Boya Hammaddelerinin Analitik Karakterizasyonu ve Mikrobiyal Boyalar
Giriş
Boyalar farklı yüzeylerin korunmasını sağlamanın yanı sıra dekorasyon amacıyla da kullanılmaktadır. Boyanın istenilen talepleri karşılaması boya üretiminde kullanılan hammaddenin özelliklerine bağlıdır ve bunlar boyanın çevresel etkisi, kalitesi ve güvenliğinde önemli bir rol oynamaktadır.
Boyanın uygulanacağı yere göre uygulamayı kolaylaştırmak amacıyla su veya solvent bazlı
ürünler kullanılır. Uygulandığı yüzeyde boya kururken çözücü buharlaşır ve reçineler (solvent veya su bazlı) kürlenir, böylece boyanın yüzey ile fiziksel ve kimyasal bağ kurması sağlanır. Genellikle dekorasyon amacıyla tercih edilen pigmentler aynı zamanda dolgu maddesi veya katkı maddesi olarak kullanım alanına sahiptir.
Temel beyaz pigment olan TiO2, mükemmel kapatıcılık özelliğine sahiptir. Siyah pigment olarak karbon siyahı yaygın kullanılmaktadır. Diğer pigment maddeleri ise kırmızı renk için demir oksit ve kadmiyum sülfür, sarı ve turuncu renklerde metalik tuzlar, mavi renk için demir mavisi ve yeşil renk elde etmek için krom sarısı en çok tercih edilen bileşiklerdir.
Kalsiyum karbonat, alüminyum silikat, talk, kaolin gibi dolgu maddeleri maliyeti düşürmenin yanı sıra boyaya esneklik ve mukavemet özellikleri sağlar. Katkı maddeleri, boyanın hem üretimini hem de yüzeye uygulanmasını kolaylaştırmaktadır (Şekil 1).
Boya Hammaddelerinin Analitik Karakterizasyonu
Boyanın üretimi ve uygulanması sırasında oluşan köpükler boya üretiminde dispersiyonu zorlaştırması, maliyeti artırması ve yüzey bozukluğuna neden olmasından dolayı
köpük giderici maddeler kullanılarak giderilir. Mezür yardımıyla basit bir test düzeneğinde köpük kesici maddenin etkisi belirlenebilir.
Aynı zamanda köpük kesicilerin yapısında bulunan fonksiyonel gruplar FTIR spektroskopi tekniği ile tespit edilebilir (Şekil 2) [1].
Köpük kesicinin eksik veya fazla olduğu durumlarda balık gözü, iğne deliği, portakal kabuğu ve krater diye adlandırılan kusurlar gözlenir. Bu kusurlar daha belirgin bir şekilde stereo mikroskobu altında görülebilir. Dispersant maddeler pigment ve dolgu maddelerinin boya içerisinde homojen dağılmasını sağlar ve ıslatıcı maddeler (yüzey aktif maddeler) ile birlikte kullanılır.
Pigment ve dolgu maddelerinin yüksek ıslanma oranları pigmentlerin renk şiddetini de o derecede artırmaktadır. Reoloji ve viskozite testi yardımıyla dispersant ve dolgu maddelerinin ıslanma özellikleri belirlenir. Ayrıca Zeta Potansiyometresi ve Partikül Boyut Ölçüm Cihazı (Mastersizer) yardımıyla ıslatıcı maddenin pigment ve dolgu maddesinin
ıslanma oranı üzerinde etkisi boyanın pH’ına bağlı olarak gözlenebilmektedir.
FTIR spektrometresi yardımıyla pigmentler ile reçineler, çözücü, katkı maddeleri ve dolgu maddeleri arasında oluşan fonksiyonel yapılar incelenerek her bir maddenin etkisi tespit edilebilir. İnorganik özellikli pigmentler ve dolgu maddelerinin (kalsiyum karbonat, talk gibi) yapılarında bulunan safsızlar XRD ve XRF analiz teknikleri ile belirlenmektedir.
Pigment ve maddelerin hem yüzey görünümleri hem de elementel içeriklerini belirlemek amacıyla SEM ve EDX analizi kullanılır (Şekil 3). Dolgu maddelerinin çözücü ve diğer sıvı katkı maddelerini absorplama kabiliyetleri BET yüzey alanı ölçüm cihazı kullanılarak incelenir. Çözücüler ve reçinelerin yapılarında bulunan organik içeriklerin tespitinde kromatografi grubunda yer alan GC, GC-MS, HPLC, LC-MS/MS cihazları yaygın tercih edilmektedir.
Boyalar uygulama ve kuruma işlemleri tamamlandıktan sonra renk ve parlaklık testleri yapılır. Çevresel şartlara ve UV ışımalara karşı etkinliğini belirlemek amacıyla iklimlendirme
ve UV dayanım testleri gerçekleştirilir. Aynı zamanda boyanın uygulandığı yüzeye bağlı olarak korozyon ve mukavemet testleri de uygulanmalıdır.
