T.C.
KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ
KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
7. DÖNEM BİTİRME ÇALIŞMASI
PLA’NIN PROTEAZ ENZİMİ İLE BİYOBOZUNMASI
AYŞE BETÜL DEMİR 160221024
ELİF ACAR 160221025
FATMA BÜŞRA ŞEN 170221073
Arş. Gör. Dr. Togayhan KUTLUK
KOCAELİ 2021
Prepare for your exams
Study with the several resources on Docsity
Earn points to download
Earn points by helping other students or get them with a premium plan
Guidelines and tips
Prepare for your exams
Study with the several resources on Docsity
Earn points to download
Earn points by helping other students or get them with a premium plan
Community
Ask the community
Ask the community for help and clear up your study doubts
University Rankings
Discover the best universities in your country according to Docsity users
Free resources
Our save-the-student-ebooks!
Download our free guides on studying techniques, anxiety management strategies, and thesis advice from Docsity tutors
Obtaining biolubricant with oil obtained from microalgae
Typology: Thesis
2020/2021
1 / 46
This page cannot be seen from the preview
Don't miss anything!
Related documents
Partial preview of the text
Download Production of biolubricant from microalgae and more Thesis Chemistry in PDF only on Docsity!
T.C.
KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ
KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
7. DÖNEM BİTİRME ÇALIŞMASI
PLA’NIN PROTEAZ ENZİMİ İLE BİYOBOZUNMASI
AYŞE BETÜL DEMİR 160221024
ELİF ACAR 160221025
FATMA BÜŞRA ŞEN 170221073
Arş. Gör. Dr. Togayhan KUTLUK
KOCAELİ 2021
ii
TEŞEKKÜR
“PLA’nın Proteaz Enzimiyle Biyobozunması” adlı bu bitirme çalışması, Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı’nda Lisans Tezi olarak hazırlanmıştır.
Bu zor süreçte hiçbir talebimizi geri çevirmeyen, değerli vaktini ayırıp büyük bir ilgi, sevgi ve sabırla faydalı olabilmek için elinden gelenin fazlasını bizlere sunan, gerek kaynak, gerek bilgi açısından her türlü imkanı sağlayan sayın tez danışman hocamız Arş. Gör. Dr. Togayhan KUTLUK'a sonsuz teşekkürlerimizi sunarız.
Lisans eğitimimiz süresince emeği geçen tüm hocalarımıza ve arkadaşlarımıza sonsuz teşekkür ve saygılarımızı sunarız.
Aynı zamanda, maddi ve manevi bütün desteklerini her an üzerimizde hissettiğimiz ailelerimize teşekkürü borç biliriz..
iv
ABSTRACT
Recently, global awareness of the use of biodegradable polymers to mitigate the hazards for solid waste management has increased due to increased sensitivity to environmental pollution and rising oil prices. A biodegradable polymer is defined as a polymer that can be reduced to carbon dioxide and water by microbial action under normal environmental conditions. Polylactic acid is one of the most promising biodegradable polymers. Polylactic acid is a thermoplastic polyester obtained by polymerization of lactic acid produced from renewable sources such as corn, wheat and starch. One of the enzymes that degrade polylactic acid best is the protease enzyme. The breaking of chemical bonds using enzymes is called enzymatic biodegradation. Protease enzyme is used as a catalyst in the enzymatic biodegradation process and accelerates this process by breaking the bonds in the structure of polylactic acid. In this study, it was aimed to investigate the weight loss of polylactic acid against pH change in a certain range by using protease enzyme every 15 days for a total of 90 days.
