Muz Yalancı Gövde Atıklarından NH4OH-KOH Yöntemi ile Kağıt Hamuru Üretim Olanaklarının Araştırılması

Year 2022, Volume: 22 Issue: 3, 662 - 674, 30.06.2022

Meryem Ondaral , Evren Ersoy Kalyoncu

https://doi.org/10.35414/akufemubid.1098884

Abstract

Artan nüfus talepleri nedeniyle kağıt hamuru ve kağıt endüstrisi hızla büyümektedir. Bu talepleri karşılamak için, çevresel kaygılara bağlı olarak, kağıt hamuru ve kağıt üretiminde alternatif hammaddelerin ve yeni teknolojilerin kullanımı artmıştır. Bu çalışmada, muz bitkisinin (Musa sapientum) meyve hasadı sırasında büyük miktarlarda oluşan muz yalancı gövde atıklarından NH4OH-KOH yöntemi ile kağıt hamuru üretim olanakları araştırılmıştır. Pişirme çözeltisinin muz yalancı gövde atığına oranı, maksimum pişirme sıcaklığı ve maksimum sıcaklıkta pişirme süresi sırasıyla 6, 165 °C ve 60 dakika olarak sabit tutulmuştur. Çalışmada %20 ve %22 olmak üzere iki farklı alkali oranı kullanılmış olup, pişirme çözeltisindeki NH4OH ve KOH oranları sistematik olarak değiştirilerek hamur ve kağıt özelliklerindeki değişim gözlemlenmiştir. Artan KOH ve NH4OH oranlarına bağlı olarak hamurların kappa numaralarının azaldığı ancak bu azalışın yeterli delignifikasyon sağlayacak şekilde olmadığı görülmüştür. Üretilen hamurların viskozite değerleri korunmuş ancak lignin içeriğinin yüksek olmasından dolayı hamurların parlaklık değerleri düşük olmuştur. Bununla birlikte, muz yalancı gövde atıklarının NH4OH-KOH yöntemi ile kopma indisi (60,95 Nm/g), yırtılma indisi (14,94 mNm2/g) ve patlama indisi (4,28 kPa.m2/g) değerleri yüksek kağıtların üretildiği tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre muz yalancı gövde atıklarından NH4OH-KOH yöntemi ile üretilen kağıtların ambalaj endüstrisi için uygun olabileceği düşünülmüştür.

Keywords

NH4OH-KOH kağıt hamuru üretimi, Muz yalancı gövde atığı, Kağıt hamuru ve kağıt üretimi, Tarımsal atık, Ambalaj endüstrisi

Thanks

Yazarlar, çalışmada hammadde teminini sağlayan Prof. Dr. Sedat ONDARAL'a, çalışmaya katkıları ve desteklerinden dolayı Prof. Dr. Hüseyin KIRCI'ya ve laboratuvar imkanlarını sağlamalarından dolayı KTÜ Orman Fakültesi Orman Endüstri Mühendisliği bölümüne teşekkür eder.

Investigation of the NH4OH-KOH Pulping Possibilities of Banana Pseudo-stem Wastes

Abstract

The pulp and paper industry has been growing fast due to the increasing population demands. In order to meet these demands, the use of alternative raw materials and new technologies for pulp and paper manufacture has increased depending on environmental concerns. In this study, pulp production possibilities of the banana plant (Musa sapientum) were investigated by the NH4OH-KOH method from banana pseudo-stem wastes formed in large quantities during fruit harvest. The liquid to banana pseudo-stem ratio, the maximum cooking temperature, and the cooking time at the maximum temperature were kept constant as 6, 165 °C, and 60 min., respectively. In the study, two different alkaline ratios, 20%, and 22%, were used and the changes in pulp and paper properties were observed by systematically changing the NH4OH and KOH ratios in the cooking liquor. It was observed that, the kappa numbers of the pulps decreased due to the increasing KOH and NH4OH ratios, but sufficient delignification could not be achieved. The brightness values of the produced pulps were low due to the lignin content of the pulps, while the viscosity values were preserved. Although, it has been determined that papers with values high tensile index (60,95 Nm/g), tear index (14,94 mNm2/g), and burst index (4,28 kPa.m2/g) were produced by the NH4OH-KOH method from banana pseudo-stem wastes. According to the results obtained, it was thought that the papers produced from banana pseudo-stem wastes by the NH4OH-KOH method could be suitable for the packaging industry.

