Keratin temelli biyokompozit sentezi
Keratin based biocomposite synthesis
Yazar: ÖMER AKKANAT
Danışman: PROF. DR. OYA ATICI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Dünya nüfusu hızla artması aşırı tüketimi de beraberinde getirmektedir. Tavuk tüketimi de bundan payını almıştır. Tavuk tüketiminin çok olması sonucu üretim tesislerinde çok fazla atık ortaya çıkmaktadır. Bu atıklardan kurtulmak amacıyla gömülmekte ya da yakılmaktadır. Ancak bunlar çevreye zarar vermektedir. Diğer bir kurtulma yöntemi olarak da düşük proteinli çiftlik hayvanları yemlerinde kullanılmaktadır ancak bu çok pahalı ve zorlu bir süreçtir. Tavuk tüyü, düşük yoğunluk, mükemmel sıkıştırılabilirlik ve esneklik, sıcaklık tutma ve tipik morfolojisi sayesinde diğer doğal ve sentetik liflere karşılaştırıldığında daha üstün özelliklere sahiptir. Buna ek olarak tavuk tüyünün ucuz, bol miktarda ulaşılabilir ve yenilenebilir bir kaynak olması nedeniyle diğer hayvansal liflerden üstündür. Tavuk tüyü %91 keratin(protein), %8 su ve %1 yağ içermektedir. Bu yönden tavuk tüyü değerli bir hammaddedir. Keratin amino asitlerin birbirine amit bağları ile birbirine bağlanmasıyla oluşmuş bir protein zinciridir. İçeriğindeki amino asitler sayesinde zincir üzerinde -OH, -SH ve -NH gibi birçok aktif gruplar bulunmaktadır. Bu aktif gruplar sayesinde çok kolay reaksiyon verebilmektedir. 
Bu çalışmada, tavuk tüylerinden keratinin geri kazanılması, redoks polimerizasyonu ile keratin-graft-poli(metilmetakrilat-ko-vinilpirolidon) kopolimerinin ve keratin graft-poli(metilmetakrilat-ko-vinilpirolidon)/hidroksiapatit kompozitinin sentezlenmesi, elde edilen ürünlerin spektral, termal ve morfolojik analizleri ile karakterizasyonun yapılması amaçlanmıştır. 
Deneysel kısımda ilk olarak soksilet ekstraksiyonu sistemi ile tavuk tüyündeki yağ bileşenleri ayrılmıştır. Ekstraksiyonda organik çözücü olarak toluen/diklorometan karışımı kullanılmıştır. 6 saat sonucunda tavuk tüyünün yağ ve diğer kirlerden arındırılması sağlanmıştır. Ekstraksiyon işleminden sonra kurutulan tavuk tüyleri, küçük parçalar haline gelecek şekilde öğütülmüştür. Küçük parçalar haline getirilmesi ile tüylerin daha kolay çözünmesi sağlanmıştır. Yağı alınan tavuk tüyleri su, sodyum hidroksit ve sodyum sülfür ile su banyosu içinde karıştırılarak bazik çözücü içinde çözünen keratin eldesi sağlanmıştır. pH 4.2'ye ayarlanarak keratin seyreltik hidroklorik asit çözeltisi kullanılarak çöktürülmüştür. Daha sonra elde edilen ürünler freeze drier ile kurutulmuştur. En uygun koşul % 87,2 olarak, 23°C, 2,5 saat, 3mol/L NaOH, 0,20 mol/L Na2S ve keratin başına düşen NaOH miktarı 30,0 mmol/g olarak belirlenmiştir. 
Elde edilen keratinler FTIR ve 1HNMR analizleri ile spektral olarak doğrulanmıştır. FTIR spektrumunda karakteristik olan amit A, amit B, amit I, amit II ve amit III titreşimleri görülmüştür. Amit A absorpsiyon bandı 3296 cm-1'de, amit B absorpsiyon bandı 3061 cm-1'de, amit I absorpsiyon bandı 1651 cm-1'de, amit II bandına ait titreşimler 1527cm-1'de, amit III bandına ait titreşimler 1233 cm-1'de ve C-S gerilme titreşimleri 700 cm-1'de görülmüştür. Yapılan FTIR analizlerinin tümünde bu gruplar benzer şekillerde görülmektedir. 1HNMR spektrumunda da karakteristik sinyaller görülmüştür. 1,23 ppm'de L-izolösin veya L-treonine ait Hγ sinyali, 1,76 ppm'de -SH hidrojeninne ait sinyal, 2,09 ppm'de L-proline ait Hγ ve Hβ veya L-glutamik aside ait Hβ sinyali, 2,0 ppm'deki küçük sinyal L-valine ait Hβ sinyali, 2,9 ppm'deki küçük sinyal L-fenilalanin ve L-tirozine ait Hβ sinyali ve 7,22 de bu amino asitlere ait aromatik hidrojenlerin sinyali, 7,96 ppm'deki geniş sinyal amino asitlerdeki -NH hidrojenlerine ait sinyaller. 3-4 ppm arasında L-serine ait Hβ ve L-piroline ait Hδ sinyali, 0,8 ppm'de L-izolösinin -CH3 hidrojenine ait sinyaller görülmüştür. 
