Development of cellulose and polyhydroxybutyrate (PHB) based materials and tissue engineering applications - Bozdağ, Gülnihal (My University, 2019)
Tez Başlığı: Selüloz ve Polihidroksibütirat Temelli Materyallerin Geliştirilmesi ve Doku Mühendisliği Uygulamaları Günümüzde, doğal polimerler, sentetik petrol bazlı polimerlerin çevre dostu olmayan özellikleri nedeniyle endüstri için trend hammaddeler haline gelmiştir. Doğal, parçalanabilir polimerlerin kullanılması yıllar içinde artmıştır ve bu ihtiyacı karşılamak amacıyla birçok doğal polimer düşük maliyet ve yüksek verimle üretilmeye çalışılmaktadır. Bu polimerler genellikle mikroorganizmalar tarafından üretilmekte ve en uygun üretim için koşullar optimize edilmeye çalışılmaktadır. Mikrobiyal bir biyopolimer olan bakteriyel selüloz (BC) son yıllarda bitki selülozuna karşı bir alternatif olarak dikkat çekmektedir. Bakteriyel selülozun kimyasal yapısı bitki selülozu ile benzer olmasına rağmen, bazı fiziksel özellikleri, bitki selülozu ile karşılaştırıldığında eşşizdir. Bakteriyel selüloz, genellikle Gluconobacter, Agrobacterium ve Achromobacter cinsleri tarafından üretilmektedir. Su emme kapasitesi, yüksek kristallik derecesi ve yüksek mukavemet özellikleri nedeniyle, bakteriyel selüloz, gıda, kağıt ve sağlık gibi farklı endüstriyel alanlarda önemli bir biyopolimer haline gelmiştir. Endüstriyel uygulamalar için bir başka önemli biyopolimerde, polihidroksialkanoatların (PHA) bir üyesi olan polihidroksibütirattır (PHB). PHB'nin biyouyumluluk ve çevre dostu özellikleri, tıbbi ürünlerin üretimi gibi farklı uygulamalarda kullanılmasına yol açmaktadır ve en iyi bilinen PHB üreticileri Ralstonia eutropha ve Bacillus megaterium'dur. Bu tez çalışmasında, Komagataeibacter hansenii DSMZ 5602’den verimli ve ucuz BC üretimi için alternatif ucuz karbon kaynakları araştırılmıştır. Bu amaçla bezelye, kereviz kabukları ve karma mutfak artıkları gibi farklı sebze atıkları kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, kontrole en yakın sonucu veren karbon kaynağının, azot takviyesi ile desteklenen karışık mutfak atığı olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, pH'ın atıktan bakteri selülozu üretiminde önemli bir parametre olduğu ve hücrelerin yan ürünlerinin pH azalmasına neden olması durumunda üretimin etkilendiği görülmüştür. Tez çalışması kapsamında, zorunlu alkalofilik Bacillus marmarensis GMBE 72T’den yüksek miktarda PHB elde etmek için, PHB'nin ekstraksiyon koşulları iyileştirilmiştir. Metanol ve etanol-aseton çöktürmesi olarak iki farklı çöktürme yöntemi denenerek, etanol-aseton çöktürmesinin daha etkili olduğu bulunmuştur. Optimizasyon deneylerinden sonra üretilen bu iki polimer, kuru döküm yöntemi kullanılarak karıştırılmıştır. Karakterizasyon deneylerine bağlı olarak, bu çalışmada, bakteriyel selülozun atıktan üretilebileceği ve PHB ile kombinasyon halinde kullanılabileceği gösterilmiştir.

Thesis Title: Development of Cellulose and Polyhydroxybutyrate (PHB)-Based Materials and Tissue Engineering Applications Nowadays, natural polymers are trend raw materials for industry due to non-eco-friendly properties of synthetic petroleum based polymers. Utilization of natural, degradable polymers has growed over the years and different type of natural polymers are tried to produce efficiently from low cost materials. These polymers generally produced by different microorganisms and it is important to optimize production conditions for eco-frendly production processes. In recent years, bacterial cellulose (BC), a microbial biopolymer, is considered as an alternative biopolymer for plant cellulose. Although the chemical structure of bacterial cellulose is similar to plant cellulose, its physical properties are very unique compared to plant cellulose. It is generally produced by Gluconobacter, Agrobacterium and Achromobacter genus and due to its water absorption capacity, high crystallinity and high strength properties, bacterial cellulose has become an important biopolymer used in different industrial fields such as food, paper, and health area. Another important biopolymer for industrial applications is polyhydroxybutyrate (PHB), a member of the polyhydroxyalkanoates (PHAs). Biocompatability and eco-friendly properties of PHB are led to its usage in different applications such as production of medical products. Ralstonia eutropha and Bacillus megaterium are known as the well-known PHB producers. In this thesis, alternative cheap carbon sources are investigated for efficient and low cost BC production from Komagataeibacter hansenii DSMZ 5602. For this purpose, different vegetable waste as pea pods, celery peels and mixed kitchen wastes were used as vegetable wastes. According to the results, mixed kitchen waste supplemented with organic nitrogen sources was suitable for production of BC and physical properties of BC from mixed kitchen waste are similar to that produced from mannitol as a carbon source. Also, it is determined that pH is an significant parameter for the production of BC from waste, and the production was ceased when pH was decreased to below pH 5.0 depending on by-product formation. Besides low cost BC production, PHB extraction was also evaluated by using different precipitation methods to obtain efficient PHB extraction. Depending on experimental results, precipitation using ethanol-aseton solution gave the highest amount of PHB compared to methanol. After that, PHB and BC were blended by using dry-cast method. Based on experimental results, the efficient and low cost bacterial cellulose production was accomplished by using the mixed vegetable waste supplemented with organic nitrogen sources and its physical properties is similar to BC produced from mannitol. Additionally, BC could be used in combination with PHB.
Keywords: Doku Mühendisliği; doku mühendisliği cellulose; polihidroksibütirat; polyhydroxybutyrate; selüloz; Tissue engineering