimerizasyon durur. Yarı-devamlı polimerizasyon: Polimerizasyon boyunca sürekli olarak emülgatör eklenir. Devamlı polimerizasyon: Su, reaksiyon başlatıcı, monomer ve emülgatör reaktörün tepesinden eklenir. Reaktörün altından PVC lateks alınır. Lateksin gazı alınır ve kurutulur; geriye kalan katı PVC saklanır.

K-değeri: PVC polimeri için, polimer molekülü uzunluğunu tanımlayan bir özellik.

Kütle Polimerizasyonu: Bu işlemde, monomerler sulandırıcı olmadan polimerleştirilir. Reaksiyon, yüksek derecede ısıveren bir reaksiyon olduğu için, işlem küçük kazanlarda gerçekleştirilir ve reaksiyon ilerledikçe ortam sıcaklığı düşürülür.

Misel – Hidrofilik uçlar dışa uzanırken, tüm hidrofobik uçların ince bir hidrofobik faz oluşturmak üzere içe uzandığı organize bir yüzey-aktif moleküller damlası. Bkz. aşağıdaki şekil:

Reaksiyon başlatıcı: Kimyasal bir tepkimenin başlamasına neden olan ve tepkimenin sonunda ortaya çıkan bileşimin bir parçası olmak üzere tepkimeye giren etken madde. Başlatıcılar, katalizörlerden farklı olarak reaktantlarla tepkimeye girerler.

Yüzey-aktif madde – Surfactant.  İngilizce SURFace (yüzey) ACTive (aktif) AgeNT (aracı madde) sözcüklerinin ilk hecelerinden türetilmiş bir sözcük. İki madde arasındaki sınırda yer almayı tercih eden bir madde – örneğin, deterjanlarda bir uç büyük ölçüde yağlı maddelerde çözünebilir halde iken bir uç da suda çözünebilir haldedir.

PVC’nin gerçek hikayesi - Bölüm 1

İçinde bulunduğumuz çağ, plastik malzemelerin yaygın kullanılması nedeniyle çoğu zaman “plastik çağı” olarak da isimlendirilmektedir. 

Doğada yapı olarak plastiklere benzeyen birçok malzeme bulunmaktadır.  Bu malzemelerin geçmişi milyonlarca yıl önceye uzanır.  Mücevherlerde kullanılan “kehribar”, içeriğinde bulunan uçucu bileşenlerin uzun sürede buharlaşması ve bu olurken kimyasal yapısının değişmesi suretiyle ağaç reçinesinden elde edilmektedir.  Aynen plastik malzemelerde olduğu gibi, kehribarın rengi de çok açık tonlardan koyu kahverengiye kadar uzanan geniş bir yelpaze oluşturur. 

Polivinil klorür ya da bilinen kısa adıyla PVC, 1835 yılında Fransa’da başlayan hikayesiyle en uzun geçmişi olan sentetik plastik malzemelerden biridir.   Vinil klorür monomeri (VCM) ilk kez Fransa’da üretilmiştir.  İlk polimerleştirme deneylerinde monomer güneş ışığına maruz bırakılmış ve monomerler bir zincir oluşturarak ilk PVC polimerini oluşturmuştur.   

Bu polimerleştirme prosesi 1912 yılında patent almaya hazır hale gelmiştir.  Deneme üretimleri ise 1930’ların başında, Almanya ve ABD’de başladı.  Geliştirilen ürünün tanıtımına ve pazarlanmasına ise 1939 yılında başlanmıştır. 

Kullanımı sürekli artan PVC, günümüzde en sık kullanılan ticari polimerlerden birisidir.  Ancak 1980’lerden beri bu malzeme bazı nedenler öne sürülerek sürekli olarak saldırıya maruz kalmıştır.  Bu saldırıların ardındaki yanlış inanışlar nelerdir ve bunların doğrusu nedir? Bu konuyu açıklığa kavuşturmak için, PVC’nin gerçek dünyasına bir bakalım.

PVC nasıl üretilir?

PVC üretiminin en baştaki hammaddeleri tuzlu su (NaCl ve su çözeltisi) ve petrolden elde edilen etilendir. 

Petrol, organik maddelerin birikmesi ve değişime uğraması sonucunda milyonlarca yıl içerisinde oluşur.  Tuzun ana kaynağı deniz suyu ve tuzlu su gölleridir.  Dünyanın jeolojik tarihi boyunca, kara ile çevrilmiş tuz göllerindeki su kurumuş ve kaya tuzu ayrılmıştır (kristalleşmiştir) ve tuz madenleri de bu şekilde oluşmuştur.  Bu nedenle PVC’nin ikinci hammaddesi olan tuz bu madenlerden ve suyun buharlaşması sonucunda veya doğrudan deniz suyundan elde edilir.