Geri kazanılan keratin, üzerinde bulundurduğu -OH, -SH ve -NH gibi gruplardaki aktif hidrojenleri nedeniyle indirgen bileşik olarak kullanılmıştır. Keratin graft poli(metilmetakrilat-ko-vinilpirolidon) kopolimerini sentezlemek amacıyla redoks polimerizasyonunda başlatıcı olarak nitrik asit içersinde seryum amonyum nitrat çözeltisi kullanılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda indirgen madde, monomer, asitlik, Ce(IV) miktarı, süre ve sıcaklık gibi parametrelerin polimerleşme verimi üzerine etkileri incelenerek optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Optimum koşul olarak 45°C, 5 saat, 5,9 g/L keratin, 0,05 mol/L Ce(IV) amonum nitrat, 0,9 mol/L asitlik, 1,0 mol/L metil metakrilat, 0,6 mol/L vinil pirolidon olarak bulunmuştur. En yüksek verim olarak %88,1'e ulaşılmıştır. 
Oluşturulan kopolimerler keratinde olduğu gibi FTIR ve 1H-NMR analizleri ile spektral olarak doğrulanmıştır. FTIR spektrumuna bakıldığında 1733 cm-1'de PMMA'a, 1662 cm-1'de PVP'a ait C=O gerilme titreşimleri, ayrıca 1527 cm-1'deki keratine ait N-H eğilme bandlarında yok olma gözlenmiştir. Buradaki değişimin nedeni monomerlerin buradan keratine katılması olarak düşünülmüştür. PMMA'ya ait C-C-O gerilme titreşimleri 1241 cm-1'de, C-O-C gerilme titreşimleri 1194 cm 1'de, PVP'a ait C-N gerilme titreşimleri 1274 cm-1'de, görülmüştür. Spektrumdaki bu değişimler metil metakrilat ve vinilpirolidonun katılımının ispatıdır. Başlatıcı olan seryum amonyum nitrat çözeltisi 10 dakika gibi hızlı bir şekilde eklendiğinde vinilpirolidon segmenti ağırlıklı, 20 dakika süresince eklendiğinde metilmetakrilat ağırlıklı kopolimerler elde edilmiştir. 1HNMR spektrasına bakıldığında; 0,73-1,23 ppm arasındaki sinyaller keratindeki çeşitli amino asitlere ait -CH hidrojenlerine, 1,23 ppm'deki sinyal metilmetakrilattaki metil hidrojenlerine, 1,90-2,2 ppm arasındaki sinyaller monomerlere ait -CH2 hidrojenlerine, 3,2 ppm'deki sinyal vinilpirolidonun halka içindeki azota bağlı -CH2 hidrojenlerine, 3,5 ppm'deki sinyal metilmetakrilatın -OCH3 hidrojenlerine, 5,6 ppm'deki sinyal vinilpirolidonun -CH hidrojenine, 3-4 ppm arasındaki sinyaller L-serine ait Hβ ve L-piroline ait Hδ hidrojenlerine, 7,5 ppm civarındaki sinyaller amino asitlerdeki aromatik hidrojenlere ait olduğu görülmüştür. Keratinde 7,94 ppm civarında amino asitlere ait -NH hidrojenleri kopolimere ait 1H-NMR spektrumunda kaybolduğu görülmüştür. Bu sinyallerin kaybolmuş olması polimerizasyonun -NH hidrojenleri üzerinden gerçekleştiği şeklinde düşünülmüştür. 
Biyokompozit yapımında kullanılacak hidroksiapatit sentezlemek amacıyla 0,5 mol/L kalsiyum klorür, 0,3 mol/L sodyum hidrojen fosfat kullanılmıştır. pH 4 molar sodyum hidroksit çözeltisi ile ayarlanmıştır. Elde edilen numuneler freeze driyer yardımıyla kurutulduktan sonra FTIR cihazı ile spektral olarak analiz edilmiştir. FTIR spektrumuna bakıldığında, 3426 cm-1 civarındaki geniş pik absorplanmış sudaki -OH'a, 464, 558, 603, 959, 1029 ve 1097 cm-1'deki pikler PO4-3'e, 873 cm-1 ve 1412 cm-1'de CO3-2'ye ait titreşim pikleri olduğu görülmüştür. Elde edilen hidroksiapatit biyokompozit sentezinde kullanılmıştır. 