Keywords: PLA, protease, enzymatic biodegradation
v
İÇİNDEKİLER
TEŞEKKÜR .............................................................................................................................. İİ
ÖZET ........................................................................................................................................ İİİ
ABSTRACT ............................................................................................................................. İV
İÇİNDEKİLER .......................................................................................................................... V
ŞEKİL LİSTESİ ......................................................................................................................Vİİ
TABLOLAR LİSTESİ .......................................................................................................... Vİİİ
vii
ŞEKİL LİSTESİ
Şekil 1.1. Polimerlerin sınıflandırılması .................................................................................... 3 Şekil 2.1. Bitkisel kaynaklardan PLA üretimi............................................................................ 7 Şekil 2.2. PLA sentezi ................................................................................................................ 8 Şekil 2.3. PLA’nın yapısı ........................................................................................................... 8 Şekil 2.4. L-laktik asit ve D- laktik asit...................................................................................... 9 Şekil 2.5. PLA polimerinin toprakta çözünümü ....................................................................... 11 Şekil 2.6. PLA’nın bozunması ................................................................................................. 12 Şekil 2.7. (A) PLA’nın enzimatik biyobozunması, (B) PLA filmlerini parçalamak için PLA'yı parçalayan enzimler tarafından kullanılan biyobozunma süreci .............................................. 14 Şekil 3.1. Enzimli ve enzimsiz aktivasyon enerjisi .................................................................. 15 Şekil 3.2. Enzim-substrat ilişkisi .............................................................................................. 16 Şekil 3.3. Proteazların gerçekleştirdikleri hidroliz reaksiyonunun mekanizması .................... 17 Şekil 3.4. Proteazların sınıflandırılması ................................................................................... 18 Şekil 4.1. Biyobozunma süreci ................................................................................................. 20 Şekil 4.2. PLA polimerinin enzimatik biyobozunma mekanizması ......................................... 23 Şekil 5.1. PLA’nın zamana bağlı olarak değişen ağırlık kaybı ve ortamdaki pH değeri ......... 30 Şekil 5.2. Proteaz DSM ile gerçekleştirilen biyobozunma işleminde DSC analizinin sonuçları .................................................................................................................................................. 31
viii
TABLOLAR LİSTESİ
Tablo 2.1. PLA’nın mekanik özellikleri................................................................................... 10 Tablo 2.2. Farklı kompozisyonlardaki laktik asit polimerlerinin Tg, Tm, kristalinite değerleri .................................................................................................................................................. 11
1
GİRİŞ
Günlük hayatımızda kullandığımız plastiklerin çoğu petrol esaslı ve kimyasal süreçlerden geçerek son hali elde edilen sentetik polimerlerden oluşurlar. Elde edilen sentetik polimerin çoğu çevreye atık olarak bırakılmaktadır. Bu atıkların doğada tamamen yok olmaları kimyasal yapılarına ve bırakıldıkları ortamın koşullarına bağlıdır. Koşulların durumuna göre bozunma süreci yüzyıllarca sürebilmektedir. Çevreye olan zararları minimalize etmek ve petrole bağımlılığın azaltılması için biyobozunur polimerlerin kullanım alanı arttırılmıştır. En yaygın olarak kullanılan biyobozonur polimerler polilaktik asit ve nişasta türevli polimerlerdir. Biyobozunur polimerler, ambalajlama, inşaat, tıp ve tarım başta olmak üzere çeşitli alanlarda kullanılmaktadır [3].
Biyobozunur polimerlerden biri olan PLA son zamanlarda endüstriyel olarak ekonomik bir şekilde üretilmesi sonucunda ilgi odağı haline gelmiştir [44]. Yarı kristal veya amorf yapıya sahip olan, rijit termoplastik ve alifatik bir polyester olan PLA; mısır, buğday ve nişasta gibi bitkisel kaynaklardan elde edilen şekerin fermantasyonu sonucunda üretilen laktik asidin polimerizasyonu ile elde edilir [7,11]. PLA enjeksiyon kalıplama, üflemeli kalıplama, ısıyla şekillendirme ve tabaka ekstrüzyonu gibi genel işleme ekipmanlarıyla kolay işlenebilen bir polimerdir [53].
PLA polimeri en iyi bozabilen enzimlerden birisi proteazdır. Proteazlar peptit bağlarının hidrolizini katalize eden enzimlerdir [24]. Proteazlar, doğada bitkisel, hayvansal ve mikrobiyal kalıntıların parçalanmasında önemli rol oynarak döngüye katkı sağlarlar [26].
