Ayçiçeği atığından antimikrobiyal selüloz eldesi
Antibacterial cellulose synthesis from sunflower waste
Yazar: NURTEN UZUN
Danışman: PROF. DR. OYA ATICI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Ayçiçeği,  tüm dünyada ve Türkiye?de yağ sanayiinde önemli yeri olan bitkidir. Yağı çıkarıldıktan sonra kalan atık kısımları yüksek protein ve karbonhidrat içeriği sayesinde kimya sanayiinde hammadde olarak kullanılabilmektedir.
Selüloz doğada en fazla bulunan polisakkasittir. Bitki hücre duvarında hemiselüloz ve lignin ile birlikte bulunmakta ve bitkiye sağlamlık kazandırmaktadır. Seluloz, glikoz moleküllerinin 1 ve 4 numaralı karbonlarının ß-D glikoz biriminin glikozit bağı ile bağlanması sonucu meydana gelmiş kristal polimeridir, yapısı rijittir ve bozunması için sert reaksiyon koşulları gerektirir. Selülozun çeşitli gruplarla modifiye edilmesi ile farklı özelliklere sahip polimerler elde edilmekte ve kimyanın çeşitli alanlarında kullanılmaktadır. 
Ortak yaşam alanlarının artması hastalıkları da beraberinde getirmektedir. Bakteri kaynaklı hastalıklar antimikrobiyal özellikli malzemeleri gündeme getirmektedir. Antimikrobiyal aktivite çeşitli şekillerde sağlanabilmektedir. Kuarterner amonyum tuzları antimikrobiyal etki gösteren bileşiklerdir. Mannich reaksiyonu ile kuarterner amonyum tuzları elde edilebilmektedir.
Bu çalışmada, Türkiye?de üretimi gerçekleşen ayçiçeğinin yağı alındıktan sonra geride kalan düşük ekonomik değere sahip atığının, antimikrobiyal ve biyobozunur madde yapımında kullanılarak, değerlendirilmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla atıkta yüksek miktarda bulunan selüloz ve karboksimetilasyon reaksiyonu ile suda çözünürlük kazandırılmış karboksimetil selüloz, kuarterner amonyum tuzu ve Mannich reaksiyonu ile katyonize edilmiş, antimikrobiyal özelliği araştırılarak   tekstil ve kozmetik endüstrisinde kullanımı değerlendirilmiştir.
Öncelikle ayçiçeği atığına iki ön işlem uygulanmıştır: yağ bileşenlerinin ve proteninin uzaklaştırılması. Ayçiçeği atığını, organik çözücülerde çözünen kısımları, yağ bileşenleri ve boyar maddelerinden arındırmak amacıyla organik çözücüler (toluen-etanol karışımı) kullanılarak ekstaksiyon yapılmıştır. %5-10 arası yağ bileşeni çözücüye geçmiştir. Devaks ayçiçeği atığına, proteinlerini ayırmak amacıyla pH=12  olan NaOH çözeltisi ile deproteinizasyon yapılmış ve atığın protein yüzdesi %34 olarak bulunmuştur. 
Yağ, vaks ve proteinlerinden ayrılmış olan ayçiçeği atığına hidrojen peroksit varlığındaki bazik ortamda, değişik sıcaklık ve sürelerde ekstraksiyon yapılmıştır. Ekstraksiyon ile lignin ve hemiselülozlarından ayrılmış olan selüloz için en ideal koşulların %10?luk (g/mL) NaOH çözeltisi kullanılarak baz:küspe oranı 16,6 milieşdeğer/g atık olacak şekilde ayarlanıp son konsantrasyonu %0,9 (g/mL) olacak şekilde %35?lik (g/mL) H2O2 çözeltisi eklenerek 24 saat 60oC sıcaklıkta olduğu belirlenmiştir. Bu şartlar altında kullanılan küspenin  ağırlıkça ortalama %30 kadar selüloz (S) izole edilebilmiştir. Saf olarak elde edilmiş selülozun FTIR ve NMR yöntemleri ile karakterizasyonu yapılmıştır. Molekül ağırlığı 153000 olarak bulunmuştur.
