Haber-Bosch Döngüsü ile Dünyayı Beslemek: Kimya Mühendisliği, Gıda Üretim Verimliliğini Nasıl Arttırdı?

Hiçbir kimya mühendisliği başarısı, birçok buluşun çift yönlü yapısını Haber-Bosch prosesi kadar iyi gösteremez. Endüstri kimyageri Fritz Haber tarafından geliştirilen, kimya mühendisi Carl Bosch tarafından ölçeği büyütülen Haber-Bosch prosesi, havadaki azotu alır ve amonyağa çevirir. 

Bu yöntem, sentetik gübre üretimi ve dünyanın artan nüfusu için yeterli gıdayı üretebilmeyi mümkün kılmıştır. Haber-Bosch prosesi¹ olmadan gerçekten de bugün ürettiğimiz gıda miktarının ancak üçte ikisini üretebiliyor olurduk ve dünya nüfusunun da buna bağlı olarak azalması gerekirdi.

Wikimedia Commons

Öte yandan azot, aynı zamanda, güçlü patlayıcıların üretiminde ana hammadde olarak kullanılır. Almanya I. Dünya Savaşı'nın ilk evrelerinde doğal amonyak kaynaklarını tükettiği zaman, yapay amonyak oluşan boşluğu doldurmak için oradaydı. Haber-Bosch prosesi olmadan I. Dünya Savaşı oldukça kısa sürmüş olurdu.

Tam bir vatansever olan Haber, I. Dünya Savaşı'nda Almanya'nın çıkarları için kimyasalların kullanımı üzerine yaptığı çalışmalar sebebiyle ün kazanacaktı. Haber, 1915 yılında Ypres'te gerçekleştirilen ilk büyük çaplı klor gazı salınımını denetledi ve yönetti.

Wikimedia Commons

Kıtlığı Bertaraf Etmek

Buna rağmen Fritz Haber haklı olarak en çok Haber-Bosch prosesi ve bu prosesin büyüyen dünya nüfusunun beslenmesine yönelik katkısıyla hatırlanır. Sanayi Çağı'nın doğuşu ve şehirlere gerçekleşen büyük göçten dolayı, toprağı besinle doldurmak için gübreler olmazsa olmazdı. Şili guanosu² gibi doğal gübreler sınırlı kaynaklardı ve eğer bilim kurtarmaya gelmeseydi kıtlık yaşanması kesindi.

Sorunu çözmek, Haber ve Bosch'a kimyada iki Nobel Ödülü getirdi. Haber 1918'de, Bosch ise 1931'de Nobel Ödülü kazandı.

Sorun azotun atmosferde bolca bulunmasına rağmen, içerdiği üçlü bağların molekülünü son derece kararlı yapması ve bu sebeple bağlanmasını da çok zor hâle getirmesiydi. Haber, bu sorunu çözme kararı alan Walther Nernst ve Henry Le Chatelier gibi kimyagerlerden biriydi.

Patikalar ve Çıkmaz Sokaklar

Haber ilk başta bir gök gürültülü fırtınada meydana gelen doğal süreçleri taklit ederek, elektrik boşalımları yardımıyla azot oksit üretmeyi denedi. Fakat verim çok düşüktü ve proses o kadar zahmetliydi ki Haber bu yöntemi kullanışsızlığından bıraktı.

Sonrasında Haber yüksek sıcaklıkta senteze yatırımda bulundu ve bir dereceye kadar da başarılı oldu, hatta 1905'te az miktarda azot üretmeyi başardı. Ancak 1000ºC civarındaki sıcaklıklarda elde edilmiş %5 verimden dolayı hayal kırıklığına uğramıştı. Daha iyi katalizörler³ veya yüksek basınç gerekliydi. Fakat yüksek basınçta sentez henüz başlangıç aşamasındaydı ve uygun araç gereç sayıca azdı. Nitekim azotun yüksek basınç altında bağlanmasını ilk öneren kişi olan Le Chatelier, kısmen kuvvetli bir laboratuvar patlamasından sonra vazgeçmişti.

1908'e gelindiğinde, öğrencisi Robert le Rossignol ile çalışan Haber, yüksek basınç yolu ile uğraşmaya karar verdi. Bu iyi bir seçimdi. Bir yıl sonra, bir osmiyum ve uranyum katalizörü üzerinde, 550°C'de yaklaşık 175 atmosfer basınçla çalışan ve % 15'lik amonyak üreten bir prosesin patentini aldılar.

The Chemical Engineer

Laboratuvardan Sanayiye

Proses kısa süre sonra "Badische Anilin und Soda Fabrik"e (günümüzde kısaltması olan BASF ile bilinir) verilmişti. BASF ise prosesin ölçeğinin büyütülmesi için kimya mühendisi Carl Bosch'u görevlendirdi. Bosch daha sonraları şöyle demişti:

Bir tesisin inşaatı gerçekleştirilmeden önce mutlaka çözülmesi gereken üç ana sorun olduğu açıkça ortadaydı. Bunlar, hammaddelerin, yani hidrojen ve azot gazının, şimdiye kadar mümkün olandan daha düşük bir fiyata tedarik edilmesi; etkin ve kararlı katalizörlerin imalatı; ve son olarak ekipmanın yapımıydı.

