Şeker pancarı posasından aktif karbon üretimi ve gümüş bazlı biyokompozit polilaktik asit filmlerde uygulanması

Bu tez çalışmasında, şeker endüstrisi katı atığı olan şeker pancarı (Beta vulgaris L.) posasından kimyasal aktivasyon ile aktif karbon üretilmiştir. Elde edilen aktif karbona antimikrobiyal özellikler kazandırmak amacıyla gümüş iyonları eklenmiştir. Sonrasında, aktif karbon-gümüş kompozit yapı, biyobozunur özellikteki polilaktik asit (PLA) filmin içerisine eklenerek, filmin mekanik, bariyer, morfolojik ve antimikrobiyal özelliklerindeki gelişmeler incelenmiştir. Aktif karbonun üretim süreci, yanıt yüzey metodolojisi (RSM) tasarımı olan merkezi bileşik tasarımı (CCD) kullanılarak optimize edilmiştir. Şeker pancarı posasından çinko klorür (ZnCl2) ile kimyasal aktivasyon yoluyla aktif karbon üretilmiştir. Üretim sürecinde karbonizasyon sıcaklığı (500-800 °C) ve ZnCl2 emdirme oranı (1-4) değişken olarak belirlenmiş ve bu değişkenlerin aktif karbon verimliliği (%) ile metilen mavisi giderimi (%MMG) yanıtları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Farklı oranlarda ZnCl2 ile emdirilen örneklerin aktivasyonu 500-800 °C'de, 5 °C/dk ısıtma hızında, 200-300 cm³/dk azot gazı akışı altında gerçekleştirilmiş ve son sıcaklıkta 2 saat tutulmuştur. Optimizasyon analizine göre, en yüksek aktif karbon verimi ve metilen mavisi giderimi için ZnCl2 emdirme oranı 1 ve aktivasyon sıcaklığı 500 °C olarak tespit edilmiştir. Belirlenen parametrelerde şeker pancarı posasından elde edilen aktif karbon verimi %20,88±0,822 ve metilen mavisi giderimi ise %86,80±0,213 olarak bulunmuştur. Optimizasyon çalışması sonucunda uygun parametrelere göre elde edilen aktif karbon (AK) elemental (C, H, N, S, O), nem, kül, uçucu madde, sabit karbon, BET, SEM, FTIR, XRD, TG özellikleri açısından analiz edilmiştir. Elemental analiz sonucuna göre, aktivasyon işlemi sonrası karbon içeriği artarken, hidrojen ve oksijen içeriği azalmıştır. Elde edilen aktif karbonda uçucu madde ve kül miktarı azalırken sabit karbon içeriğinin arttığı gözlemlenmiştir. Optimum koşullarda elde edilen aktif karbonun BET yüzey alanı 1045 m²/g ve mikrogözenek hacmi 0,395 m³/g olarak saptanmıştır. Bu şartlarda toplam gözenek hacminin yaklaşık %74'ünün mikrogözeneklerden oluştuğu ve ortalama gözenek çapının 2,04 nm olduğu belirlenmiştir. SEM görüntülerinde, aktif karbonun gözenekli bir yapıya sahip olduğu görülmüştür. FTIR spektrumları, aktivasyon sürecinin şeker pancarı posasının kimyasal bileşimini ve yapısal özelliklerini önemli ölçüde değiştirdiğini göstermiştir. XRD analizine göre, aktif karbonun amorf yapıda olduğu belirlenmiştir. Şeker pancarı posasına ait TG eğrisine göre, termal bozunma üç aşamada gerçekleşmiş ve yaklaşık %93,11 oranında kütle kaybı yaşanmıştır. Aktif karbonun ise sıcaklık değişiminden daha az etkilendiği ve toplamda %29,04 oranında kütle kaybı olduğu görülmüştür. Elde edilen aktif karbona kimyasal indirgeme yöntemiyle gümüş iyonları eklenmiştir. SEM görüntülerinde, aktif karbonun yüzeyinde gümüş parçacıklarının varlığı açıkça görülmüştür. XRD sonuçlarında, aktif karbona gümüş ilave edildiğinde kristal yapının oluştuğu gözlemlenmiştir. Aktif karbon-gümüş (AK-Ag) kompozit yapıya ait TG eğrisinde toplamda %22,98 oranında ağırlık kaybı görülmüştür. Elde edilen AK-Ag kompozitinin, antimikrobiyal etkisi disk difüzyon yöntemi kullanılarak incelenmiş ve E. coli ve S. aureus'a karşı antimikrobiyal etki tespit edilmiştir. Üretilen AK ve AK-Ag örnekleri, farklı oranlarda (%1, 3, 5, 7, 10) PLA filmine dahil edilmiştir. Filmler, çözücü döküm yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır. Çözücü olarak kloroform kullanılmış ve %5 (a/a) PLA çözeltisi elde edilmiştir. Bu çözeltiye, %10 oranında polietilen glikol (PEG 400) plastikleştirici