Citric acid and dimer diol-based polyester membranes for food packaging applications
Gıda paketleme uygulamaları için sitrik asit ve dimer diol bazlı polyester membranlar
- Tez No: 846290
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BİHTER ZEYTUNCU GÖKOĞLU, PROF. DR. EMRAH ÇAKMAKÇI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 76
Özet
Son yıllarda, fosil bazlı malzemelerin kullanımına ilişkin çevresel kaygılar her zamankinden daha fazla dikkat çekmiştir. Petrokimyasallardan türetilen plastikler gibi petrol bazlı malzemeler, sera gazı emisyonlarına ve iklim değişikliğine katkıda bulunur. Fosil yakıtların çıkarılması, rafine edilmesi ve üretim süreçleri atmosfere büyük miktarlarda karbondioksit ve diğer sera gazları salmaktadır. Bu, artan küresel sıcaklıklara, bozulan ekosistemlere ve çevre üzerinde diğer olumsuz etkilere yol açmıştır. Karbon bazlı plastikler, özellikle deniz ortamında plastik kirliliğine önemli bir katkıda bulunuyor. Uygun olmayan imha ve verimsiz geri dönüşüm sistemleri, büyük miktarlarda plastik atığın okyanuslara, nehirlere ve çöplüklere gitmesine neden olmaktadır. Bu sadece deniz yaşamına zarar vermekle kalmıyor, aynı zamanda kontamine deniz ürünlerinin tüketimi ve plastiklerden zararlı kimyasalların sızması yoluyla insan sağlığına da risk oluşturuyor. Ek olarak, artan tüketici bilinci ve çevresel konularla ilgili endişeler satın alma kararlarını etkilemektedir. Tüketicilerin artık çevre dostu ve sürdürülebilir ambalaj seçenekleri olan ürünleri seçme olasılığı daha yüksek olmaktadır. Sonuç olarak, yenilenebilir kaynakların kullanımına doğru önemli bir kayma olmuştur ve yeni ve geliştirilmiş polimerler, üretim yöntemleri, kaynakları ve özellikleri bulmak için yoğun akademik ve endüstriyel araştırmalar yürütülmektedir. Biyopolimerler, özellikle polisakkaritler, gıda ürünlerini çevresel faktörlere karşı pasif olarak korumak ve gıda üzerindeki mikrobiyal büyümeyi engellemek veya geciktirmek, meyveler, sebzeler, tahıllar, proteinli gıdalar ve süt ürünleri gibi farklı gıda gruplarının gıda raf ömrünü uzatmak için bitki bazlı hammaddeler, tarımsal atıklar veya biyo bazlı monomerler gibi yenilenebilir kaynaklardan türetilen biyo bazlı polimerler ve polyesterler ambalaj malzemeleri olarak geleneksel sentetik ve biyolojik olarak parçalanamayanlara potansiyel alternatifler olarak önerilmiştir. Besleme stokları genellikle karbonhidrat açısından zengindir ve çeşitli malzemeleri çıkarmak veya üretmek için işlenebilirler. Örneğin mısır, şeker kamışı ve buğday, gıda ambalajlarında yaygın olarak kullanılan polilaktik asit (PLA) veya biyo-bazlı polietilen (PE) gibi biyo-bazlı polimerleri üretmek için kullanılabilir. Bu ham maddeler, yenilenebilirlik, fosil yakıtlara bağımlılığın azalması ve potansiyel karbon nötrlüğü gibi avantajlar sunar. Mısır sapları, buğday samanı, pirinç kabuğu ve küspe (şeker kamışı atığı) gibi tarımsal atıklar, selüloz, hemiselüloz veya lignin gibi değerli bileşenleri çıkarmak için enzimatik hidroliz veya fermantasyon gibi işlemlerden geçebilir. Bu bileşenler daha sonra biyo-bazlı polimerlerin üretimi için girdiler olarak veya mevcut ambalaj malzemelerinin özelliklerini geliştirmek için katkı maddeleri olarak kullanılabilir. Biyo bazlı monomerler, bitki yağları veya şekerler gibi yenilenebilir kaynaklardan elde edilen yapı taşlarıdır. Bu monomerler, gıda paketlemede kullanılan biyo-bazlı polimerleri üretmek için polimerize edilebilir. Örneğin, glikolik asit, süksinik asit veya 1,4-butandiol gibi biyo-bazlı monomerler, polietilen tereftalat (PET) gibi polyesterler üretmek için kullanılabilir. Geleneksel petrol bazlı plastiklerle karşılaştırıldığında, sera gazı emisyonlarına, fosil yakıt tüketimine ve doğal kaynakların tükenmesine önemli ölçüde daha az katkıda bulunur. Biyo-kaynaklı malzemeleri kullanarak, sınırlı fosil yakıt rezervlerine olan bağımlılığımızı azaltabilir ve daha sürdürülebilir ve döngüsel bir ekonomiye doğru ilerleyebiliriz. Ayrıca, geleneksel plastiklere kıyasla daha düşük bir karbon ayak izi olacaktır. Yenilenebilir malzemelerin üretimi genellikle daha az enerji gerektirir ve daha az sera gazı emisyonu üretir. Bitki bazlı polimerlerin ve polyesterlerin gıda ambalajlarında kullanılması, yeni malzeme ve teknolojilerin geliştirilmesinde araştırma ve yeniliği teşvik eder. Devam eden araştırmalar, bariyer özelliklerini, mekanik mukavemeti ve raf ömrü uzatma yeteneklerini geliştirmek gibi yeşil ambalajın performansını ve işlevselliğini iyileştirmeyi amaçlamaktadır. Bu çalışmada, sitrik asit ve dimer diol kullanarak gıda paketleme uygulamaları