Ortam sıcaklığında PVC sıradan solventlerde çözülmeyen, kokusuz, tatsız beyaz bir tozdur.

Tuzlu su elektrik enerjisi kullanılarak, elektroliz yöntemi ile kimyasal bileşenlerine ayrışır.  Daha sonra klor (Cl) ve başka iki yararlı madde olan sodyum hidroksit (NaOH) ve hidrojen elde edilir.  Klor kimyasalı, PVC üretiminin yanı sıra, klor bazlı endüstrilerde (özellikle ilaç endüstrisinde) ve evlerde de kullanılır (çamaşır suyu).

Etilen ise çeşitli karmaşık kimyasal süreçler sonucunda elde edilir (ileri ki yazılarımızda bu süreçleri detaylı bir şekilde açıklayacağız).

PVC üreticilerinin bir çoğu PVC tesislerinin yanı sıra bir klor tesisini de içeren entegre üretim tesislerine sahip olduğu için klor-alkali ve PVC genellikle birlikte anılır.  Temel olarak bir klor-alkali tesisi, klor ve kostik soda yani NaOH üretmek için elektrik enerjisi ve tuzdan yararlanır.

Kostik soda ve klor nasıl üretiliyor?

Kostik soda veya NaOH (sodyum hidroksit) suda ve alkolde çözülebilen beyaz bir alkalindir.  NaOH genellikle kağıt hamuru ve kağıtta, alüminyum oksit üretiminde, cam, sabun, deterjan ve tekstil endüstrilerinde kullanılmaktadır.

Elektrokimyasal bir ünitede (ECU) üretilen kostik soda üretiminde, çok büyük iletkenler arasından elektrik akımının geçtiği tuzlu su (NaCl ve su çözeltisi) kullanılır.  Kostik soda ve ortak ürünü klor (Cl₂) temel olarak, her 1 ton Cl₂ için 1.1 ton NaOH  üreten elektroliz yöntemi ile elde edilir. Bu değere ECU da denmektedir. 

Geleneksel olarak elektroliz, cıva veya diyafram hücre teknolojileri kullanılarak gerçekleştirilmektedir.  Ancak, artık iyon değişimli zar hücreler (membrane cells) çevresel ve ekonomik yararları dolayısıyla giderek daha yaygın olarak kullanılmaktadır.

Zar hücrenin kullanıldığı yöntem, aslında polimer endüstrisindeki yeni gelişmelerin bir sonucudur.  Bu işlemde iyon değişim zarı tüm gaz ve sıvı akışlarına karşı bir bariyer görevi görür ve kompartımanlar arasında sadece sodyum iyonlarının geçişine izin verir.  Sodyum iyonları, hidrojenin serbest kaldığı katotta NaOH üretmek üzere hidrat hale geçer.  Zar genellikle bir ko-polimer veya tetrafloroetilen veya benzer bir florlu monomerdir.  Zarın kendisinin çok pahalı olmasına ve çok yüksek saflıkta tuzlu su gerektirmesine rağmen, bu yöntem ile, üretim sırasında çevreye zarar vermeyen yüksek kalitede ürün elde edilir.

Klor (Cl₂) reaktif bir gazdır. Nihai ürüne yönelik başlıca kullanım alanı olan PVC üretiminde tüketiminin % 36’sı EDC (etilen diklorür) ve VCM (vinil klorür) ara ürünleri aracılığıyla kullanılır. Geri kalanı organik kimyasallar, klorlu ara ürünler, su arıtma, kağıt hamuru ve kağıt endüstrisi ile diğer uygulamalarda kullanılır.  Cl₂’nin taşınması çok zor ve tehlikeli olduğu için günümüzde çoğu üretici entegre tesislere sahiptir.  Bu nedenle, kostik soda piyasada satılan bir ürünken, klor genel olarak üreticiler için entegre bir ürün kategorisindedir.

Etilen ve klordan EDC elde edilmesi

EDC (etilen diklorür), VCM (vinil klorür) ve trikloroetilen gibi bir çok kimyasalın üretiminde kullanılan bir ara üründür.  Berrak, renksiz, oldukça uçucu ve zehirli, yağlı bir sıvıdır.  Sulu bir ortamda bir çok metal ile reaksiyona girmesi söz konusudur.

C₂H₄       +       Cl₂      ®      C₂H₄Cl₂        Doğrudan klorlama

Etilen              Klor                EDC

EDC, iki yöntemle üretilir; saf Cl₂ ve etilen kullanarak doğrudan klorlama veya etilenin Cl₂ ve HCl ile tepkimeye girdiği oksi-klorlama yöntemi ile..Doğrudan klorlama işleminde, Cl₂ ve saf etilen, bir katalizörün eşliğinde tepkimeye girerler.  Reaksiyon, düşük (20 - 70°C) veya yüksek sıcaklıkta (100 - 150°C) gerçekleştirilebilir.  Bu işlemde, yüksek dönüştürme oranlarına ulaşılabilir.