eklenmiştir. Ardından, farklı oranlarda AK (PLA/%10PEG/AK) ve AK-Ag (PLA/%10PEG/AK-Ag) partikülleri (<50 µm) çözeltiye ilave edilmiş ve karışım 12 saat boyunca 60 ℃'de karıştırılmıştır. Hazırlanan çözeltiler, 9 cm çapındaki petri kutularına 7,5 mL olacak şekilde dökülmüş ve etüvde 75 ℃'de yaklaşık 35 dakika kurumaya bırakılmıştır. Ayrıca, PEG 400 ve AK veya AK-Ag içermeyen saf PLA filmi ile sadece PEG 400 içeren PLA/%10PEG filmi de hazırlanmıştır. Elde edilen filmler, fiziksel (renk ve kalınlık ölçümü), mekanik (gerilme mukavemeti, kopma anındaki uzama oranı ve ısıl yapışma mukavemeti), bariyer (su buharı geçiş hızı, WVTR), antimikrobiyal aktivite (Escherichia coli ve Staphylococcus aureus), yapısal (SEM, XRD), termal (TGA/DSC) ve yüzey (FTIR) özellikleri açısından analiz edilmiştir. Üretilen saf PLA filmi kırılgan ve şeffaf bir yapıya sahipken, %10 oranında PEG 400 eklenmiş PLA filmleri daha esnek ve opak bir görünümde elde edilmiştir. SEM görüntülerinde, PLA'nın pürüzsüz bir yüzeye sahip olduğu, %10 oranında PEG 400 içeren filmin ise pürüzlülük gösterdiği gözlemlenmiştir. AK miktarı %1'den %10'a çıktıkça, AK parçacıklarının PLA matrisi boyunca homojen şekilde dağılmak yerine kümelendiği gözlemlenmiştir. AK-Ag içeren filmlerin SEM görüntülerinde ise, AK katkılı filmlere göre daha iyi dağılım gözlemlenmiştir. FTIR spektrumu, PLA ve PLA/%10PEG filmlerinin benzer kimyasal bileşimlere sahip olduğunu ve PLA/%10PEG filminin PEG'in karakteristik fonksiyonel gruplarını içerdiğini göstermiştir. AK ve AK-Ag katkılı kompozit filmler de PLA/%10PEG ile aynı karakteristik pikleri sergilemiştir. XRD analizine göre, PEG'in %10 oranında eklenmesi PLA'nın kristal yapısını önemli ölçüde değiştirmemiştir. Termal analiz sonuçlarına göre, PEG'in plastikleştirici etkisi, PLA'nın termal stabilitesini bozarak malzemenin daha düşük bir sıcaklıkta bozulmasına neden olmuştur. AK ve AK-Ag katkılı filmler, PLA/%10PEG ile karşılaştırıldığında termal stabilitenin değişmediği gözlemlenmiştir. AK ve AK-Ag oranının artmasıyla birlikte filmlerin toplam renk değişiminde (ΔE) artış gözlemlenmiş, parlaklık (L*) değerinde ise azalış meydana gelmiştir. AK-Ag katkılı filmlerin, kompozit yapının rengi nedeniyle sarı-kırmızı renk değerleri yüksek çıkmıştır. AK ve AK-Ag partikülleri PLA matrisine eklendiğinde, gerilme mukavemeti değerlerinde azalma gözlemlenmiştir. PLA/%10PEG filmine kıyasla, %1-10 arasında AK katkılı filmlerde gerilme mukavemeti değerlerinde %14,63'ten %33'e kadar azalma görülürken, AK-Ag katkılı filmlerde %2,32'den %22,69'a kadar azalma gözlenmiştir. En yüksek gerilme mukavemeti değerleri, 31,47 MPa ile %1 AK-Ag ve 29,45 MPa ile %3 AK-Ag filmlerinde elde edilmiştir. PLA filmlerin gerilme mukavemeti değerleri, AK ve AK-Ag eklendikten sonra azalmış olsa da, petrol bazlı ticari plastik filmlerle kıyaslandığında karşılaştırılabilir düzeyde olduğu görülmüştür. En yüksek kopma anındaki uzama oranı ve ısıl yapışma mukavemeti değerleri de %1 ve %3 AK-Ag filmlerinde kaydedilmiştir. Su buharı geçiş hızı, %1 AK ve AK-Ag katkılı filmlerde, PLA/%10PEG'e kıyasla yaklaşık %34 oranında artış göstermiştir. Disk difüzyon yöntemi kullanılarak filmlerin antimikrobiyal aktiviteleri araştırılmıştır. Antimikrobiyal özellikler sadece %3, %5 ve %7 oranında AK-Ag katkılı filmlerde tespit edilmiştir. Sonuç olarak, şeker pancarı posasının aktif karbon üretimi için iyi bir ham madde olduğu belirlenmiştir. Elde edilen aktif karbonun gümüş iyonlarıyla emdirilmesi, AK-Ag kompozit malzemeye antimikrobiyal özellik kazandırmıştır. Aktif karbon-gümüş kompozit yapısının PLA matrisine dahil edilmesiyle elde edilen biyokompozit filmler, sürdürülebilir aktif gıda ambalajı olarak petrol bazlı ticari plastik filmler yerine kullanılma potansiyeline sahiptir.