için biyo-türevli polyesterler hazırlamayı amaçladık. Mevcut membranların özellikle mekanik özellikleri, sıvı suya karşı direnci ve su buharı geçirgenliği açısından iyileştirilmesi, ambalajlı gıdaların raf ömrünün artırılması için çok önemlidir. Bu nedenle, daha sıkı ve yoğun bir polimer matris oluşturduğu, oksijen ve nem gibi gazların geçirgenliğini azalttığı ve gıda ürünlerini bozulmaya veya bozulmaya yol açabilecek dış etkenlerden koruyarak raf ömrünü uzatmak için bariyer kabiliyetini arttırdığı bilinen bitkisel yağ bazlı dimer diol kullanmayı tercih edilmiştir. Ek olarak, sitrik asit ayrıca biyolojik olarak parçalanabilen doğal olarak oluşan bir organik asittir. Polyester membranlara dahil edildiğinde, biyolojik olarak parçalanabilirliğini artırır. Bu, membranların zamanla doğal bileşenlere ayrılarak çevresel etkilerini azaltabileceği ve daha sürdürülebilir bir paketleme çözümüne katkıda bulunabileceği anlamına gelir. Poliester membran sentezi için monomerler olarak Sitrik asit, dimer diol, NPG ve sebasik asidin farklı stokiyometrik oranları seçildi, esterleşme reaksiyonunu desteklemek için reaksiyon karışımına p-toluensülfonik asit (PTSA) gibi bir katalizör eklendi ve karışım, sitrik asit ve sebasik asidin karboksilik asit grupları ve dimer diol ve NPG'nin hidroksil grupları arasında ester bağlantılarının oluşumunu kolaylaştırmak için, tipik olarak 80 ila 220 °C arasında değişen yüksek sıcaklıklarda bir vakum altında ısıtıldı. Esterleşme reaksiyonu ilerledikçe polimer zincirlerinin boyu uzarmaktadır. Reaksiyon karışımı, istenen moleküler ağırlık ve viskoziteyi elde etmek için yeterli bir süre boyunca yükseltilmiş sıcaklıkta tutuldu. Ortaya çıkan polyester polimer, ince filmler veya zarlar oluşturmak için bir teflon substrat üzerine döküldü ve bu monomerlerin, elde edilen polyesterlerin termal, fiziksel ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisi araştırıldı. Polyester membranlar, membranların morfolojisini, yüzey pürüzlülüğünü, lif dağılımını ve genel mikro yapısını analiz etmek için taramalı elektron mikroskobu (SEM) gibi çeşitli teknikler kullanılarak karakterize edildi. Polyester membranların mekanik mukavemetini ve özelliklerini ölçmek, membranların gerilim altında deformasyona, esnemeye veya kırılmaya karşı direncini belirlemek için Çekme Mukavemeti Testi (TS) uygulandı. Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), polyester membranların kimyasal bileşimini ve moleküler yapısını analiz etmek ve membranlarda bulunan fonksiyonel gruplar hakkında bilgi sağlamak ve belirli kimyasal bağların tanımlanmasına izin vermek için kullanıldı. Membranın hidrofobik veya hidrofilik doğasını belirlemek ve yüzey enerjisi, ıslanabilirliği ve sıvılarla etkileşimi hakkında bilgi sağlamak için temas açısı testi (CA) ve sıcaklığın bir fonksiyonu olarak polyester membranların ağırlık değişimlerini ölçmek için Termogravimetrik analizi (TGA) yapıldı. Membranların termal stabilitesini, ayrışma sıcaklığını ve bozunma davranışını değerlendirmede yardımcı olmuştur. Ambalaj malzemelerinin bariyer özelliklerini değerlendirmek için OTR testi kullanılır. Selüloz filmlerin, gıda ürünlerinin tazeliğini ve kalitesini korumak için hayati önem taşıyan oksijenin nüfuzunu ne kadar etkili bir şekilde engellediğinin belirlenmesi. Bozulabilir malların raf ömrünü uzatmak için düşük OTR'ye sahip ambalajlar şarttır. Bulgularımız, gıda paketleme uygulamaları için sitrik asit bazlı polyester membranların hazırlanmasında dimer diol kullanımının, elde edilen polyesterlerin mekanik özelliklerini, su direncini ve termal stabilitesini önemli ölçüde artırabileceğini göstermektedir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar, nihai olarak sürdürülebilir gıda koruma uygulamalarına katkıda bulunabilecek gıda paketleme uygulamaları için biyobazlı malzemelerin geliştirilmesine ilişkin değerli bilgiler sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
