Farklı bitki temelli bileşenler kullanılarak nişasta bazlı biyoplastiklerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of starch-based bioplastics by using different plant-based ingredients
Yazar: YAĞMUR DEMİR
Danışman: DOÇ. DR. MESHUDE AKBULUT SÖYLEMEZ
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Biyobozunur polimerler = Biodegradable polymers ; Biyopolimerler = Biopolymers

Özet:
Düşük maliyetleri, kolayca şekillendirilebilmesi ve atmosferik koşullarda formlarının bozulmadan uzun süre korunabilmesi gibi sebeplerle günlük hayatın vazgeçilmezi olan plastik malzemeler petrol temelli ürünlerdir. Ancak, bu malzemelerin çevreye verdiği zararlar, özellikle plastik malzemelerin üretiminden, atıklarının bertaraf edilmesine kadar olan süreçte, ciddi bir endişe oluşturmaktadır. Yılda 150 milyon ton petrolün kullanılması nedeniyle 500 milyon tonun üzerinde toksik atığın ortaya çıkması ile birlikte oluşabilecek çevresel zararın önüne geçmek amacıyla alternatif üretim yöntemleri ve ham madde kaynağı arayışı hızlanmıştır. Bu kapsamda biyoplastikler; biyolojik tabanlı olmaları, yüksek çözünürlük avantajı sunmaları ve geri dönüştürülebilirlik gibi özellikleriyle öne çıkmaktadır. Biyoplastikler; yenilenebilir bitkisel hammaddelerden, selüloz, lignin, protein gibi kaynaklardan veya bazı hayvansal kaynaklardan elde edilebilmektedir. Biyoplastikler toksik madde içermemesi, düşük sera gazı emisyonu ve daha az enerji tüketimi sebebiyle tercih edilse de yapılan çalışmalarda yüksek maliyet ve mekanik/termal özelliklerdeki zayıflıklar gibi dezavantajları da tespit edilmiştir.  Yapılan çalışmada günlük hayatta her alanda sıklıkla kullanılan, çoğunlukla petrol ve türevlerinden elde edilen ve özellikle su ve toprak ekosistemlerinde çevre kirliliğin temel sebeplerinden biri olan plastik ürünlerin yerine bitkisel kaynaklardan üretilebilen, çevreye daha az zarar verdiği yapılan çalışmalarla ortaya çıkarılmış biyoplastiklerin kullanım alanlarının genişletilmesine katkıda bulunmak üzere biyobozunur ürünlerin hazırlanmasında kullanılabilecek hammadde geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu çalışmada, yerli üretimi olan ulaşılabilirliği kolay ve düşük maliyetli mısır ve buğday nişastası; çözelti döküm yöntemiyle üzüm sirkesi ve deiyonize su varlığında polimerleştirilerek ürün geliştirilmesine yönelik hammadde olma potansiyeli yüksek biyoplastikler sentezlenmiştir. Polimerlerin hazırlanması sırasında literatürde plastikleştirici olarak adlandırılan ancak bu çalışmada çapraz bağlayıcı ajan olarak kullanılan gliserol ve sorbitol tercih edilmiş olup çapraz bağlayıcı miktarındaki değişikliğin termoplastik nişasta üzerindeki etkisi incelenmiştir. Geliştirilen biyoplastik malzemelerin mekanik, morfolojik ve termal özellikleri FTIR, SEM, TGA ve Mekanik Test cihazı kullanılarak analiz edilmiştir. Ayrıca malzemelerin su ve toprak ekosistemlerinde bozunma süreci laboratuvar ölçekli simüle edilmiştir. Sentezlenen örneklerin FTIR spektrumları literatür ile uyumlu bulunmuş olup SEM mikrograflarında bozunmayan nişasta granülleri görülmüştür. Bu durumun seçilen nişasta kaynağının içerdiği amiloz ve amilopektin oranına bağlı olduğu literatür çalışmalarıyla desteklenmiş ve bozunmayan nişasta granüllerinin kopma dayanımını olumsuz etkilediği tespit edilmiştir. Yapılan mekanik testlerde ortalama 0,40-45 MPa gerilim-gerinim özelliği görülmüş en iyi sonuç veren örnek düşük miktarda gliserol içeren mısır nişastası kullanılarak sentezlenmiş (MG1) biyoplastik örneği olmuştur. TGA analizinde 20 oC-125 oC aralığında yapıdaki suyun buharlaştığı 125 oC-290 oC gliserol ve sorbitolün yapıdan uzaklaştığı 300 oC'den itibaren bozunma olduğu tespit edilmiştir. Örneklerin su emme potansiyeli incelendiğinde tüm örneklerin şişme davranışı gösterdiği tespit edilmiş düşük miktarda sorbitol içeren buğday nişastası kullanılarak sentezlenmiş (BS1) biyoplastik örneği denge anına kadar %182 şişme davranışı göstererek en çok şişen örnek olmuştur. Şişme testinde çapraz bağlayıcı ajanın oranı arttığında şişme oranının azaldığı kanıtlanmıştır. Çevresel testler için örneklerin toprakta ve suda bozunma davranışları izlenmiştir. Çapraz bağlayıcı içeren örneklerle sürdürülen testlerde toprağa gömülen ve kapalı bir kap içerisinde oda sıcaklığında suda bekletilen örneklerin haftalık tartımları gerçekleştirilmiş ve dördüncü haftanın sonunda nihai kütle kaybı hesaplanmıştır. Bu çalışmada toprakta %45 kütle kaybı ile en iyi sonuç veren örnek yüksek miktarda gliserol içeren mısır nişastası kullanılarak sentezlenmiş (MG5) biyoplastik örneği olurken suda %99 oranında bozunmayla en iyi sonuç veren örnek yüksek oranda gliserol içeren buğday nişastası kullanılarak sentezlenmiş (BG5) biyoplastik örneği olmuştur. Gliserol miktarının artması ile film kalınlığının, nem içeriğinin ve sudaki çözünürlüğün arttığı bu çalışmayla kanıtlanmıştır.