Keywords

NH4OH-KOH Pulping, Banana pseudo-stem waste, Pulp and paper production, Agricultural waste, Packaging industry

References

• Akgül, M. ve Temiz, S., 2006. Determination of kraft-NaBH4 pulping conditions of Uludağ fir (Abies bornmulleriana Mattf.). Pakistan Journal of Biological Science, 9(13), 2493-2497.
• ASTM E313, 2020. Standard Practice for Calculating Yellowness and Whiteness Indices from Instrumentally Measured Color Coordinates.
• Balda, S., Sharma, A., Capalash, N. ve Sharma, P., 2021. Banana fibre: a natural and sustainable bioresource for eco‑friendly applications. Clean Technologies and Environmental Policy, 23, 1389–1401. https://doi.org/10.1007/s10098-021-02041-y
• Bilek, S., Melikoğlu, A, Y. ve Cesur, S., 2019.Tarımsal atıklardan selüloz nanokristallerinin eldesi, karakteristik özellikleri ve uygulama alanları. Akademik Gıda 17(1), 140-148, DOI: 10.24323/akademik-gida.544980.
• Biswas, D., Misbahuddin, M., Roy, U., Francis, R.C. ve Bose, S. K., 2011. Effect of additives on fiber yield improvement for kraft pulping of kadam (Anthocephalus chinensis). Bioresource Technology, 102(2), 1284-1288.
• Bostancı, Ş., 1987. Kağıt Hamuru Üretimi ve Ağartma Teknolojisi. No:14, KTÜ, Orman Fakültesi, 245-258.
• Bozkurt, A.Y. ve Erdin, N., 1989. Odunsu lifler ve tanımı. İstanbul Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, Seri B, 39(4), 1-16.
• Çetinkaya, İ., 2011. Kağıdın Fiziksel Özelliklerinin Dijital Baskı Kalitesine Etkisinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 108.
• Ciolacu, F., 2013. in “Pulp Production and Processing: From Papermaking to High-Tech Products”, edited by Valentin I. Popa, published by De Gruyter, 217-252.
• Cordeiro, N., Belgacem, M. N., Torres, I. C. ve Moura, J. C. V. P., 2004. Chemical compo-sition and pulping of banana pseudo-stems. Industrial Crops and Products, 19(2), 147–154.
• De Freitas, C., Terrone, C.C., Masarin, F., Carmona, E.C. ve Brienzo, M., 2021. In vitro study of the effect of xylooligosaccharides obtained from banana pseudostem xylan by enzymatic hydrolysis on probiotic bacteria. Biocatal. Agric. Biotechnol. 33, 101973 https://doi.org/10.1016/j.bcab.2021.101973.
• Elumalai, S., Roa-Espinosa, A., Markley, J.L., ve Runge, T.M., 2014. Combined sodium hydroxide and ammonium hydroxide pretreatment of post-biogas digestion dairy manure fiber for cost effective cellulosic bioethanol production. Sustainable Chem. Processes 2, 12. doi: https://doi.org/10.1186/2043-7129-2-12
• Farhana, B. M. P., 2015. The effect of chemical treatment on the pulp and paper properties of banana (musa sp.) stem and its effect on blending with secondary fibers, Master of science, Universiti Sains Malaysia, Malaysia, 46.
• Gençer, A., (2003). Buğday Saplarından (Triticum aestivum L.) KOH-Hava yöntemiyle kağıt Hamuru Üretimi ve Atık Suların Gübre Olarak Kullanım Olanaklarının Araştırılması, Doktora Tezi, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Zonguldak, 171.
