Şeker pancarı küspesinden hemiselüloz özütlenmesi koşullarının optimizasyonu ve hemiselüloz temelli biyobozunur film üretimi

Abstract

Hemiselülozlar, lignoselülozik biyokütleden elde edilen ve farklı endüstriyel alanlarda kullanılma potansiyeline sahip biyopolimerlerdir. Bu çalışmada, lignoselülozik biyokütle olarak endüstriyel bir yan-ürün olan şeker pancarı küspesi kullanılmıştır. Şeker pancarı küspesinden alkali ön-işlem yöntemi ile hemiselülozca zengin fraksiyonun özütlenmesi için süreç koşulları dört parametreli Box-Behnken deney tasarımı ve Yanıt Yüzey Yöntemi kullanılarak optimize edilmiştir. Özütleme için en uygun koşullar; %22,73 (a/h) potasyum hidroksit, %3,82 (h/h) hidrojen peroksit, 448,5 W mikrodalga şiddeti ve 37,1°C sıcaklık olarak tespit edilmiştir. Optimizasyon sonucunda belirlenen koşullarda gerçekleştirilen özütleme ile en yüksek hemiselüloz verimi %28,33 (a/a) olarak belirlenmiştir. Bu sonucun, istatistiksel olarak geliştirilen model eşitliği ile hesaplanan %28,78 (a/a) özütleme verimi değeri ile %95 güven aralığında uyumlu olduğu tespit edilmiştir. Gerçekleştirilen alkali ön-işlemin biyokütle morfolojisi üzerinde önemli bir etkisi olduğu da SEM analizi ile gözlemlenmiştir. Çalışmanın bir sonraki aşamasında hemiselüloz-temelli biyofilm üretimi için denemeler gerçekleştirilmiştir. Deney tasarımına uygun şekilde 27 farklı koşulda elde edilen hemiselüloz fraksiyonları kullanılarak çözücü buharlaştırma tekniğiyle biyofilm üretimi denenmiştir. Uygun biyofilmlerin üretilebildiği koşullar seçilmiş ve %5-15 (a/a) aralığında plastikleştiriciler (sorbitol, gliserol, ksilitol, sitrik asit) eklenerek biyofilm üretimi gerçekleştirilmiştir. En uygun biyofilmlerin merkez nokta ve optimum noktada özütlenmiş hemiselülozlara %10 (a/a) ksilitol ve %10 sitrik asit (a/a) eklenerek elde edildiği tespit edilmiştir. Bu koşullarda üretilen biyofilmler, çalışmanın son aşamasında, kalınlık, nem, renk, suda çözünürlük, su buharı iletim hızı ve su buharı geçirgenliği açısından karakterize edilmiştir. Çalışmalar sonucunda şeker pancarı küspesinin potansiyel bir hemiselüloz kaynağı olduğu ve özütlenen hemiselülozların biyobozunur film üretimi için uygun olduğu belirlenmiştir.

Hemicelluloses are biopolymers obtained from lignocellulosic biomass and having potency to be used in different industrial fields. In this study, sugar beet pulp, an industrial by-product, was used as lignocellulosic biomass. The process conditions for the extraction of hemicellulose-rich fraction from the sugar beet pulp by alkali pretreatment method are optimized by using four parameter Box-Behnken experimental design and Response Surface Methodology. Optimal conditions for extraction were predicted as; 22.73% (w/v) potassium hydroxide, 3.82% (v/v) hydrogen peroxide, 448.5 W microwave intensity and 37.1°C temperature. The highest hemicellulose yield was found to be 28.33% (w/w) by the extraction performed on the conditions determined as a result of the optimization. This result was found to be compatible with the extraction yield value of 28.78% (w/w) calculated by the statistically developed model equation, within 95% confidence interval. It was observed by SEM analysis that the alkali pretreatment had a remarkable effect on biomass morphology.In the next phase of the study, experiments were carried out for hemicellulose-based biofilm production. Biofilm production was tried by solvent casting technique using hemicellulose fractions obtained at 27 different conditions in accordance with the experimental design. Conditions for producing appropriate biofilms were selected and biofilm production was performed by adding plasticizers (sorbitol, glycerol, xylitol, citric acid) in the range of 5-15% (w/w). It has been found that the most suitable biofilms are obtained by adding 10% (w/w) xylitol and 10% citric acid (w/w) to the hemicelluloses extracted at the center point and optimum point. The biofilms produced at these conditions are characterized in terms of thickness, humidity, color, water solubility, water vapor transmission rate and water vapor permeability, in the last phase of the study. As a result of the studies it was determined that sugar beet bagasse is a potential hemicellulose source and that the extracted hemicelluloses are suitable for biodegradable film production.