Atık çay posasındanbiyobozunur ve antimikrobiyal polimerik jel-film üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterisation of biodegradable and antimicrobial gel film from waste tea pulp
Yazar: ŞEYDA TAŞAR
Danışman: PROF. DR. AHMET ÖZER
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Petrol esaslı polimerik malzemelerin çevresel zararları (örneğin küreselısınmaya neden olmak veya aşırı CO2 emisyonu, biyobozunur olmamaları), canlılar üzerindeki toksik etkileri ve petrol rezervinin sınırlı oluşu nedeni ile yakın gelecekte enerji darboğazı ile karşılaşılma ihtimali; polimerik mamullerin üretimi için alternatif ve sürdürülebilir hammadde arayışını doğurmuştur. Bu sebeple, son zamanlarda bitkisel ve hayvansal esaslı sürdürülebilir kaynaklardan biyobozunur ve çevre dostu polimerik mamullerin üretim yöntemlerinin geliştirilmesine yönelik çalışmalar artmaktadır. Üretilen biyopolimerlerin petrol esaslı polimerik mamullerle ticari alanda rekabet edebilmeleri için, mekanik/elastik/su dayanım özelliklerinin artırılmasına yönelik spesifik çalışmalar sürdürülmekle birlikte, ticari-teknik-ekonomik ve sürdürülebilir kaynaklar konularındaki mevcut soru işaretleri yerini korumaktadır.
Bu çalışmada, daha önce polimerik malzeme üretiminde değerlendirilmemiş evsel atık nitelikli bir biyokütle kaynağı olan çay posası kullanılarak; mekanik/su dayanımı yüksek, nem tutma kapasitesi ve su buharı geçirgenliği düşük (su buharı bariyeri gibi davranan), çevresel uyarıcılara (pH, sıcaklık) duyarlı, biyobozunur, antimikrobiyal polimerik jel film üretilmesi amaçlanmıştır. Üretilen polimerik jel filmin çevresel pH değişimine cevabı, geleneksel akıllı polimerlerik jellerin aksine şişme ve büzülme hareketi ile değil, pH değişimi ile jel filmin renk değişimi şeklinde gerçekleştirilmiştir. Polimerik jel filmin pH ve sıcaklığa karşı duyarlılığı, antimikrobiyal ve mekanik dayanımı sırasıyla polimerik yapıya katılan doğal bitkisel pH indikatörü (mor lahana ekstraktı), komonomerler, bitkisel uçucu yağlar (nane, biberiye, kekik, ardıç vb.) ve doğal katkı maddeleriyle (kitin, kitosan, montmorillant, bentonit) sağlanmıştır. Jel filmin su dayanımı ise polimerik jelin çapraz bağlı ağ yapısı ile sağlanmıştır.
Çalışma üç aşamada gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında,  yerel piyasadan temin edilen çay posası uygulanan ön işlemleri takiben ekstraksiyon yöntemi ile temel bileşenlerine (selüloz-hemiselüloz-lignin) ayrıştırıldı ve elde edilen bileşenler uygun enstrümantal yöntemler (FTIR, XRD ve H-NMR) kullanılarak karakterize edildi. İkinci aşamada, üretilen polimerik jel filme pH duyarlılığı kazandırmak için mor lahanadan renk pigmenti su ile ekstrakte edildi ve yapısı FTIR ile analiz edildi. Üçüncü aşamada, ekstraksiyon işlemi sonucu elde edilen ve karakterize edilen hemiselülozun polimerizasyonu ile pH ve sıcaklık duyarlı polimerik jel film üretilerek karakterize edildi. Jel film çözelti döküm tekniğine uygun olarak üretildi. Üretilen jel filmlerin fizikokimyasal özellikleri ve çevresel uyarıcılara duyarlılığı üzerine; komonomer, çapraz bağlayıcı ve başlatıcının tür ve miktarı, doğal indikatörün miktarı, antimikrobiyal bitkisel ürünlerin türünün etkisi incelendi. Sentezlenen polimerik jel filmlerin yapısal, morfolojik, fizikokimyasal, termal ve optik özellikleri belirlenerek karakterizasyonları sağlandı. Bu amaçla, sentezlenen jel filmlerin FTIR, SEM ve DSC analizleri yapılarak,  su buharı geçirgenlik testi, nem tutma kapasitesi testi, denge ve dinamik şişme testleri, ışık geçirgenlik testleri gerçekleştirildi.