The Chemical Engineer

Ucuz ve neşe verici

Haber'in elektroliz yoluyla hidrojen üretim prosesi tıpkı diğer prosesler gibi ölçek büyütmeye elverişli değildi. Bilinen diğer hidrojen üretim prosesleri de ya çok pahalıydı ya da hidrojeni çok büyük safsızlıklarda⁴ üretmekteydi.

Bosch ve takımı neticede su gazının⁵ (hidrojen ve karbon monoksit içeren bir sentez gazı) tek pratik çözüm olduğunda karar kıldılar. Şirket, saf hidrojeni yeni geliştirilmiş Linde-Frank-Caro prosesi ile özütledi. Bu proses su gazını birkaç aşamada -205ºC'ye soğutuyordu, bu sıcaklıkta su gazında bulunan hidrojen dışındaki tüm elementler sıvı hâle geçmekteydi.

İkinci büyük katkı ise uranyum-osmiyum katalizörünün daha pratik bir alternatif ile değiştirilmesiydi. Osmiyum elementi ölçek büyütme için uygun değildi çünkü küresel kaynaklar sadece birkaç kilogram miktarındaydı. Uranyum ise pahalıydı ve su ile oksijene karşı oldukça hassastı. Bosch'un asistanı olan Alwin Mittasch'ın demir oksit esaslı bir katalizör karışımını mükemmelleştirmesi için 20,000 deney gerekecekti. Katalizör türünün ilk örneğiydi, osmiyum ve uranyum kadar iyi iş görüyordu. Kolayca bulunabiliyordu ve ucuzdu. Bu katalizör günümüzde hâlen kullanılmaktadır ve Mittasch da katalitik kimyanın⁶ büyük öncülerinden biri olarak hatırlanıyor.

Basınçlı Tank

Bosch, en büyük başarısının üçüncü sorun olan tepkimenin yüksek sıcaklık ve basınçlarına dayanabilecek bir reaktörün nasıl yapılacağının çözümlenmesi olduğuna inanmaktaydı. Yüksek basınç kimyası hâlâ çok yeni bir alandı ve uygun ekipman mevcudu azdı. Var olan tek yüksek basınç prosesi, Linde'nin yumuşak lehimli bakırdan bir reaktör kullanan hava sıvılaştırma prosesiydi. Bu proses yüksek sıcaklık uygulamalarına tamamen elverişsizdi.

Bosch'un ilk işi yeni bir laboratuvar tipi reaktör geliştirmekti. Bunun için Haber'in orijinal tasarımını yeniden modelleyerek, sağlam ve güvenilir bir reaktör tasarladı. Mittasch mükemmel katalizör arayışındayken, 24 örnek tasarım birkaç yıl durmaksızın çalıştı.

Küçük tepkime odaları, Bosch'un ölçek büyütmede karşılaştığı sorunların hiçbirini göstermedi. Dış basıncı taşıyan parçalar da hava soğutma tarafından sabit tutulabilecek kadar küçüktü. Sadece iç parçalarda hafif bir mekanik gerilim bulunmaktaydı.

Bosch,

"Üretim aracı olarak daha küçük bir dönüştürücü yapmaya başladığımızda bu durum değişecekti."

demişti. Haber de benzer bir girişimde bulunmuştu ancak alet birkaç saat çalıştıktan sonra arızalanmıştı. Bosch'un takımı bu yüzden tepkime odası olarak çok sağlam, dıştan ısıtmalı, temaslı bir boru tasarladı. Buna rağmen işlerini şansa bırakmamışlardı. Bosch bu konu hakkında şöyle demişti:

Hidrojen yüksek basınçta açığa çıktığında sıklıkla kendiliğinden tutuşmasıyla ortaya çıkan yangınlara ve alev tepmelerine zamanla aşina olduğumuzdan, ekipmanı dikkatli davranarak endüstriyel faaliyetlerin gerçekleştirildiği yoğun merkezlerden uzakta, sağlam ve güçlendirilmiş betonarme bir odaya yerleştirdik.

Bu akıllıca bir yöntemdi: 80 saatlik bir çalıştırma sonrasında malzeme kırılgan hâle geldi ve borular patladı. Hidrojenin karbon çeliğindeki perliti dekarbonize⁷ edip, demirle kırılgan bir alaşım oluşturduğu ortaya çıkmıştı.

Bosch bu sorunu ilk kaplamalı tepkime odasını tasarlayarak çözdü: Yumuşak çelikle ince bir şekilde kaplanmış bir basınç taşıyıcı çelik ceket ile. Tehlikeli basınç yükselişlerini önlemek için hidrojenin kaplamanın içinden yayılarak, ceketteki oluk ve deliklerden sızmasına izin veriliyordu.

"Çözüm basit görünüyordu ve gerçekten de öyleydi ancak bütün prosesin geliştirilmesi büyük veya küçük ölçekte buna bağlıydı."

diyordu Bosch.