Ayçiçeği selülozü bazik ortamda CHPTAC (3-kloro-2-hidroksipropil trimetil amonyum klorür) ile reaksiyona sokularak katyonize selüloz elde edilmiştir. Katyonizasyonun en fazla olduğu reaksiyonun %60?lık CHPTAC çözeltisinden 173 g/L, NaOH çözeltisinin 128 g/L kullanıldığı, 2 saat, 25 oC sıcaklıkta yapıldığı belirlenmiştir. Bu şartlar altında ağırlıkça verim %85 olarak hesaplanmıştır. FTIR ve NMR yöntemleri ile spektral olarak karakterize edilen bileşiğin azot miktarı mikro Kjeldahl yöntemi kullanılarak bulunmuştur. En fazla %4,6 olarak bulunan azot miktarı ile sübstitüsyon derecesi 1,05 olarak hesaplanmıştır.
Bazik ortamda NaMCA (Sodyum mono klor asetat) ile yapılan karboksimetilasyon reaksiyonu ile suda ve organik çözücülerde çözünmeyen selüloza suda çözünürlük kazandırılmıştır. Spektral yöntemlerle reaksiyonun gerçekleştiği görülmüştür.
Karboksimetillenmiş çözünür selüloz CHPTAC (3-kloro-2-hidroksipropil trimetil amonyum klorür) ve Mannich reaksiyonu ile iki farklı şekilde kuarternize edilmiştir. CHPTAC ile katyonize edilmiş karboksimetil selülozun azot miktarı %2-3?tür.
Mannich reaksiyonda aktif hidrojen içeren bileşik olarak karboksimetil selüloz, amin bileşiği olarak dimetil amin ve ?-hidrojeni taşımayan karbonil bileşiği olarak formaldehit kullanılmıştır. En uygun koşullar 3 mL suda, 3 saat, 40 oC sıcaklıkta, 1,2 mol/L DMA ve 8,5 mol/L FA olduğu bulunmuştur. Reaksiyonun gerçekleştiği FTIR ve NMR yöntemleri ile ispatlanmıştır. Mannich reaksyonu ile elde edilen kuarternize karboksimetil selülozun azot miktarı  ise % 2 ile %3 olarak bulunmuştur.  Bu şekilde sentezlenen kuarternize selüloz yüksek köpük yapma kabiliyeti göstermiştir.
Damlatma yöntemi ile selüloz ve katyonik selülozların Pseudomonas aeruginosa ve Staphylococcus aureus bakterilerine karşı antimikrobiyal özellik gösterip gösterilmediğine bakılmıştır. Uygulanan yöntemler ile antimikrobiyel özellik tayin edilememiştir ancak kuarterner amonyum gruplarının teorik olarak antimikrobiyal özellik gösterdiği bilinmektedir.
Kuarterner amonyum grubu ile katyonize edilmiş selüloz elyafının tekstil sanayiinde lif olarak kullanılması düşünülebilir. Karboksimetil selülozun Mannich reaksiyonu ile kuarternize edilmesi sonucu oluşan suda çözünür katyonik selülozun ise kozmetik sanayiinde hammadde olarak kullanılması önerilebilir.

Abstract:
Nowadays, the goal of the creation of a bio-based economy is challenging to agriculture, forestry, chemistry and industry, so the research and developments of the renewable resources are very important for a sustainable development and tackling environmental issues. In our country every year high proportion of different characteristics of industrial wastes is emerging vegetable waste materials, includes mainly cellulose, hemicellulose and lignin.
Sunflower oil industry is an important plant in Turkey and all over the world. The waste of sunflower, which is not used in oil industry, can be used as raw materials in chemical industry because of including high content of proteins and carbohydrates.
Cellulose is the most abundant and enormous renewable polymers in the world. Of all the natural polysaccharides, cellulose is the most abundant polysaccharide available today worldwide and could be a primary chemical resource in the future. Cellulose is located in plant cell walls with hemicellulose and lignin and it gives strengt to plant. Celluloses consist of sets of parallel chains of (1-4) linked ß-D glucopyranose units interlinked by planar, intermolecular hydrogen bonds. Its extending properties which are generally strong hypophilic, stable to chemicals, safe to living bodies, reproducible, recyclable, and biodegradable contributes to many aspect and industries such as paper industry, food industry, pharmaceutical, paint and many more. Recently, high cellulose content of agriculture by-products as alternative renewable resources for cellulose production are receiving much attention.