Şekil 1: EDC üretimi için doğrudan klorlama yöntemi

Oksi-klorlama yönteminde ise EDC, etilenin HCl ve oksijen veya hava ile tepkimeye girmesi ile oluşur. 200 - 300°C ve 4 - 6 bar basınçta bir katalizör eşliğinde oluşturulan tepkime ya sabit ya da sıvı yataklı bir reaktörde gerçekleştirilir. Buhar oluşumu için tepkimenin ısısı kullanılır.

C₂H₄       +                2HCl      +          1/2O₂     ®      C₂H₄Cl₂               Oksi-klorlama

Etilen                 Hidrojen Klorür           Oksijen                EDC

Şekil 2: EDC üretimi için oksi-klorlama yöntemi

EDC’den VCM üretimi

EDC’nin % 95’i vinil klorür monomerinin üretiminde (VCM) kullanılır.  VCM su ve alkolde çözülebilen renksiz bir gazdır.  VCM’nin hemen hemen tamamı PVC üretimi için kullanılmaktadır.  Günümüzde vinil klorür monomeri klor-alkali sürecinin bir parçası olduğu gibi; asetilen gazından da elde edilebilmektedir.  Asetilen bazlı VCM’nin ticari üretimine 1920’lerde başlanmıştır.  Ama daha sonra bu yöntemden yüksek maliyetler dolayısıyla vazgeçilmiş.

EDC’den VCM ısı yardımıyla parçalama yöntemi ile elde edilir.  Bu işlem, 450 - 550°C sıcaklıkta ve 1 - 40 bar basınçta katalizörler yardımı ile gerçekleştirilmektedir.  Üretilen gazlar, yan ürün oluşumunun engellenmesi için hemen soğutulmaktadır.  Daha sonra VCM, hidrojen klorürden (HCl) ayrılması için damıtma (distilasyon) kolonuna gönderilir.

C₂H₄Cl₂ ® C₂H₃Cl + HCl

EDC             VCM 

 Şekil 3: EDC parçalama ile VCM üretimi

Ekonomik nedenlerle, bir çok EDC/VCM hattı “klorlama – oksiklorlama – EDC parçalama” tesisleri ile entegre durumdadır.

Günümüzde, doğrudan etan gazından VCM üretimi de geliştirilmiştir.  Etan gazı ve kuru HCl arasındaki tepkime oksijenli bir ortamda gerçekleştirilmektedir.  Bu yeni katalitik yöntem, bugünlerde halen pilot bir tesiste test edilmektedir.  Üretici, bunun üretim maliyetlerini düşüreceğini, ama geleneksel VCM üretimine göre daha fazla yatırım gerektireceğini ifade ediyor.

Devam edecek..

Bu yazıda kullanılan bazı terimler ve anlamları

Alkalin: pH’si 7 ila 14 arasında olan bir solüsyon. Alkalin maddelere genellikle “baz” denir.

Alkol: Karbon, hidrojen ve oksijenden oluşmuş bir kimyasal bileşikler grubu ailesine verilen ad. Molekül serileri zincir uzunluğu bakımından farklılık gösterir ve bir hidrokarbon ile bir hidroksil grubundan oluşur; CH₃–(CH₂)_n–OH (örneğin, metanol, etanol ve üçüncü dereceden bütil alkol)

Baz: pH’si 7’den büyük bir madde.

Elektrokimyasal Ünite (ECU): Klor – alkali proseslerinde, bir birim klora karşılık 1.1 birim kostik soda (NaOH) oranında üretim gerçekleşir. Bir birim klor ve 1.1 birim kostik sodanın birleşimi bir ECU’dur.

Elektroliz: Bir maddenin, genellikle bir çözelti içinde veya bir elektrik akımı geçişi ile bir eriyik olarak ayrıştırılması işlemi.

Entegre üretim: Dönüştürme proseslerinin tamamının tek bir bünyede toplanmış olması.  Dönüştürme prosesleri içinde tek başına bir ünite olması genellikle nakit maliyet artı yeniden yatırımı kapsayan sermaye maliyetini gerektirdiği için entegre üretim modeli ekonomik açıdan önemli bir modeldir.

İyon: Pozitif veya negatif bir elektrik yüküne sahip bir atom veya molekül.

Klor-alkali: Elektrolizin birleşik ürünleri olan klor ve kostik sodayı ifade etmek için kullanılan tanımlayıcı terim.

Klor-alkali endüstrisi: Klor ve kostik soda ortak ürünlerini üreten sürece dayalı endüstri.

Tuzlu su: Tuzun sudaki çözeltisi.