In recent years, the environmental concerns regarding the use of fossil-based materials have gained more attention than ever before. petroleum-based materials, such as plastics derived from petrochemicals, contribute to greenhouse gas emissions and climate change. The extraction, refining, and production processes of fossil fuels release large amounts of carbon dioxide and other greenhouse gases into the atmosphere. This has led to increasing global temperatures, disrupted ecosystems, and other adverse effects on the environment. Carbon-based plastics are a major contributor to plastic pollution, especially in the marine environment. Improper disposal and inefficient recycling systems have resulted in large quantities of plastic waste ending up in oceans, rivers, and landfills. This not only harms marine life but also poses risks to human health through the consumption of contaminated seafood and the leaching of harmful chemicals from plastics. Additionally, increasing consumer awareness and concern about environmental issues have influenced purchasing decisions. Consumers are now more likely to choose products with eco-friendly and sustainable packaging options. As a result, there has been a significant shift towards the use of renewable sources, and intensive academic and industry research is being carried out to find new and improved polymers, production methods, sources, and properties. Biopolymers, in particular, polysaccharides, have been proposed as potential alternatives to conventional synthetic and non-biodegradable ones as packaging materials to passively protect food products against environmental factors, and inhibit or retard microbial growth on food, extending food shelf life of different food groups such as fruits, vegetables, grains, protein foods, and dairy products. Biobased polymers and polyesters which are derived from renewable resources such as plant-based feedstocks, agricultural waste, or bio-based monomers. Feedstocks are often rich in carbohydrates and can be processed to extract or produce various materials. For example, corn, sugarcane, and wheat can be used to produce bio-based polymers like polylactic acid (PLA) or bio-based polyethylene (PE), which are widely used in food packaging. These raw materials offer advantages such as renewability, reduced dependence on fossil fuels, and potential carbon neutrality. Agricultural waste such as corn stalks, wheat straw, rice husks, and bagasse (sugarcane waste) can undergo processes like enzymatic hydrolysis or fermentation to extract valuable components like cellulose, hemicellulose, or lignin. These components can then be used as Inputs for the production of bio-based polymers or as additives to enhance the properties of existing packaging materials. Bio-based monomers are building blocks derived from renewable resources, such as plant oils or sugars. These monomers can be polymerized to produce bio-based polymers used in food packaging. For instance, bio-based monomers like glycolic acid, succinic acid, or 1,4-butanediol can be used to produce polyesters like polyethylene terephthalate (PET). Compared to traditional petroleum-based plastics contribute significantly less to greenhouse gas emissions, fossil fuel consumption, and depletion of natural resources. By using Bio-sourced materials, we can reduce our dependence on finite fossil fuel reserves and move towards a more sustainable and circular economy. Moreover, there will be a lower carbon footprint compared to conventional plastics. The production of renewable materials generally requires less energy and generates fewer greenhouse gas emissions. The utilization of plant-based polymers and polyesters in food packaging stimulates research and innovation in the development of new materials and technologies. Ongoing research aims to improve the performance and functionality of green packaging, such as enhancing barrier properties, mechanical strength, and shelf life extension capabilities. In this study, we aimed to prepare bio-derived polyesters for food packaging applications using citric acid and dimer diol. The improvement of existing membranes, particularly regarding their mechanical properties, resistance to liquid water, and permeability to water vapor, is crucial for enhancing the shelf life of packaged foods. Therefore, we preferred to use vegetable oil-based dimer diol, which is known to create a tighter and denser polymer matrix, reducing the permeability of gases such as oxygen and moisture and enhancing barrier capability to extend the shelf life of food products by protecting them from external factors that can lead to spoilage or degradation. In addition, citric acid is also a naturally occurring organic acid that is biodegradable. When incorporated into polyester membranes, it enhances their biodegradability. This means that the membranes can break down into natural components over time, reducing their environmental impact and contributing to a more sustainable packaging solution. Different stoichiometric ratios of Citric acid, dimer diol, NPG, and Sebacic acid are chosen as the monomers for polyester membrane synthesis , a catalyst, such as p-Toluenesulfonic acid (PTSA), was added to the reaction mixture to