The common living areas increase diseases that are related to bacteria. For this reason, antibacterial material is an important role in the society. Antimicrobial activity can be achieved in various ways. Cationic surface active agent can be used as a disinfectant because of their antimicrobial properties. Quaternary ammonium compounds are the most widely used agents due to their good antibacterial properties, their low toxicity, their lack of skin irritation, their low corrositivity, their good environmental stability, and their excellent cell membrane penetration properties. Quarternary ammonium salts can be prepared by Mannich reaction.
In this study, it is aim that the sunflower waste remaining after oil extraction which has low economic value was evaluated by making antimicrobial and biodegradable material. For this purpose,  the cellulose which is located in sunflower waste with high amount and the water soluble carboxymethyl cellulose synthesized by carboxymethylation reaction were cationized with  quaternary ammonium salt and Mannich reaction and then the use of textile and cosmetic industries was evaluated by investigating antimicrobial properties of them. 
First, two pre-treatment were applied to residues of sunflower: removal of oil components and removal of protein. Sunflower waste was extracted with the organic solvents that are the mixture of toluene and ethanol to remove the organic soluble components, oil components, and color components. Solvent oil component was between 5-10%. Dewax sunflower residue was deproteinization with NaOH solution at pH = 12  in order to separate proteins. The percentage of protein was found to be 34% of the waste.
The sunflower waste without oil, wax and protein was extracted in the presence of hydrogen peroxide in basic medium at different temperatures and times. For the cellulose does not contain lignin and hemicellulose, the most ideal conditions were  found that the solution was 10% (g/mL) NaOH, bas:bagasse ratio was 16.6 milliequivalents/g waste, final concentration of waste was %0,9 (g/mL) using the solution %35?lik (g/mL) H2O2, the temperature was 60oC and the time was 24 hours. Under these conditions, up to 30% cellulose could be isolated from the waste. The pure cellulose was characterised by the spectral method of NMR and FTIR. With Kjeldahl nitrogen method, it is evidenced that cellulose did not contain nitrogen. The molecular weight was found to be 153000.
Cationized cellulose was obtained by the reaction of  the sunflower cellulose and CHPTAC (3 -chloro-2-hydroxypropyl trimethyl ammonium chloride) in the alkali medium. The most ideal conditions were  found that  173 g/L of 60% of CHPTAC solution and  128 g/L of NaOH solution was used at 25 oC and 2 hours. Under these conditions, the weight yield of the reaction was calculated to be 85%.  The amount of nitrogen of the compound that was characterised by the spectral method of NMR and FTIR was calculated using micro Kjeldahl method. The a maximum degree of substitution is calculated as 1,05 with 4,6% of nitrogen content.
The cellulose that was insoluble in organic solutions and water was brought water solubility using the carboxymethylation reaction with NaMCA (sodium mono chlorine acetate) at basic medium. The most ideal conditions were  found that  10 ml of 15% NaOH solution and  50 ml of isopropyl alcohol (IPA) solution was used at 55oC and 3 hours. Under these conditions, it was seen with spectral method that the reaction was occured. 
Water soluble carboxymethylated cellulose was quartenized in two different ways that were using CHPTAC and Mannich reaction. The nitrogen content of the  cellulose which cationised with CHPTAC was between 2-3%.
The carboxymethyl cellulose was used as the compound with active hydrogen, dimethyl amine (DMA) was used as amine compound and formaldehyde (FA) was used as carbonyl compound without ? ? hydrogen in  Mannich reaction. The reaction yield is affected from temperature, time and concentration of cellulose. The most optimum conditions were found 1,2 mol/L of DMA and 8,5 mol/L of FA in 3 ml of the water at 3 hours and 40°C temperature. After finding optimum concentrations, all products were characterised by FTIR and NMR spectral methods. The amount of nitrogen of the cellulose which was quartenized with Mannich reaction was between 2-3%. The quaternized cellulose synthesized in this way shown the ability to do high foam.
By the method of dripping, antimicrobial activity of cellulose and cationic celluloses was tested against Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus bacteria. But antimicrobial activity of them could not be determined with the applied methods but it is known in theory that quaternary ammonium compounds have antimicrobial properties. 
Cationized cellulose with quaternary ammonium group can be used in textile industry as fibers. The other catinonized cellulose which was quaternized with Mannich reaction can be used as a raw material in the cosmetic industry because of the water-soluble property.