Kitosanın kompost ortamında degredasyonunun incelenmesi

Abstract

Her geçen gün hızla artan nüfus, gelişen teknoloji ve değişen yaşam standardınaparalel olarak oluşan atıkların hem içeriği değişmekte hem de miktarı hızla artmaktaolup bunun önemli bir kısmını plastikler oluşturmaktadır. Plastikler, petrokimyasalkaynaklı sentetik polimerler olup dayanıklılık özelliklerinin yüksek olması ve ucuzmaliyete sahip olmaları nedeniyle çok çeşitli ürünlerin oluşturulmasında üreticilertarafından tercih edilmektedir. Doğaya bırakıldıklarında biyolojik olarakparçalanamamaları nedeniyle uzun yıllar yapılarını koruması hem çevre kirliliğineneden olmakta hem de bulundukları ortamlardaki canlılığı tehdit etmekte olupkullanım alanlarının sınırlandırılması gerekmektedir. Bu yüzden doğadabozunabilen ve yenilenebilir kaynaklardan elde edilen polimerler son yıllardauygulamalarda daha çok tercih edilmekte olup kullanımları sonrası oluşan atıklarınçevreye, toplum sağlığına ve ekonomiye uygun şekilde bertaraf edilmeleri konusuönemli hale gelmiştir. Tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de atıkların bertarafındayaygın olarak kullanılan düzenli depolama alanlarında bertaraf (landfill) yöntemineönemli kısıtlamalar getirilmiştir. Bu kısıtlamaların başında atıkların depolanmasınadair yönetmelikte (26.03.2010) düzenli depolama tesislerinde bertaraf edilecekbiyobozunur atık miktarının azaltılması gerekliliği gelmektedir.Kompostlaştırma yöntemi, organik atıkların mikroorganizmaların aktiviteleri sonucukontrollü olarak parçalanması işlemi olup biyobozunur atıkların bertarafındakullanılabilecek en uygun yöntemdir. Bu durum özellikle biyobozunur atık miktarıyüksek olan ülkemizde kompostlaştırma yönteminin önemini açıkça ortayakoymakta olup hazırlanma süreci devam eden `Biyobozunur Atık YönetimiYönetmeliği Taslağı` de bunu desteklemektedir. Başta kitosan olmak üzere çeşitlipolimerler sahip oldukları üstün özellikler nedeniyle gıda endüstrisi, tarım, ilaçsanayisi gibi farklı sanayi kollarında uygulama alanı bulmaktadır. Toksik özellikteolmaması ve sahip olduğu polikatyonik özellik nedeniyle özellikle gıda endüstrisindeyiyeceklerin ambalajlanmasında gıdaların raf ömrünü uzatmak ve yapılarındabozunma meydana gelmeden korunmalarını sağlamak amacıyla film formundakullanılmaktadır. Bu nedenle, kitosan ya da kitosan kompozit filmlerinin üretimineyönelik çalışmalar önem kazanmış olup bu amaçla yapılan çalışmaların sayısındagörülen artış bunu desteklemektedir. Dolayısıyla, katı atıklar içerisindeki paylarınıhızlı ve önemli miktarda arttıracak olan kitosan ve kitosan bazlı filmlerin doğaya gerikazandırılmaları sorunu hızla büyüyecektir. Mevcut literatürde kitosan ve benzeripolimerlerin kompost ortamındaki bozunma mekanizmalarına ait yeterli veribulunmamaktadır.Bu tez çalışması kapsamında, kitosan filmlerin kontrollü kompost ortamındakibiyobozunma davranışı hem ASTM D 5338 hem de ISO 14855:1, 2013standartlarına göre incelenmiştir. Kitosan filmleri, plastikleştirici olarak gliserol,çözücü olarak ise asetik asit kullanılarak çözücü uzaklaştırma yöntemindenyararlanılarak elde edilmiştir. Elde edilen kitosan filmlerin karakterizasyon analizleriiçin FTIR, TGA ve DSC yöntemleri kullanılmıştır. Kitosan filmlerinin SEM görüntüleriincelendiğinde filmlerin homojen, düzenli ve pürüzsüz bir yapı sergilediğigözlenmiştir. Kitosan filmlerin antimikrobiyal özelliğinin belirlenmesi amacıyla agardifüzyon yönteminden yararlanılmıştır. Test organizmaları olarak gram-negatifbakteri olan E. coli türü, gram-pozitif bakteri olan B. subtilis türü kullanılmıştır. Eldeedilen kitosan filmlerin antimikrobiyal özellik gösterdiğini hem FTIR analizisonuçlarında kitosan filmlerin antimikrobiyal özelliği ile ilişkilendirilen 1405 cm-1'deabsorbsiyon bandına sahip olması hem de nötralize edilen filmlerin agar difüzyontesti sonuçları kanıtlamaktadır. Kitosan filmlerin kompost ortamında biyobozunmayauğradığının kanıtı olarak karbondioksit oluşumu ile reaktörlerden alınan filmörneklerinin optik ve SEM görüntüleri gösterilebilir. Elde edilen kitosan filmlerinkompost ortamında biyobozunma oranının 30 gün sonunda %31 -%35 aralığındaolduğu görülmüştür. Literatürde yer alan çalışmalar ile karşılaştırıldığında buçalışmada kullanılan kitosan filmlerin ilk iki günde gözlenen yüksek bozunmahızlarına rağmen biyobozunma yüzdelerinin daha düşük olduğu görülmüştür.Kitosanın kompost ortamında bozunma mekanizması tam olarak bilinmemeklebirlikte biyobozunma oranında görülen düşüşün, filmlerin elde edilme yöntemi,filmlerde yer alan gliserol miktarı, gliserolün kompost ortamına ekstrakte olma hızıve süresi ile beraber kitosan filmlerin antimikrobiyal özelliği ile ilişkili olduğudüşünülmektedir.