• Gençer, A. ve Eroğlu, H., 2017 Manufacturing of Pulp from Wheat Straw (Triticum aestivum L.) by KOH-Air Method. Bartın Orman Fakültesi Dergisi, 19 (2), 63-68, DOI:10.24011/barofd.322619.
• Genco, J., Busayasakul, N., Medhora, H.K. ve Robbins, W., 1990. Hemicellulose retention during kraft pulping. Tappi Journal, 73(4), 223-233.
• Gírio, F. M., Fonseca, C., Carvalheiro, F., Duarte, L. C. ve Marques S., 2010. Bioresour. Technol., 101, 4775, https://doi.org/10.1016/j.biortech.2010.01.088
• Good, H., 2002. Measurement of color in cereal products. Cereal Foods World, 4, 5–6.
• Goswami, T., Kalita, D. ve Rao, P.G.,2008. Greaseproof paper from Banana (Musa Paradisica L.) pulp fibre. Indian journal of chemical teechnology, 15, 457-461.
• Gümüşkaya, E., Serin, Z., Ondaral, S. ve Ustaömer, D., 2003. Buğday (Triticum Aestevum L.) sapı soda-oksijen kağıt hamurunun kimyasal ve kristal yapısı ile optik özellikler arasındaki ilişkiler. Kafkas Üniversitesi Artvin Orman Fakültesi Dergisi, 1-2 (14-20).
• Huang, G., Shi X.J. ve Langrish T. A.G., 2007 (a). A new pulping process for wheat straw to reduce problems with the discharge of black liquor. Bioresource Technology, 98, 2829–2835.
• Huang, G., Shi J. X., Langrish ve T. A. G., 2007 (b). Bioresour. Technol., 98, 1218 https://doi.org/10.1016/j.biortech.2006.05.002
• Huang, G., Zhang C. ve Fang Y., 2002. Cleaner production of wheat straw. Journal of Process Engineering, 2(6), 547-52.
• Huang, G., Zhang, C. ve Chen, Z., 2006. Pulping of Wheat Straw with Caustic Potash-Ammonia Aqueous Solutions and Its Kinetics. Chinese J. Chem. Eng., 14(6), 729-733.
• Hussain, I. ve Tarar, O. M., 2014. Pulp and paper making by using waste banana stem. Journal of Modern Science and Technology, 2(2), 36-40.
• ISO/DIS 2470, 2016. Paper, Board and Pulps-measurement of Diffuse Blue Reflectance Factor (ISO Brightness).
• İstek, A., Gönteki, E., 2009. Utilization of sodium borohydride (NaBH4 ) in kraft pulping process. Journal of Environmental Biology, 30(6) 951-953, www.jeb.co.in
• Jahan, M.S., Chowdhury, D.A.N., Islam, M.K. ve Mun, S.P., 2005. Kraft pulping of sapwood – A sawmill waste. Journal of Korea Tappi, 37(5), 41- 49.
• Jannah, A. M., Amalia, D.U., Hana ve N. S., 2019. Biobutanol Production from Bagasse Using Ammonia Pretreatment and Acid Hydrolysis Method. 1st International Symposium of Indonesian Chemical Engineering (ISIChem) 2018. doi:10.1088/1757-899X/543/1/012053.
• Jeenusha, K.S. ve Amritkumar, P., 2020. Production of Biodegradable Food Packaging Material from Musa (Banana plant) leaves by Ecofriendly methods. IOSR Journal of Environmental Science, Toxicology and Food Technology (IOSR-JESTFT) e-ISSN: 2319-2402, p- ISSN: 2319-2399.Volume 14, Issue 4 Ser. II (April. 2020), PP 01-05, www.iosrjournals.org
• Kalyoncu, E.E. ve Ondaral, M., 2021. Muz yalancı gövde atığının kağıt hamuru ve kağıt üretimine uygunluğunun kimyasal ve morfolojik açıdan değerlendirilmesi. Turkish Journal of Forestry, 22(2), 143-150.