Genel olarak biyobozunma süreci hidrolitik ve enzimatik biyobozunma olarak ikiye ayrılır. Polimerlerin hidrolitik biyobozunması polimerin ana zincirinde bulunan kimyasal bağların su molekülleri ile etkileşmesi sonucunda monomerlere dönüşmesi, enzimatik biyobozunma ise katalizör olarak enzim kullanılmasıyla kimyasal bağların kırılması olayıdır [44,45]. Enzimatik biyobozunma sürecinde ilk olarak enzim polimer substratına bağlanarak anahtar-kilit ilişkisi oluşturur. Daha sonra ise enzim hidrolitik bir ayrılmayı katalizler. Bunun sonucunda polimerde bulunan bağlar kırılarak bozunma işlemi tamamlanır [43].
Tez çalışması kapmasında proteaz enzimi kullanılarak polilaktik asit (PLA) polimerinin enzimatik biyobozunma süreci incelenecektir. Bu süreçte sıcaklık, tris tampon çözeltisi başına
2
enzim miktarı, tris tampon çözeltisinin derişimi sabit tutulacaktır. Bu çalışmanın sonucunda belirli aralıktaki pH değişimlerine ve belirli zaman aralıklarına karşın PLA polimerinin molekül ağırlığının incelenmesi amaçlanmıştır.
4
1.1.1 Polimerlerin Kimyasal Yapılarına Göre Sınıflandırılması Organik polimerlerin yapılarında karbon atomunun yanında genelde hidrojen atomu bulunmaktadır. İnorganik polimerlerin birçoğunun ana zincirinin temel bileşeni karbon atomudur. Fakat bazı polimerlerin yapılarında karbon atomu yerine sülfür, silisyum, fosfor gibi farklı atomlar da bulunabilir [2].
1.1.2 Polimerlerin Fiziksel Özelliklerine Göre Sınıflandırılması Polimerler fiziksel özelliklerine göre plastikler, elastomerler ve elyaflar olarak ayrılır. Elastomerlere örnek olarak doğal kauçuk, bütil kauçuk ve polibütadien verilebilir. Elyaflara örnek olarak da poliamid, polyester, selüloz ve yün verilebilir. Plastikler termoplastikler ve termosetler olarak ikiye ayrılır. Termoplastikler ısı ile şekil değiştirirken yapısal özelliklerini kaybetmezler. Termosetler ise ısı ile şekillendirildikten sonra yeniden şekillendirilemez [2].
1.1.3 Polimerlerin Bileşik Kaynağına Göre Sınıflandırılması Doğal polimerler canlılarda ve doğada bulunan polimerlerdir. Sentetik polimerler düşük moleküler ağırlıklı maddelerin sentezi ile yapay olarak elde edilen polimerlerdir. Yarı sentetik polimerler doğal polimerlerin yapılarının değiştirilmesiyle elde edilen polimerlerdir [2].
1.1.4 Polimerlerin Zincir Şekline Göre Sınıflandırılması Düz zincirli polimerlerin ana zincirlerini oluşturan atomlar kendi aralarında kovalent bağlarla bağlıdır. Başka zincirlerle aralarında bağ kuramazlar. Dallanmış zincirli polimerlerin ana zincirlerine, kendi kimyasal yapısına benzer yan dallar kovalent bağ ile bağlanır. Çapraz bağlı polimerlerin birden fazla ana zincirler birbirleriyle bağlı olduğundan ağ yapıdadır [2].
1.1.5 Polimerlerin Mekanik Özelliklerine Göre Sınıflandırılması Polimerler mekanik özelliklerine göre akışkan, yüksek elastik ve katı polimerler olarak sınıflara ayrılır. Akışkan polimerler küçük mekanik kuvvetler altında şekil değiştirebilen ve amorf özellik gösteren polimerlerdir. Yüksek elastik (kauçuksu) polimerler akışkan polimerler gibi amorf özellik gösterirler ve kolay şekil alabilen yapıya sahip polimerlerdir. Katı polimerler çok büyük kuvvetler uygulandığında bile çok küçük şekil değiştirebilen polimerlerdir [2].