SEM analizi ve stereo mikroskobu altında boya yüzeyinde oluşabilen çatlaklar ve sararmalar gözlenir. Farklı alanlarda özel amaçlar için kullanıma yönelik boyalar ise ısı yalıtımı sağlayan, ses absorplayan ve antibakteriyel özellik sergileyenlerdir. Isı yalıtımı sağlayan boyalar özellikle enerji verimliliğinin önemli olduğu çok sıcak ve soğuk bölgelerde tercih edilmektedir [4].
Çağımızın önemli problemleri arasında yer alan gürültü kirliği problemi için de ses absorplayıcı boyalar geliştirilmeye başlanmıştır.
Mikrobiyal Pigmentler
Sentetik boyalarda kullanılan bazı kimyasal bileşiklerin toksik, mutajen, kanserojen ve alerjen olmaları nedeniyle günümüzde toksik olmayan, güvenilir ve canlı organizmalardan
kolay elde edilen doğal bileşiklere ve boyalara olan ilgi giderek artmaktadır [5].
Doğal pigmentler bitkisel, hayvansal ya da mikrobiyal kaynaklardan elde edilirler.
Hayvansal kaynaklardan pigment elde etmek yüksek maliyetli ve zordur. Bitkisel kaynaklardan pigment eldesi ise kolay ve ucuzdur ancak iklim koşullarının değişmesi,
her mevsim üretime uygun olmaması gibi dezavantajlara sahiptir.
Bakteriyal pigmentler ise bitkisel pigmentlerin aksine, üretimlerinin mevsimsel etkilenme göstermemesi, laboratuvar koşullarında kolaylıkla üretilmesi, yüksek oranda verim elde edilebilmesi ve üretildikleri mikroorganizmaların hızlı büyümeleri sebebiyle büyük avantajları bulunmaktadır [6].
Aynı zamanda, biyolojik olarak parçalanabilir ve çevre dostu olmaları sürdürülebilir bir dünya için önemlidir. Mikroorganizmaların ürettikleri pigmentler temel yaşamsal faaliyetleri için gerekli olmayıp mikroorganizmayı çeşitli biyolojik ajanlara ve stres koşullarına dirençli hale getiren ikincil metabolitlerdendir.
Mikroorganizmaya olan faydalarının yanı sıra birçok pigmentin antimikrobiyal özelliğinin olduğu ortaya konmuştur. Bu sayede, boya katkı maddesi olarak kullanılan pigmentin üretilen ürüne antimikrobiyal özellik sağlayabileceği de bildirilmiştir.
Mikroorganizmalardan elde edilen pigmentlerde renk yelpazesi oldukça geniş olup
bazı bakteriyal pigmentlerin Munsell renk sistemindeki yeri belirlenmiştir [7]. Bugüne kadar çok sayıda pigment üreten bakteri tespit edilmiş olup pigment üretim süreçleri optimize edilmiştir (Tablo 1).
Gelişmiş ülkelerde mikroorganizmalardan elde edilen pigmentler birçok sektörde kullanılmaktadır. Renklendirici olarak boyalarda, kozmetik ürünlerde, mürekkep ve
kağıtlarda kullanılmaktadır. Tekstil endüstrisinde Serratia marcescens’ten elde edilen kırmızı renkli prodigiosin pigmenti akrilik, polyester, ipek ve pamuklu kumaş boyamasında
kullanılmaktadır [8].
Benzer şekilde Janthinobacterium lividum tarafından üretilen mor renkli violacein pigmentinin de antimikrobiyal poliamid kumaşların üretiminde kullanılabileceği belirtilmiştir [9]. Ayrıca, gıda endüstrisinde hem boyar madde olarak hem de antimikrobiyal özellik sağlama amacıyla kullanımları söz konusudur [7].
Sonuç olarak, sentetik pigmentlerin neden olduğu toksisite sorunları nedeniyle doğal pigmentlere olan talep artışıyla pigment üreten birçok bakteri belirlenmiş, kültür koşullarının ve fermantasyon ortamının optimizasyonu yapılmış ve pigmentlerin büyük ölçekli üretimi gerçekleştirilmiştir.
Fermantasyon ve Üretim Süreçleri
Gelişen küresel pazar ihtiyaçlarıyla karşılaştırıldığında, günümüzde mikrobiyal pigment üretim hacmi sentetik boyalara kıyasla halen düşüktür. Çeşitli biyoteknolojik araçları uygulayarak pazar taleplerini karşılamak için toplam üretim hacmini yükseltmek için daha iyi bir kapsam vardır.
Ticari pigment üretimi genetik mühendisliği teknolojilerinin fermantasyon teknolojileri ile birleşimi sonucu mümkün olabilmektedir. Bu çerçevede, mikroorganizmanın biyosentetik performansının arttırılmasına yönelik gen, protein ve metabolizma mühendisliği, genom karıştırma ve üretimi endüstri düzeyine çıkarmak için fermantasyon stratejileri, mikrobiyal pigmentlerinin ucuz maliyetle ve yüksek stabiliteyle azami ve çevre dostu üretiminde hayati rol oynamaktadır [7].