Abstract:
Plastic materials, which are indispensable in daily life due to their low cost, ease of shaping, and long-term preservation in atmospheric conditions without deformation, are petroleum-based products. However, concerns about the environmental damage caused by these materials, especially throughout the process from the production of plastic materials to the disposal of their waste, have become a serious issue. The search for alternative production methods and raw material sources has accelerated in order to prevent the environmental damage that could occur with the production of over 500 million tons of toxic waste annually due to the use of 150 million tons of oil. In this context, bioplastics stand out with their biological basis, offering advantages such as high solubility and recyclability. Bioplastics can be derived from renewable plant-based raw materials, as well as sources such as cellulose, lignin, proteins, or certain animal sources. Although bioplastics are preferred for not containing toxic substances, low greenhouse gas emissions, and less energy consumption, studies have also identified disadvantages such as high cost and weaknesses in mechanical/thermal properties.
This study aimed to contribute to the expansion of the usage areas of bioplastics, which have been revealed through studies to cause less harm to the environment than plastic products, commonly used in various fields of daily life and mostly derived from petroleum and its derivatives, by developing raw materials that can be used in the preparation of biodegradable products. In this study, readily available and low-cost corn and wheat starch, which are domestically produced, were synthesized into bioplastics by polymerization in the presence of grape vinegar and deionized water using the solution casting method. During the preparation of the polymers, glycerol and sorbitol, referred to as plasticizers in the literature but used as cross-linking agents in this study, were preferred, and the effect of changes in cross-linking agent concentration on thermoplastic starch was examined. The mechanical, morphological, and thermal properties of the developed bioplastic materials were analyzed using FTIR, SEM, TGA, and Mechanical Test equipment. Additionally, the degradation process of the materials in water and soil ecosystems was simulated on a laboratory scale.
The FTIR spectra of the synthesized samples were found to be compatible with the literature, and undegraded starch granules were observed in SEM micrographs. It was determined that this situation was related to the ratio of amylose to amylopectin contained in the selected starch source, and it was found that undegraded starch granules negatively affected the tensile strength. In the mechanical tests, an average tensile strain property of 0.40-45 MPa was observed, and the sample synthesized using low-amount glycerol-containing corn starch (MG1) yielded the best result. In TGA analysis, it was determined that water in the structure evaporated between 20°C and 125°C, glycerol and sorbitol detached from the structure from 125°C onwards, and degradation occurred from 300°C onwards. When the swelling potential of the samples was examined, it was found that all samples exhibited swelling behavior, and the sample synthesized using low-amount sorbitol-containing wheat starch (BS1) showed the highest swelling behavior by swelling up to 182% until equilibrium. It was proven in the swelling test that as the ratio of the cross-linking agent increased, the swelling ratio decreased.
For environmental tests, the degradation behaviors of the samples in soil and water were monitored. Weekly weighings of the samples buried in soil and kept in water at room temperature in a closed container were conducted, and the final mass loss was calculated at the end of the fourth week. In this study, the sample with the highest mass loss in soil, with 45% mass loss, was the bioplastic sample synthesized using high-amount glycerol-containing corn starch (MG5), while the sample with the highest degradation rate in water, with a 99% degradation rate, was the bioplastic sample synthesized using high-amount glycerol-containing wheat starch (BG5). It was demonstrated in this study that an increase in the amount of glycerol led to an increase in film thickness, moisture content, and solubility in water.