Kitosanın kompost ortamında degredasyonunun incelenmesi
Investigation of degradation of chitosan under composting environment
Yazar: EMİNE ALTUN
Danışman: PROF. DR. HÜLYA YAVUZ ERSAN ; PROF. DR. TÜLİN KUTSAL
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Her geçen gün hızla artan nüfus, gelişen teknoloji ve değişen yaşam standardına
paralel olarak oluşan atıkların hem içeriği değişmekte hem de miktarı hızla artmakta
olup bunun önemli bir kısmını plastikler oluşturmaktadır. Plastikler, petrokimyasal
kaynaklı sentetik polimerler olup dayanıklılık özelliklerinin yüksek olması ve ucuz
maliyete sahip olmaları nedeniyle çok çeşitli ürünlerin oluşturulmasında üreticiler
tarafından tercih edilmektedir. Doğaya bırakıldıklarında biyolojik olarak
parçalanamamaları nedeniyle uzun yıllar yapılarını koruması hem çevre kirliliğine
neden olmakta hem de bulundukları ortamlardaki canlılığı tehdit etmekte olup
kullanım alanlarının sınırlandırılması gerekmektedir. Bu yüzden doğada
bozunabilen ve yenilenebilir kaynaklardan elde edilen polimerler son yıllarda
uygulamalarda daha çok tercih edilmekte olup kullanımları sonrası oluşan atıkların
çevreye, toplum sağlığına ve ekonomiye uygun şekilde bertaraf edilmeleri konusu
önemli hale gelmiştir. Tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de atıkların bertarafında
yaygın olarak kullanılan düzenli depolama alanlarında bertaraf (landfill) yöntemine
önemli kısıtlamalar getirilmiştir. Bu kısıtlamaların başında atıkların depolanmasına
dair yönetmelikte (26.03.2010) düzenli depolama tesislerinde bertaraf edilecek
biyobozunur atık miktarının azaltılması gerekliliği gelmektedir.
Kompostlaştırma yöntemi, organik atıkların mikroorganizmaların aktiviteleri sonucu
kontrollü olarak parçalanması işlemi olup biyobozunur atıkların bertarafında
kullanılabilecek en uygun yöntemdir. Bu durum özellikle biyobozunur atık miktarı
yüksek olan ülkemizde kompostlaştırma yönteminin önemini açıkça ortaya
koymakta olup hazırlanma süreci devam eden "Biyobozunur Atık Yönetimi
Yönetmeliği Taslağı" de bunu desteklemektedir. Başta kitosan olmak üzere çeşitli
polimerler sahip oldukları üstün özellikler nedeniyle gıda endüstrisi, tarım, ilaç
sanayisi gibi farklı sanayi kollarında uygulama alanı bulmaktadır. Toksik özellikte
olmaması ve sahip olduğu polikatyonik özellik nedeniyle özellikle gıda endüstrisinde
yiyeceklerin ambalajlanmasında gıdaların raf ömrünü uzatmak ve yapılarında
bozunma meydana gelmeden korunmalarını sağlamak amacıyla film formunda
kullanılmaktadır. Bu nedenle, kitosan ya da kitosan kompozit filmlerinin üretimine
yönelik çalışmalar önem kazanmış olup bu amaçla yapılan çalışmaların sayısında
görülen artış bunu desteklemektedir. Dolayısıyla, katı atıklar içerisindeki paylarını
hızlı ve önemli miktarda arttıracak olan kitosan ve kitosan bazlı filmlerin doğaya geri
kazandırılmaları sorunu hızla büyüyecektir. Mevcut literatürde kitosan ve benzeri
polimerlerin kompost ortamındaki bozunma mekanizmalarına ait yeterli veri
bulunmamaktadır.
Bu tez çalışması kapsamında, kitosan filmlerin kontrollü kompost ortamındaki
biyobozunma davranışı hem ASTM D 5338 hem de ISO 14855:1, 2013
standartlarına göre incelenmiştir. Kitosan filmleri, plastikleştirici olarak gliserol,
çözücü olarak ise asetik asit kullanılarak çözücü uzaklaştırma yönteminden
yararlanılarak elde edilmiştir. Elde edilen kitosan filmlerin karakterizasyon analizleri
için FTIR, TGA ve DSC yöntemleri kullanılmıştır. Kitosan filmlerinin SEM görüntüleri
incelendiğinde filmlerin homojen, düzenli ve pürüzsüz bir yapı sergilediği
gözlenmiştir. Kitosan filmlerin antimikrobiyal özelliğinin belirlenmesi amacıyla agar
difüzyon yönteminden yararlanılmıştır. Test organizmaları olarak gram-negatif
bakteri olan E. coli türü, gram-pozitif bakteri olan B. subtilis türü kullanılmıştır. Elde
edilen kitosan filmlerin antimikrobiyal özellik gösterdiğini hem FTIR analizi
sonuçlarında kitosan filmlerin antimikrobiyal özelliği ile ilişkilendirilen 1405 cm-1'de
absorbsiyon bandına sahip olması hem de nötralize edilen filmlerin agar difüzyon
testi sonuçları kanıtlamaktadır. Kitosan filmlerin kompost ortamında biyobozunmaya
uğradığının kanıtı olarak karbondioksit oluşumu ile reaktörlerden alınan film
örneklerinin optik ve SEM görüntüleri gösterilebilir. Elde edilen kitosan filmlerin
kompost ortamında biyobozunma oranının 30 gün sonunda %31 -%35 aralığında
olduğu görülmüştür. Literatürde yer alan çalışmalar ile karşılaştırıldığında bu
çalışmada kullanılan kitosan filmlerin ilk iki günde gözlenen yüksek bozunma
hızlarına rağmen biyobozunma yüzdelerinin daha düşük olduğu görülmüştür.