Keratin-graft-poli(metilmetakrilat-ko-vinilpirolidon) sentezinde elde edilen optimum koşullar kullanılarak in situ polimerizasyon tekniği ile biyokompozitler sentezlenmiştir. Biyokompozit sentezinde  %1, 3, 5 ve 10 oranında hidroksiapatit kullanılmıştır. %5 hidroksiapatit oranında en yüksek biyokompozit verimi bulunmuştur (%65,8). Biyokompozit eldesi sırasında verimin düşme nedeni hidroksiapatitin, keratindeki -NH gruplarına yerleşmesi olarak belirlenmiştir. Elde edilen biyokompozitler FTIR yardımıyla analiz edilmiştir. FTIR spektrumlarına bakıldığında 1733 cm-1'de PMMA'a, 1662 cm-1'de PVP'a ait C=O gerilme titreşimlerine ek olarak 612 cm-1 ve 545 cm-1'de hidroksiapatiteki PO4-3'e ait titreşim pikleri görülmüştür. 
Dinamik mekanik analizler için film oluşturma özelliği incelenmiştir. Biyokompozitlerin hidroksiapatit içeriği sayesinde film oluşturma özelliğinin kopolimerlerden daha uygun olduğu görülmüştür.
Elde edilen keratin-graft-poli(metilmetakrilat-ko-vinilpirolidon) ve keratin graft poli(metilmetakrilat-ko-vinilpirolidon)/hidroksiapatit ürünleri termal ve morfolojik olarak da incelenmiştir.

Abstract:
The rapid increase in the world population brings with it excessive consumption. Chicken consumption has also tended to this way. Too much consumed, resulting in too much waste in chicken production facilities. It is buried or burned to get rid of these wastes. However, these are harmful to the environment. Another get rid of method is used in low protein livestock feeds. But this is a very expensive and challenging process. Chicken feathers have superior properties compared to other natural and synthetic fibers such as, low density, excellent compressibility and flexibility, temperature retention and typical morphology. In addition, chicken feathers are better than the other fibers in terms of cheap, available in abundantly and a renewable source. Chicken feather contains 91% keratin (protein), 8% water and 1% fat. Chicken feathers are a valuable raw material in this direction. Keratin is a protein chain formed by the amide bonds of amino acids to each other. Because of the amino acids in the chain, there are many active groups on the chain such as -OH, -SH and -NH. Thanks to these active groups, it can react very easily.
In this study, the synthesis of keratin from chicken feathers, synthesis of keratin graft poly(methylmethacrylate-co-vinylpyrrolidone) copolymer and keratin graft-poly(methylmethacrylate-co-vinylpyrrolidone)/hydroxyapatite composite with redox polymerization, and obtained products were characterized by spectral, thermal and morphological analyzes.
In the first section of the experiment, the oil components in the chicken feather were separated by the soxhlet extraction system. A mixture of toluene / dichloromethane was used as the organic solvent in the extraction. After 6 hours, chicken feathers were purified from oil and other contaminants. The chickens, which are dried after extraction, are ground into small pieces. Small parts make it easier to dissolve in the solution. Dewaxed chicken feathers were mixed with water, sodium sulphide and sodium hydroxide in the water bath to provide a soluble keratin in basic solvent. The pH was adjusted to 4,2 using dilute hydrochloric acid solution to precipitate the keratin. Then, the obtained products were dried with freeze dryer. The optimum condition was determined as 87,2% at 23°C, 2,5 hours, 3 mol/L NaOH, 0,20 mol/L Na2S and 30,0 mmol/g NaOH per keratin. 
The obtained keratins were spectrally confirmed by FTIR and 1H-NMR analyzes. In the FTIR spectrum, characteristic vibrations of amide A, amide B, amide I, amide II and amide III were observed. The amide A absorption band at 3296 cm-1, the amide B absorption band at 3061 cm 1, amide I absorption band at 1651 cm-1, the vibrations band of the amide II at 1527 cm 1, the vibrations of amide III band 1233 cm-1, and the C-S stretching vibrations were observed at 700 cm-1. In all of the FTIR analyzes, all sample have similar spectra. Characteristic signals were also observed in the 1H NMR spectrum. In the 1H-NMR spectrum; Hγ signal of L isoleucine and L threonine at 1,23 ppm, the signal of -SH hydrogen at 1,76 ppm, the  Hγ and Hβ signals of L-pyrroline and the Hβ signal of  L-glutamic acid at 2,09 ppm, the small signal at 2,0 correspond to Hβ signal of L-valine, the small signal at 2,09 related to the Hβ signal of L phenylalanine and L-tyrosine, the signal of the aromatic hydrogens of amino acids at 7,22, in the broad signal at 7,96 ppm correspond to -NH hydrogens in the amino acids, between 3-4 ppm respond to Hβ signal of L serine and Hδ signals of L- pyrroline, the signal at 0,8 correspond to –CH3 hydrogens   of L-isoleucine. 