Fermantasyon koşullarının optimizasyonu ve ekonomik akış-aşağı (downstream) süreçlerin geliştirilmesi, mikrobiyal pigmentlerin maliyet etkin üretimini sağlayabilir. Ortam optimizasyonu, en iyi verimi sağlayan koşulların seçimi için sıcaklık, pH, kuluçka süresi, besin kaynakları, havalandırma ve çalkalama hızı gibi fermantasyon koşullarındaki değişiklikleri içerir.
Tepki yüzeyi metodolojisi (TYM) tekniği, ortam optimizasyonu için kullanılan klasik yöntemlere göre birçok avantaja sahip olup incelenen tüm değişken faktörlerin optimum bir kombinasyonunu elde etmek için daha az deney gerektirir.
Yapay sinir ağları (YSA), mikrobiyal pigment üretimi için optimizasyonun yanı sıra fermantasyon koşullarının etkisini incelemek için kullanılabilecek başka bir tekniktir. Fermantasyon koşullarının optimizasyonu böylece daha az zaman ve toplam maliyetin azalmasına yol açan çaba gerektirir [10].
Kaynaklar
[1] A. Hassan, K. Jumbri, A. Ramli, N. Borhan, Physio-Chemical Analysis of Amide and Amine Poly(dimethylsiloxane)-Modified Defoamer for Efficient Oil-Water Separation, ACS Omega. 6 (2021). https://doi.org/10.1021/acsomega.1c00350. [2] S. Sahebian, S.M. Zebarjad, S.A. Sajjadi, Z. Sherafat, A. Lazzeri, Effect of both uncoated and coated calcium carbonate on fracture toughness of HDPE/CaCO3 nanocomposites, J Appl Polym Sci. 104 (2007). https://doi.org/10.1002/app.25644. [3] P. Wedin, J.A. Lewis, L. Bergström, Soluble organic additive effects on stress development during drying of calcium carbonate suspensions, J Colloid Interface Sci. 290 (2005). https://doi.org/10.1016/j.jcis.2005.04.020. [4] Ş. Balbay, Düşük Maliyet ve Yüksek Enerji Tasarrufuna Sahip Termal Boya Üretimi, Konya Journal of Engineering Sciences. 8 (2020) 693–705. https://doi.org/10.36306/konjes.643725. [5] F.M. Drumond Chequer, G.A.R. de Oliveira, E.R. Anastacio Ferraz, J. Carvalho, M.V. Boldrin Zanoni, D.P. de Oliveir, Textile Dyes: Dyeing Process and Environmental Impact, in: Eco-Friendly Textile Dyeing and Finishing, 2013. https://doi.org/10.5772/53659. [6] M. Aman Mohammadi, H. Ahangari, S. Mousazadeh, S.M. Hosseini, L. Dufossé, Microbial pigments as an alternative to synthetic dyes and food additives: a brief review of recent studies, Bioprocess Biosyst Eng. 45 (2022).
https://doi.org/10.1007/s00449-021-02621-8. [7] C.K. Venil, L. Dufossé, P. Renuka Devi, Bacterial Pigments: Sustainable Compounds With Market Potential for Pharma and Food Industry, Front Sustain Food Syst. 4 (2020). https://doi.org/10.3389/fsufs.2020.00100. [8] X. Liu, Y. Wang, S. Sun, C. Zhu, W. Xu, Y. Park, H. Zhou, Mutant breeding of serratia marcescens strain for enhancing prodigiosin production and application to textiles, Prep Biochem Biotechnol. 43 (2013). https://doi.org/10.1080/10826068.2012.721850. [9] M. Kanelli, M. Mandic, M. Kalakona, S. Vasilakos, D. Kekos, J. Nikodinovic-Runic, E. Topakas, Microbial production of violacein and process optimization for dyeing polyamide fabrics with acquired antimicrobial properties, Front Microbiol. 9 (2018).
https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.01495. [10] B. Rana, M. Bhattacharyya, B. Patni, M. Arya, G.K. Joshi, The Realm of Microbial Pigments in the Food Color Market, Front Sustain Food Syst. 5 (2021). https://doi.org/10.3389/fsufs.2021.603892.
Doç. Dr. / Şenay Balbay – Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi
Merkezi Araştırma Laboratuvarı Uygulama ve Araştırma Merkezi (BARUM)
Dr. Öğr. Üyesi / Ardahan Eski – Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Merkezi Araştırma Laboratuvarı Uygulama ve Araştırma Merkezi (BARUM)
Doç. Dr. / Rafig Gurbanov – Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi
Merkezi Araştırma Laboratuvarı Uygulama ve Araştırma Merkezi (BARUM)