promote the esterification reaction and the mixture was heated under a vacuum , typically at elevated temperatures ranging from 80 to 220 °C, to facilitate the formation of ester linkages between the carboxylic acid groups of citric acid and sebacic acid and the hydroxyl groups of dimer diol and NPG. As the esterification reaction progresses, the polymer chains grow in length. The reaction mixture was maintained at the elevated temperature for a sufficient time to achieve the desired molecular weight and viscosity. The resulting polyester polymer was casted onto a teflon substrate to form thin films or membranes and the effect of this monomers on the thermal, physical and mechanical properties of the resulting polyesters was investigated. Polyester membranes were characterized using various techniques such as scanning electron microscopy (SEM) to analyze the morphology, surface roughness, fiber distribution, and overall microstructure of the membranes. Tensile Strength Test (TS) to measures the mechanical strength and properties of polyester membranes. It determines the ability of the membranes to resist deformation, stretching, or breaking under tension. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) to analyze the chemical composition and molecular structure of polyester membranes and provide information about the functional groups present in the membranes and allows for identification of specific chemical bonds. Contact angle test (CA) to determine the hydrophobic or hydrophilic nature of the membrane and provide insights into its surface energy, wettability, and interaction with liquids. Thermogravimetric analysis (TGA) for measuring the weight changes of polyester membranes as a function of temperature. It helps in evaluating the thermal stability, decomposition temperature, and degradation behavior of the membranes. And OTR testing is employed to assess the barrier properties of packaging materials. Determining how effectively Cellulose films prevents the permeation of oxygen, which is crucial for preserving the freshness and quality of food products. Packaging with low OTR is essential for extending the shelf life of perishable goods. Our findings suggest that the use of dimer diol in the preparation of citric acid-based polyester membranes for food packaging applications can significantly enhance the mechanical properties, water resistance, and thermal stability of the resulting polyesters. The results obtained in this study provide valuable insights into the development of biobased materials for food packaging applications, which can ultimately contribute to sustainable food preservation practices.
Benzer Tezler
- Yüksek Performanslı Likid Kromatografi (HPLC) yöntemi idrar oksalik asit ve sitrik asit düzeylerinin belirlenmesi
Determination of oxalic acid and citric acid levels in urine by High Performance liquid chromatografi (HPLC)
MUKADDER ERDEM
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2010
BiyokimyaOndokuz Mayıs ÜniversitesiBiyokimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULKERİM BEDİR
- Havuç suyu üretiminde total sıvılaştırma yöntemi uygulaması ve diğer bazı farklı teknikler üzerinde araştırmalar
Researches on the application of total liquefaction and other related techniques for the production of carrot juices
NİLAY DEMİR
- Psikrotolerant maya Yarrowia lipolytica B9'un immobilize hücreleriyle steril olmayan peynir altı suyu ortamında sitrik asit üretimi
Citric acid production with immobilized cells of psychrotolerant yeast Yarrowia lipolytica B9 in non-sterile whey medium
NAZLI PINAR ARSLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
BiyoteknolojiAtatürk ÜniversitesiBiyoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET NURİ AYDOĞAN
- Sitrik asit ve melment F10'u alçının özelliklerine etkisi
The Effects of citric acid and melment F10 on the properties of gypsium
BERNA ÖZTEKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2002
Seramik MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiSeramik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. Ö. FARUK EMRULLAHOĞLU
- Broyler rasyonlarına katılan fitaz enzimi ve sitrik asidin verim performansı, bazı kan ve kemik mineral düzeyleri ile tibial diskondroplazi üzerine etkisi.
The effect of dietary phytase and citric acid supplementation on broiler performance, some blood and mineral levels and tibial dyschondroplasia.
ALİ SÖĞÜT
Doktora
Türkçe
2008
Veteriner HekimliğiAnkara ÜniversitesiHayvan Besleme ve Beslenme Hastalıkları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR DOĞAN TUNCER