The recovered keratin was used as the reducing compound due to its active -OH, -SH and -NH hydrogens. In order to synthesize the copolymer of keratin graft poly(methylmethacrylate-co-vinylpyrrolidone), cerium ammonium nitrate solution in nitric acid was used as initiator in redox polymerization. As a result of the experiments, the effects of reducing agent, monomer, acidity, Ce (IV) amount, time and temperature on the polymerization yield were investigated and optimization studies were carried out. As an optimum condition, 45°C, 5 hours, 5,9 g/L keratin, 0,05 mol/L Ce (IV) ammonium nitrate, 0,9 mol/L acidity, 1.0 mol/L methyl methacrylate, 6 mol/L vinyl pyrrolidone. The highest yield reached to 88,1%.
The copolymers formed were spectrally confirmed by FTIR and 1H-NMR analysis like keratin. it was observed that in the FTIR spectrum, C = O stretching vibrations of PVP at 1633 cm-1, and of PMMA at 1733 cm-1. Also, disappearance occurs in -NH bending bands of keratin at 1527 cm-1. The reason for this change is thought to be the participation of keratin from the monomers here. The C-C-O tensile vibrations of PMMA were observed at 1241 cm-1, the C O C tensile vibrations at 1194 cm-1, and the C-N tensile vibrations of PVP at 1274 cm-1. These changes in the spectrum are a propensity for the participation of methyl methacrylate and vinylpyrrolidone. When the initiator, cerium ammonium nitrate solution, was added rapidly for 20 minutes, methylmethacrylate-based copolymers were obtained when was added for 10 minutes the vinylpyrrolidone-based copolymers observed. In view of 1H-NMR spectra; the  CH hydrogens of various amino acids in the kinetics of the signals between 0,73-1,33 ppm, the signal at 1,23 ppm corresponds to methyl hydrogens in methyl methacrylate, the signals between 1,90-2,2 ppm are attributed to the -CH2 hydrogens of the monomers, the signal at 3,2 ppm correspond to  the azide linked CH2 hydrogens in the vinyl pyrrolidone ring, the signal at 3,5 ppm is attributed to the methyl methacrylate -OCH3 hydrogens, the signal at 5,6 ppm of vinyl pyrrolidone  CH2 hydrogen, signals between 3-4 ppm correspond to the L-serine Hβ and L pyrroline Hδ hydrogens, around 7,5 ppm of the signals were found to belong to the aromatic hydrogens in the amino acids. It has been found that -NH hydrogens of amino acids of about 7,94 ppm in keratin disappear in the 1H-NMR spectrum of the copolymer. The disappearance of these signals is thought to be due to the polymerization of -NH hydrogens.
0,5 mol/L calcium chloride and 0,3 mol/L sodium hydrogen phosphate were used to synthesize hydroxyapatite to be used in the bio-composite production. The pH was adjusted with 4 molar sodium hydroxide solution. The obtained samples were dried with freeze dryer and analyzed spectrally with FTIR device. In the FTIR spectrum, the large peak around 3426 cm-1 belong to absorbed –OH in the water, the peaks at 464, 558, 603, 959, 1029 and 1097 cm-1 belong to PO4 3, the peaks at 873 cm-1 and 1412 cm-1 belong to vibration peaks of CO3-2. The hydroxyapatite obtained is used in bio-composite synthesis.
Bio-composites were synthesized by in situ polymerization technique using optimum conditions obtained in the synthesis of keratin-graft-poly(methylmethacrylate-co-vinylpyrrolidone). 1, 3, 5 and 10% hydroxyapatite were used in bio-composite synthesis. The highest bio-composite yield was found at 5% hydroxyapatite ratio (65,8%). The decrease in yield during bio-composite synthesis was determined as hydroxyapatite was covered to -NH groups in the keratin. The obtaining bio-composites were analyzed by FTIR. According to FTIR spectra, the C = O tensile vibrations of PMMA at 1733 cm-1 and of PVP at 1662 cm-1 in addition, PO4-3 vibrations of hydroxyapatite at 612 cm-1 and 545 cm-1.
The film-forming feature has been examined for dynamic mechanical analysis. It has been found that the film-forming property of bio-composite is more suitable than the copolymers due to the hydroxyapatite content of the bio-composites. 
The obtained keratin-graft-poly(methylmethacrylate-co-vinylpyrrolidone) and keratin-graft-poly(methylmethacrylate-co-vinylpyrrolidone)/hydroxyapatite products were also investigated thermally and morphologically.