Hemiselüloz bazlı jel filmlerin %100 bağıl nem içeren ortamda maksimum %1, nem sorbe ettiği belirlenmiştir. Tez kapsamında üretilen polimerik filmlerin ortalama çözünürlük değerlerinin, yaklaşık olarak % 0.4 ile % 1.8 arasında değiştiği tespit edilmiştir. Üretilen filmler içinde en düşük su buharı geçirgenliğine (5.88x10-10g/sn.Pa.m) sahip filmin, kitosan katkılı film olduğu saptanmıştır. Mor lahana ekstratı ekleyerek hazırlanan jel filmlerin farklı pH ortamlarına konduğunda geri dönüşümlü bir renk değişimi gösterdiği gözlenmiştir.Hemiselüloz esaslı polimerik jel filmlerin ışık geçirgenliğinin yaklaşık% 45 ila% 65 arasında değiştiği ve opaklık/kalınlık değerlerinin 0.0027-0.0011 μm-1aralığında olduğu belirlenmiştir.Bu çalışma kapsamında üretilen biberiye, kekik, karanfil ve ısırgan uçucu yağları içeren polimerik filmlerin antimikrobiyal aktiviteye sahip olduğu ve E-coli üzerinde önemli bir inhibitör etkisi olduğu gösterilmiştir.Sentezlenen hemiselüloz bazlı jel filmlerin beklendiği gibi biyobozunur olduğu belirlenmiştir. Farklı koşullar altında üretilen polimerik filmlerin, 60 gün sonra toprakta% 80-98 oranında bozulduğu tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Biyobozunur, antimikrobiyal, polimer, jel film, çay posası, alkali oksidatif ekstraksiyon, doğal indikatör,  pH ve sıcaklığa duyarlı polimerler.

Abstract:
The possibility of encountering an energy bottleneck in the near future due to the environmental impacts of petroleum based polymeric materials (caused by global warming or excessive CO2 emission, lack of biodegradability), having toxic effects on living beings and the limited availability of oil reserves; led to the search for alternative and sustainable raw materials for the production of polymeric products. For this reason, studies have recently been increasing on the development of methods for the production of biodegradable and environmentally friendly polymeric materials from plant and animal based sustainable sources.While there are specific studies to improve the mechanical/elastic/water resistance properties of the produced biopolymers in order to compete with the petroleum-based polymeric products in the commercial field, there are ongoing question marks on commercial-technical and sustainable economic resource.
In this study, it was aimed to produce polymeric gel films which is highly mechanical/water resistant and low in water vapor permeability and moisture uptake capacity (which acts as an water vapor barrier), responsive to environmental effects (pH, temperature) biodegradable and antimicrobial from tea pulp, which is a qualified domestic field and has previously not been evaluated for the production of polymeric materials. Unlike conventional smart polymeric gels, the response of produced polymeric gel films to environmental pH change was achieved not by swelling and shrinkage but the change in the color of gel with the change in pH. The sensitivity of polymeric gel films to pH and temperature, antimicrobial and mechanical resistance properties are determined by adding to the polymeric structure the natural herbal pH indicator (extract of purple cabbage), comonomers, herbal essential oils (mint, rosemary, thyme, juniper etc.) and natural additives, (chitin, chitosan, montmorillonite, bentonite). The water resistance of the polymeric gel has been achieved with the cross-linked network structure of the gel.
The study was carried out in three stages. In the first phase of the study, the waste tea pulp obtained from the local market was separated into its basic components (cellulose-hemicellulose-lignin) by extraction method followed by the pretreatment applied and then the components obtained from the tea pulp  were characterized using suitable  instrumental methods (FTIR, XRD and H-NMR) .In the second stage, the color pigments, which was used to provide a pH-sensitive to the polymeric gels, was extracted by water from purple cabbage and then the extract was characterized by FTIR spectrometry. In the third stage, the polymeric gel film, which was pH and temperature sensitive, was produced by polymerization from hemicellulose extracted from waste tea pulp and characterized. Polymeric gel films were produced in accordance with solution-casting technique. The influence of type and amount of co-monomer, cross-linker and initiator, the amount of natural indicator and the type of antimicrobial plants were investigated on the physicochemical properties of the gel films produced and their sensitivity to environmental stimulants. The synthesized polymeric gel films were characterized by determining the structural, morphological, physicochemical, thermal and optical properties of them. For this purpose, FTIR, SEM and DSC analyzes of the synthesized gel films were carried out. Water vapor permeability test, moisture retention capacity test, equilibrium and dynamic swelling tests, light permeability tests of the gel films were performed.
Hemicellulose based gel films were absorbed maximum 1% in 100% relative humidity environment.  It has been determined that the average solubility values of the polymeric films produced within the scope of the thesis vary between approximately 0.4% and 1.8%. Among the films, the lowest water vapor permeability (WVP) value (5.88×10-g/sn.Pa.m) was measured for the hemicellulose based film which is contained chitosan. It was observed that gel films prepared by adding purple cabbage extract showed reversible color change when put in different pH environments. It has been determined that the optical transparency of hemicellulose based polymeric gel films varies from about 45% to 65% and the opacity/thickness values are from 0.0027-0.0011μm-1. Polymeric films which were contained rosemary, thyme, carnation and nettle volatile oil produced within the scope of this study have been shown to have antimicrobial activity and a significant inhibitory effect on E-coli.The synthesized hemicellulose based gel films were found to be biodegradable as expected. Polymeric films produced under different conditions were determined to degradased by 80-98% in the soil after 60 days.
	
Keywords:Biodegradable, antimicrobial, polymer, gel film, waste tea pulp, alkaline oxidative extraction, natural indicator, pH and temperature-sensitive polymers.