• Khan, M. Z. H., Sarkar, M. A. R., Al Imam, F. I., Khan, M., Zaid, H., ve Malinen, R.O., 2014. Paper making from banana pseudo-Stem: characterization and comparison. Journal of Natural Fibers, 11, 199-211, https://doi.org/10.1080/15440478.2013.874962
• Kim, T. H. ve Lee, Y. Y., 2005. Pretreatment of corn stover by soaking in aqueous ammonia. Applied Biochemistry and Biotechnology, 121-124, 1119–1132.
• Kim, T. H. ve Lee, Y. Y., 2007. Pretreatment of corn stover by soaking in aqueous ammonia at moderate temperatures. Applied Biochemistry and Biotechnology, 137, 81–92.
• Kleppe, P.J., 1970. Kraft pulping. Tappi, 53(1), 35-47.
• Kocurek, M.J., Grace, T.M. ve Malcolm, E., 1989. Alkaline Pulping. ISBN: 0919893716, 637, TAPPI/CPPA, Atlanta.
• Li, J. ve Gellerstedt, G., 1997. The contribution to kappa number from hexenuronic acid groups in pulp xylan. Carbohyd Res, 302, 213–218.
• Lewın, M. ve Roldan, E.G., 1971. The Effect of Liquid Anhydrous Ammonia in the Structure and Morphology of Cotton Cellulose. J. Polym. Sc., No. 36, Part C, 213-231.
• Li, K., Fu S., Zhan H., Zhan Y. ve Lucia L. A., 2010. Analysis of the chemical composition and morphological structure of banana pseudo-stem. Bioresources, 5(2), 576-585.
• Manish, K. ve Deepak, K., 2011. Comparative study of pulping banana stem. International Journal of fiber & textile research, 1(1), 1-5.
• Ortega, Z., Morón, M., Monzón, M.D., Badalló, P. ve Paz, R., 2016. Production of banana fiber yarns for technical textile reinforced composites. Materials, 9, 370, DOI: 10.3390/ma9050370
• Park, J. K. ve Phillips, J. A., 1988. Chem. Eng. Commun., 65,187, https://doi.org/10.1080/00986448808940253
• Pothan, L. A., George, C. N. ve John, M. J., 2010. Dynamic mechanical and dielectric behavior of banana-glass hybrid fiber reinforced polyester composites. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 29, 1131-1145, https://doi.org/10.1177/0731684409103075
• Rahmati, H., Ebrahimi, P. ve Sedghi, M., 2010. Effect of cooking conditions and oxygendelignification on Bambusa tulda kraft pulping. Indian Journal of Chemical Technology, 17, 74- 77.
• Ramesh, M., Sri Ananda Atreya, T., Aswin, U.S., Eashwar, H. ve Deepa, C., 2014. Processing and mechanical property evaluation of banana fiber reinforced polymer composites. Procedia Engineering, 97, 563 – 572, https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.12.284
• Sakare, P., Bharimalla, A. K., Dhakane-Lad, J. ve Patil, P. G., 2020. Development of greaseproof paper from banana pseudostem fber for packaging of butter. J Nat Fibers, 18, 1974–1982.
• Sarkar, A. M., Farzana, M., Rahman, M. M., Jın, Y. ve Jahan, M. S., 2021. Future cellulose based ındustrıes ın bangladesh – a mını revıew. Cellulose Chemical Technology, 55 (5-6), 443-459.
• Scan Test Methods, Scandinavian Pulp, Paper and Board Testing Committee, s. 1486, Stockholm-Sweden.
• SCAN-CM 15:88, 1988. Viscosity in Cupri-ethylenediamine Solution, Scandinavian Pulp, Paper and Board Testing Committee.
• Shakhes, J., Marandi, M.A.B., Zeinaly, F., Saraian, A. ve Saghafi, T., 2011. Tobacco residuals as promosing lignocellulosic materials for pulp and paper industry. BioResources, 6, 4481-4493.