5
1.1.6 Polimerlerin Monomer Şekline Göre Sınıflandırılması Polimerler monomer şekline göre homopolimer, kopolimer, terpolimer olarak sınıflandırılır. Bir polimer tek bir cins monomer biriminin tekrarlanmasından elde ediliyorsa bu polimere “homopolimer” denir. Gelişigüzel, ardışık, blok ve aşı polimerler olarak dört gruba ayrılan kopolimerler iki farklı monomerin birleşmesinden oluşur. Polimerlerde kimyasal yapıları farklı olan üç monomer mevcutsa bu polimerlere terpolimer denir [2].
7
Biyobozunur polimerlerin en çok üretimi ve tüketimi Batı Avrupa ülkeleri tarafından yapılmaktadır. Diğer ülkelerde de biyobozunur polimer üretim pazarı hızla artmaktadır. Pazarın çok büyük bir kısmında polilaktik asit ve nişasta türevleri yer almaktadır. Bunlara ek olarak da polihidroksibütirat, polikaprolakton, poliglikolik asit kullanılmaktadır [3].
2.1 POLİLAKTİK ASİT (PLA)
Günümüzde ticari olarak en çok üretilen polimer, laktik asit monomerlerinin polimerleştirilme tepkimesiyle elde edilen polilaktik asittir [47]. Polilaktik asit (PLA), biyouyumluluğu, uygun mekanik özellikleri, işlenme kolaylığı, yenilenebilir kaynaklardan sentezlenmesi, yüksek dayanıklılık ve mukavemet gibi özelliklere sahip olmasından dolayı yaygın olarak kullanılan bir biyobozunur polimerdir ve bu sebeplerden ötürü diğer biyobozunur polimerlere göre daha fazla ilgi görmüştür [6]. PLA genellikle mısır, buğday ve nişasta gibi bitkisel kaynaklardan elde edilen şekerin fermantasyonu sonucunda üretilen laktik asidin polimerizasyonu ile elde edilen bir termoplastik polyesterdir [7]. Şekil 2.1’de bitkisel kaynaklardan PLA üretimi şematize edilmiştir.
Şekil 2.1. Bitkisel kaynaklardan PLA üretimi [51]
PLA, hem laktik asidin doğrudan yoğunlaşması hem de laktit dimerin halka açılımı polimerizasyonu ile sentezlenebilir. “Düşük molekül ağırlıklı PLA’nın özelliklerinin yetersiz olması, solventin uzaklaştırılma zorunluluğu (yüksek basınç ve sıcaklık altında) ve optik olarak inaktif hale gelmesi gibi nedenlerden dolayı genellikle ticari üretimde tercih edilmemektedir.” Bu sebepten dolayı genel olarak yüksek molekül ağırlıklı PLA üretimi tercih edilmektedir.
8
Yüksek molekül ağırlıklı PLA genellikle halka dimer olan dilaktidin halka açma polimerizasyonu (ROP) ile sentezlenir. ROP yönteminde laktik asidin kondenzasyon polimerizasyonu ile düşük molekül ağırlıklı PLA sentezlenir. Düşük molekül ağırlıklı PLA’ nın depolimerizasyonunda katalizör kullanılarak laktid dimerleri oluşur. Yüksek moleküler ağırlıklı PLA, elde edilen dimerin halka açılması polimerizasyonu ile oluşur [3]. Şekil 2.2’de PLA sentezi şematize edilmiştir.
Şekil 2.2. PLA sentezi [44]
2.1.1.PLA’nın Yapısı Tekrarlanan birimleri laktik asitten oluşan PLA, alifatik polyesterler grubuna ait biyobozunur bir termoplastik polimerdir. PLA biyobozunur bir polimer olmasına rağmen doğada bozunması birkaç ay sürer [30]. Şekil 2.3’te PLA’nın yapısı şematize edilmiştir.