Kitosanın kompost ortamında bozunma mekanizması tam olarak bilinmemekle
birlikte biyobozunma oranında görülen düşüşün, filmlerin elde edilme yöntemi,
filmlerde yer alan gliserol miktarı, gliserolün kompost ortamına ekstrakte olma hızı
ve süresi ile beraber kitosan filmlerin antimikrobiyal özelliği ile ilişkili olduğu
düşünülmektedir.

Abstract:
Due to the increase in population, developments in technology and changes of life
standards, plastic production has been rapidly increasing both in variety and
amount; which causes various health hazards consequently. Plastics are synthetic
polymers derived from petrochemicals that are preferred by manufacturers in order
to produce wide range of products for having high durability capacities and being
cheaper. Usage of plastics must be limited due to their non-biodegradable
characteristic that make them persistent for a long time in nature, to cause
environmental pollution and to threat natural life. For this reason production of
biodegradable polymers which are made from renewable raw materials come into
prominence for applications in recent years. Moreover the removal of waste
materials generated during the usage of these polymers considering the community
health care and economy become important issue. Similar to all other countries
significant limitations have been brought to landfilling which is the commonly used
waste disposal method in our country. One of the primary limitation in the landfill
directive (26.03.2010) is the necessity of reducing the amount of biodegradable
waste, which will be disposed to landfill sites.
Composting, that is one of the most suitable process that can be preferred for the
removal of biodegradable wastes, is the controlled degradation process of the
organic wastes by the activity of microorganisms. This reveals the importance of
composting, especially in our country which has high amounts of biodegradable
waste and the "Regulation on Biodegradable Waste Management" which is under
preparation is also support this importance.
Notably chitosan and various other polymers have applications in different
industries, such as agriculture, food and pharmaceutical industries, due to their
superior properties. Chitosan films as a form of chitosan especially used in food
packaging applications in order to extend their shelf life and preserve their structure
without any disturbance on account of the non-toxic and polycationic characteristics
of chitosan. Thus the number of studies towards characterization and synthesis of
chitosan and chitosan based composite films have become more important which is
supported by increase in the number of studies on these topics. The problem of
recycling of chitosan and chitosan based films back to the nature will grow rapidly
due to increase in the ratio of chitosan based materials within solid waste.
Unfortunately current studies in literature remain incapable in clarifying the
degradation mechanisms of the chitosan and chitosan like polymers in compost
environment.
In this study, degradation behavior of chitosan in controlled compost environment
was investigated according to both ASTM D 5338 and ISO 14855:1, 2013 standard
test methods. Chitosan films were obtained by solvent casting method using glycerol
as a plasticizer and acetic acid as a solvent. Characterization analysis of chitosan
films were determined by using FTIR, TGA and DSC methods. SEM micrographs of
chitosan films showed that surface of films are homogenous, smooth and neat.
Agar diffusion method was performed to determine antimicrobial properties of
chitosan films. As a test organism gram-negative bacterium E. coli and grampositive bacterium B. subtilis were used. Obtained chitosan films exhibit
antimicrobial activity as confirmed by both FTIR results which includes an absorption
band at 1405 cm-1, that has been related to the antimicrobial properties of chitosan
films and agar diffusion test results of neutralized chitosan films. Carbon dioxide
evolution with visual and SEM observations are proofs of the biodegradation of
chitosan films in composting environment. Biodegradation amount of chitosan films
were 31%-35% at the end of the 30 days in composting environment. In spite of the
higher degradation rates of chitosan films used in this study in first two days, it was
investigated that the percentages of biodegradation is lower by comparison with
previous studies in literature. The degradation mechanism of chitosan in composting
environment is not well understood yet, but the decrease in the amount of
biodegradation is associated with the synthesis method of chitosan films, the
amount of glycerol in films, the rate and time of extraction of glycerol from
composting environment, the antimicrobial property of films.