• Shinagawa, S. ve Shouji, K., 1994. Effect of anthraquinone with a surfactant in kraft pulping of douglas fir. International Pan Pacific Conference Proceedings, 35-38, California, USA.
• Singh, L. ve Bandyopadhyay, T. K., 2013. Handmade paper from banana stem. Int J Sci Eng Res, 4(7), 2074-2079.
• Sözer S. ve Yaldız O., 2011. Muz serası atıkları ve sığır gübresi karışımlarından mezofilik fermantasyon sonucu üretilebilecek biyogaz miktarının belirlenmesi üzerine bir araştırma. Akdeniz Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 24(2), 75-78.
• Tappi 403 om-15, 2015. Bursting Strength of paper. Tappi Test Methods, Tappi Press, Atlanta, 2.
• Tappi 414 om-12, 2012. Internal Tearing Resistance of Paper (Elmendorf-type method), Tappi Test Methods, Tappi Press, Atlanta, 2.
• Tappi 494 om-13, 2013. Tensile Breaking Strength and Elongation of Paper and Paperboard (using pendulum-type tester) Tappi Test Methods, Tappi Press, Atlanta, 2.
• Tappi T 205 sp-12, 2018. Forming Handsheets for Physical Tests of Pulp.
• Tappi T 210 cm-86, 1991. Weighing, Sampling and Testing Pulp for Moisture, TAPPI Test Methods, Tappi Press, Atlanta.
• Tappi T 236 om-13, 2013. Kappa Number of Pulp Tappi Test Methods, Tappi Press, Atlanta, 2.
• Tappi T 402 sp-13, 2013. Standart Conditioning and Testing Athmospheres for Paper, Board, Pulp Hand Sheets and Related Products. Tappi Test Methods, Tappi Pres, Atlanta.
• Tappi T 527 om-19, 2019. Color of Paper and Paperboard.
• Tripathi, S., Singh, S., Gangwar, A., Mishra, O. P., Chakrabarti, S. K., Bhardwarj, N. K. ve Varadhan, R., 2013. Blending of Banana stem with wheat straw and bagasse to enhance physical strength properties of paper. IPPTA: Quarterly Journal of Indian Pulp and Paper Technical Association 25(2):121-125.
• Tutuş, A. ve Çiçekler, M., 2019. Kavak odunu yongalarından modifiye yöntem ile kağıt hamuru ve kağıt üretimi. International Congress on Agriculture and Forestry Research (AGRIFOR), 8-10 Nisan, Marmaris/Turkey.
• Vaaler, D. A. ve Moe, S. T., 2001. Carbohydrate profiles of kraft pulps manufactured with white liquor additives. In 11th International Symposium on Wood and Pulping Chemistry, Nice, France, 279-282.
• Yoo, C.G., Meng, X., Li, M., Pu, Y. ve Ragauskas, A.J., 2017. Effects of organosolv and ammonia pretreatments on lignin properties and its inhibition for enzymatic hydrolysis. Green Chem.,19(8), 2006-201
• Yurdakurban, F. ve Gençer, A., 2019. Kraft yöntemiyle aynı pişirme şartlarında sarıçam ve titrek kavak odunu yongalarından elde edilen kâğıt hamurunun verimi ve kâğıt özelliklerinin karşılaştırılması, Bartın Orman Fakultesi Dergisi, 21 (1), 129-135. https://doi.org/ 10.24011/barofd.447207
• Zhou, L., He, H., Jiang, C., Ma, L. ve Yu, P., 2014. Cellulose nanocrystals from cotton stalk for reinforcement of poly(vinyl alcohol) composites. Cellulose Chemistry and Technology, 51(1-2), 109- 119.
• İnternet kaynakları 1-https:web.hitit.edu.tr/dersnotlari/ibrahimbilici_08.04.2016_3C0O.pdf (10.07.2021)