Güvenlik Değerlendirmeleri

Bu, Bosch'un sorunlarının sonuncusu değildi: Isı değiştirici oldukça verimsizdi, basınç taşıyan çelik ceketler uzun süre çalıştıktan sonra hâlâ bükülmeye ve patlamaya meyilliydi. Bosch o zamanın kurallarına aykırı olarak, reaktörü içten ısıtmayı denediğinde bu sorun çözülecekti. Kompresörler de⁸ güvenilir değildi ve sızdırma eğilimi gösteriyordu. Bu durum sızan gaz hidrojen olduğu zaman kabul edilemez bir risk yaratır, hiçbir kimyasal tesisinin günde en az bir kere arızalanan kompresörlerle çalışamayacağını söylemeye gerek bile yoktur.

Bosch'un takımı sadece kendi kompresörlerini üretmekle kalmadı, aynı zamanda sıcaklığı, gaz akımının şiddetini ve tepkime odasındaki gazın bileşimini ölçmek için kendi gözlem cihazlarını tasarlamak zorunda kaldı. Bu cihazlar 20 yıl sonrasında raflarda hazır olarak bulunabilecekti ancak Bosch, Haber'in tasarımının ölçeğini büyütürken hiç duyulmamış şeylerdi.

Bosch aynı zamanda sağlık ve güvenlik konusunda oldukça bilinçliydi ve tesisin rekor hızda durdurulması ve tahliyesi için sayısız hızlı kapama vanası ve ekipman tasarlamıştı. Bosch bu konu hakkında şöyle demişti:

Yıllar boyu yeterli tecrübeyi edinmeyi başardık, özellikle de savaş sırasında Oppau'daki çalışmalar üst üste her gece bombalanırken. Bugün de hâlâ kimsenin çok dikkatli olamayacağı kanaatindeyiz.

The Chemical Engineer

Doğa En İyisini Bilir

Haber-Bosch prosesini kullanan endüstriyel düzeydeki ilk tesis 1913 yılında BASF Oppau'da çalışmaya başladı. Neredeyse 100 senedir hiçbir şey değişmedi ve bu proses hâlâ dünya genelinde kullanılmakta.

Pixabay

Ancak Haber bunun değişeceğini öngörmüştü:

Azot bakterileri bizlere Doğa'nın nasıl taklit edeceğimizi henüz bilmediğimiz yöntemleri, canlı madde kimyasının karmaşık biçimleriyle hâlâ anladığını ve kullandığını gösteriyor. Bırakalım toprağın azotla gübrelenmesinin gelişimi, bu esnada insanlığa yeni besleyici zenginlikler getirmeye yetsin ve kimya endüstrisi, güzel topraklarda ekmeğini taştan çıkaran çiftçinin yardımına koşsun.

Dipnotlar

1. Proses: Süreç. Kimya mühendisliği ve çeşitli bilim dallarında herhangi bir şeyi korumak veya değiştirmek için üzerinde uygulanan fiziksel veya kimyasal işlemlerin tümüne verilen isim.
2. Şili guanosu: “Guano” terimi neredeyse hiç yağış almayan, sıcak ve kuru iklim bölgelerinde bulunan dışkı, yumurta kabuğu ve ölü deniz kuşlarının leşlerinden oluşan doğal mineral yataklarına verilen isimdir (Schnug, Jacobs, Stöven, "Guano: The White Gold of the Seabirds"). 19. yüzyılda Haber-Bosch prosesi keşfedilinceye kadar modernleşen tarımda hammadde olarak kilit rol oynamıştır. Avrupa ülkeleri ve Amerika Birleşik Devletleri 19. yüzyılda Peru, Şili gibi bölgelerden köleler yoluyla guano temin etmekteydi. İleri okuma için: Evan D.G. Fraser, Andrew Rimas, "Empires of Food: Feast, Famine, and the Rise and Fall of Civilizations" ( ISBN 978-1-4391-1013-3)
3. Katalizör: Kendisi değişmeksizin, kimyasal bir tepkimeyi sağlayan ya da tepkimenin hızının değişmesine yol açan madde.
4. Safsızlık: Herhangi bir maddenin saflık oranını azaltan durum. Maddenin içerisinde bulunan diğer materyaller maddenin saflığını azaltarak safsızlığını artırır.
5. Su gazı: Karbon monoksit ve hidrojen gazından oluşan gaz karışımıdır. Sentez gazından üretilir.
6. Katalitik kimya: Katalizörlerin yapısı ve kimyasal tepkimeler üzerindeki etkileriyle ilgilenen kimya alt dalı.
7. Karbon çeliği: Ağırlıkça %2.1 oranında karbon içeren çelik çeşididir. Perlit: Asitlik özelliği gösteren volkanik bir cam çeşidi. Dekarbonizasyon: Herhangi bir maddenin karbon oranının düşürülmesi işlemi.
8. Kompresör: Çeşitli gazları ve gaz karışımlarını atmosfer basıncından daha yüksek basınçlara çıkarmaya yarayan alet.