Due to the increase in population, developments in technology and changes of lifestandards, plastic production has been rapidly increasing both in variety andamount; which causes various health hazards consequently. Plastics are syntheticpolymers derived from petrochemicals that are preferred by manufacturers in orderto produce wide range of products for having high durability capacities and beingcheaper. Usage of plastics must be limited due to their non-biodegradablecharacteristic that make them persistent for a long time in nature, to causeenvironmental pollution and to threat natural life. For this reason production ofbiodegradable polymers which are made from renewable raw materials come intoprominence for applications in recent years. Moreover the removal of wastematerials generated during the usage of these polymers considering the communityhealth care and economy become important issue. Similar to all other countriessignificant limitations have been brought to landfilling which is the commonly usedwaste disposal method in our country. One of the primary limitation in the landfilldirective (26.03.2010) is the necessity of reducing the amount of biodegradablewaste, which will be disposed to landfill sites.Composting, that is one of the most suitable process that can be preferred for theremoval of biodegradable wastes, is the controlled degradation process of theorganic wastes by the activity of microorganisms. This reveals the importance ofcomposting, especially in our country which has high amounts of biodegradablewaste and the `Regulation on Biodegradable Waste Management` which is underpreparation is also support this importance.Notably chitosan and various other polymers have applications in differentindustries, such as agriculture, food and pharmaceutical industries, due to theirsuperior properties. Chitosan films as a form of chitosan especially used in foodpackaging applications in order to extend their shelf life and preserve their structurewithout any disturbance on account of the non-toxic and polycationic characteristicsof chitosan. Thus the number of studies towards characterization and synthesis ofchitosan and chitosan based composite films have become more important which issupported by increase in the number of studies on these topics. The problem ofrecycling of chitosan and chitosan based films back to the nature will grow rapidlydue to increase in the ratio of chitosan based materials within solid waste.Unfortunately current studies in literature remain incapable in clarifying thedegradation mechanisms of the chitosan and chitosan like polymers in compostenvironment.In this study, degradation behavior of chitosan in controlled compost environmentwas investigated according to both ASTM D 5338 and ISO 14855:1, 2013 standardtest methods. Chitosan films were obtained by solvent casting method using glycerolas a plasticizer and acetic acid as a solvent. Characterization analysis of chitosanfilms were determined by using FTIR, TGA and DSC methods. SEM micrographs ofchitosan films showed that surface of films are homogenous, smooth and neat.Agar diffusion method was performed to determine antimicrobial properties ofchitosan films. As a test organism gram-negative bacterium E. coli and grampositive bacterium B. subtilis were used. Obtained chitosan films exhibitantimicrobial activity as confirmed by both FTIR results which includes an absorptionband at 1405 cm-1, that has been related to the antimicrobial properties of chitosanfilms and agar diffusion test results of neutralized chitosan films. Carbon dioxideevolution with visual and SEM observations are proofs of the biodegradation ofchitosan films in composting environment. Biodegradation amount of chitosan filmswere 31%-35% at the end of the 30 days in composting environment. In spite of thehigher degradation rates of chitosan films used in this study in first two days, it wasinvestigated that the percentages of biodegradation is lower by comparison withprevious studies in literature. The degradation mechanism of chitosan in compostingenvironment is not well understood yet, but the decrease in the amount ofbiodegradation is associated with the synthesis method of chitosan films, theamount of glycerol in films, the rate and time of extraction of glycerol fromcomposting environment, the antimicrobial property of films.