Şekil 2.3. PLA’nın yapısı [54]
Günümüzde PLA üretiminde şeker kaynağı olarak mısır, şeker kamışı ve patates nişastası gibi bitkisel kaynaklar kullanılırken, gelecekte ise PLA üretiminde selülozik biyokütlenin kullanımı amaçlanmıştır. “Bütün termoplastik polimerlerde olduğu gibi PLA’nın fiziksel özellikleri de katı hal morfolojisine ve kristalliğine bağlıdır. Polimere uygulanan ısıl işlemlere, polimerin
10
2.1.2. PLA’nın Özellikleri PLA yarı kristal veya amorf yapıya sahip olabilen, rijit termoplastik ve genel işleme ekipmanlarıyla kolay işlenebilen alifatik bir polimerdir [11]. PLA işlenirken enjeksiyon kalıplama, üflemeli kalıplama, ısıyla şekillendirme ve tabaka ekstrüzyonu gibi işleme yöntemleri kullanılır [53].
PLA polimeri hem PET karakteristiğine hem de PP özelliğine sahip olması nedeniyle benzersiz bir özellik sergilemektedir. PLA’nın bir başka özelliği ise mısır, şeker kamışı ve buğday gibi nişasta yönünden zengin bitkisel kaynaklardan elde edilen biyobozunur bir polimer olmasıdır. Bu özelliklerin yanında PLA çevre dostu ve biyouyumluluk gibi özelliklere de sahiptir [11].
PLA’nın, yüksek erime sıcaklığı (180°C), yüksek çekme mukavemeti, düşük maliyeti, yüksek çekme ve eğme modülü, şeffaflığı ve birleşebilirliği gibi iyi özelliklere sahip olduğundan dolayı tıp, tarım, inşaat gibi çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılır [ 12 ,15]. Diğer yandan PLA polimerinin kırılgan olması, düşük tokluk göstermesi, düşük darbe mukavemeti ve kristalleşme hızının yavaş olması gibi özelliklerinden dolayı çok yönlü uygulamaları kısıtlıdır. Bu kısıtlamaları önlemek için plastikleştirme, kopolimerizasyon ve harmanlama gibi çeşitli yöntemler uygulanmıştır [15]. Örneğin; PLA'nın kristalleşme hızını arttırmak için çekirdekleştirici ajanlar PLA'ya dahil edilir ve enjeksiyon kalıplama parametreleri değiştirilir [13]. Tablo 2.1’de PLA’nın mekanik özellikleri gösterilmiştir.
Tablo 2.1. PLA’nın mekanik özellikleri [53]
Laktik asit polimerlerinin Tg değeri 37 oC’den yüksektir. Örneğin PLA’nın Tg değeri60-67 oC aralığındadır. Polimerlerin Tg değeri polimerlerin yapısındaki laktik asit içeriğine bağlıdır.
11
Laktik asit içeriği arttıkça Tg değeri artar [26]. Farklı kompozisyonlardaki laktik asit polimerlerinin Tg, Tm, kristalinite değerleri tablo 2.2’de gösterilmiştir.
Tablo 2.2. Farklı kompozisyonlardaki laktik asit polimerlerinin Tg, Tm, kristalinite değerleri [26]
PLA'nın ısıl kararlılık ve darbe dayanımı gibi özellikleri iyi olmasına karşın termoplastik uygulama alanlarında kullanılan polimerlere göre daha düşüktür. PLA'nın bu özelliklerini iyileştirmek ve potansiyel uygulama alanlarını arttırmak için laktik asit kopolimerleri ve stiren, akrilat ve PEO türevleri gibi diğer monomer kopolimerleri geliştirilmiştir [3].
PLA'yı toprakta veya kompostta doğal olarak bozabilen mikroorganizmalar birçok araştırmada bildirilmiş olsa da, PLA'nın Poli-β-hidroksibütirat (PHB) ve poli (e-kaprolakton) (PCL)gibi diğer alifatik polyesterlere göre doğal ortamda daha az bozunduğu gözlemlenmiştir [ 14 ]. Şekil 2.5 PLA polimerinin toprakta çözünümü şematize edilmiştir.
Şekil 2.5. PLA polimerinin toprakta çözünümü [32]
2.1.3. PLA’nın Kullanım Alanları PLA’nın çevre dostu ve toprakta bozunabilir özelliklere sahip olmasından dolayı plastik uygulamalarda, paketleme alanında, ziraat ürünlerinde, tek kullanımlık ürünlerde ve medikal