Manyetik nanopartiküller ve çapraz bağlı lipaz agregatları kullanılarak yeni bir biyokatalizör geliştirilmesi
Development of a novel biocatalyst using magnetic nanoparticles and cross-linked enzyme aggregates
Yazar: EMRE AKKUŞ
Danışman: PROF. DR. SEMA SALGIN
Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Enzimler nano ölçekte biyokatalizörler olup, organik sentez ve biyoteknolojik üretimler gibi birçok alanda artan uygulamaları bulunmaktadır. Enzimlerin endüstriyel uygulamalarında karşılaşılan en önemli sorunlar kısa katalitik ömürleri ve bulunduğu ortamdan geri kazanımında karşılaşılan güçlüklerdir. Enzimlerin tepkime ortamından ayrılmasını kolaylaştırmak için taşıyıcı matris üzerine tutuklamak tercih edilen bir yöntem olmasına rağmen, tutuklama yöntemlerinin her birinin; enzimin taşıyıcıdan sızması ya da tutuklanan enzimlerin aktivitesinde kayıplara sebep olması gibi bir takım sınırlamaları bulunmaktadır. Bu nedenle son yıllarda taşıyıcısız tutuklama yöntemlerinden biri olan ve enzimin çapraz bağlı enzim agregatları (CLEA, Cross–Linked Enzyme Aggregates) oluşturularak elde edilen CLEA'ların enzimatik katalitik tepkimelerde kullanımı güncel bilimsel çalışma konuları arasına girmiştir. Ancak CLEA'ların tepkime ortamından santrifüj veya filtrasyon işlemleri ile ayrılması sırasında topaklaşması enzimin tekrar kullanımında ciddi bir problem yaratmaktadır. 

Yukarıda belirtilen dar boğazların giderilmesi amacıyla bu yüksek lisans tez projesinde Candida rugosa lipaz enzimi kullanılarak manyetik CLEA üretimi amaçlanmıştır. Yüksek kararlılıkta ve manyetik alan uygulanması ile tepkime ortamından kolaylıkla ayrılabilen biyokatalizörler manyetik demir nanopartiküller üzerine CLEA bağlanması ile üretilmiştir. Tez projesinin birinci basamağında manyetik demir oksit nanopartikül üretimi, birlikte çöktürme yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Projenin ikinci basamağında üretilen manyetik nanopartiküllerin yüzeyi amino grupları bağlanarak fonksiyonel hale getirilmiştir. Üçüncü basamakta ise lipaz enziminin CLEA'ları hazırlanarak ve manyetik demir oksit nanopartikül yüzeyine bağlanmıştır. Son basamakta ise, üretilen manyetik CLEA'ların tepkime ortamından manyetik alan uygulayarak ayrılması incelenmiştir. Ayrıca CLEA ve manyetik CLEA'ların optimum pH ve optimum sıcaklık değerleri, tekrar kullanılabilirliği ve aktivite kararlılıkları belirlenmiştir. CLEA'ların hidrodinamik boyut ve boyut dağılımları, zeta potansiyelleri ZetaSizer cihazında, yapısal değişimleri ise FTIR spektrometresinde, morfolojik karakterizasyonu SEM analizleri ile belirlenmiştir.

Abstract:
Enzymes are nano scale biocatalysts and find increasing applications in many areas including organic synthesis and biotechnological production. The most important problems encountered in industrial applications of enzymes are the short catalytic lifetime of enzymes and difficulty in recovery from reaction medium. Although, the binding of enzyme on carrier matrix is a preferred method to facilitate separation of enzyme from the reaction medium, each method has disadvantages such as lost of enzyme activity and enzyme leakage from carrier. For this reason, the use of CLEA (Cross-Linked Enzyme Aggregates) which is one of the methods carrier-free enzyme immobilization and obtains from the formation of enzyme cross-linked enzyme aggregates, in enzymatic catalytic reactions has become one of the latest scientific study subjects. The clumping of CLEA during the separation of CLEA from reaction mixture by centrifugation or filtration is a serious problem for the reusability of enzyme.

In order to overcome the above mentioned drawbacks, this master thesis project focuses on the production of magnetic CLEA from Candida rugosa lipase enzyme. A highly stable and easily separable biocatalyst from reaction medium by applying a magnetic field was produced with the binding CLEA on the magnetic iron nanoparticles. In the first step of this project, the production of magnetic iron nanoparticles was carried out with the co-precipitation method. Surface of magnetic nanoparticles produced in the second step of the project were functionalized with the binding to amino groups. In the third step, the CLEA of lipase enzyme was prepared and was bound to the surface of magnetic iron nanoparticles. In the last step, the separation of produced magnetic CLEA from the reaction medium by applying magnetic field was examined. In addition, the optimum pH and optimum temperature values, reusability and activity stability for CLEA and magnetic CLEA were determined. The hydrodynamic size and size distributions, and zeta potentials of CLEAs with Zetasizer equipment, the structural changes of CLEAs with FTIR spectrometer and morphology of CLEAs with SEM analysis were characterized.