Kitinin kimyasal ve biyolojik yöntemlerle kitosana dönüşümünde biyoreaktör tasarımı ve tasarım parametrelerinin incelenmesi
Bioreactor design and investigation of design parameters for chemical and biological chitosan production methods
Yazar: MÜGE CİVELEKOĞLU
Danışman: PROF. DR. MURAT ELİBOL
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Bu çalışmanın amacı karides (Penaeus sp.) atıklarından kimyasal yolla elde edilen kitinin biyolojik yöntemlerle kitosana dönüşümünde kullanılacak farklı tipteki biyoreaktörlerin tasarlanması ve tasarım parametrelerinin kitosanın bazı karakteristik (deasetilasyon derecesi, moleküler ağırlık, viskozite gibi) özellikleri üzerinde olan etkilerinin incelenmesidir.Kitosan kitinin deasetilasyonu ile ortaya çıkan biyobozunur, toksisitesi olmayan, antimutajenik ve antimikrobiyal özellik taşıyan bir biyopolimerdir. Kitosan üretiminin başlangıç maddesi deniz kabuklusu atığıdır. Deniz kabuklusu atığı protein ve mineral gibi çeşitli safsızlıklar içerdiği için ilk önce kabukların deproteinizasyonu (protein giderimi) ve demineralizasyonu (mineral giderimi) yapılmaktadır. Kimyasal yolla üretilen kitinden kitosan üretebilmek için yapılan deasetilasyon 2 temel basamağa ayrılmıştır.Bu basamaklardan en önemlisi; reaktör tasarımı için en gerekli parametreler olan reaksiyon kinetiklerinin bulunmasıdır. Bu parametreler; reaksiyon hız sabiti, aktivasyon enerjisi, Arrhenius denklemindeki frekans sabiti ve efektif difüzyon sabitidir. Bunlar 6 saat süren 4 ayrı sıcaklık için yapılan kimyasal deasetilasyon işleminin sonucunda elde edilen deasetilasyon dereceleri üzerinden hesaplanmıştır. Kullanılan analiz yöntemleri ise titrimetrik ve UV spektrofotometre temellidir.Elde edilen reaksiyon parametrelerinden sonra reaktör tasarımları için bir kinetik model belirlenmiştir. Büzülen çekirdek modeli olarak adlandırılan bu model sistemi tanımlamakta ve reaksiyonun hız belirleyici basamağının bulunmasını sağlayarak tasarımları kolaylaştırmaktadır.Bu yöntemlerden ikincisi olan basamakta ise bulunan sonuçların biyolojik yollarla kitosana dönüşüm açısından kıyaslanabilirliği incelenmiştir. En iyi dönüşümü veren tasarım parametrelerinin kullanılmasıyla, dönüşümün bu kez Aspergillus nidulans ve Rhyzopus oryzae'den farklı kültür metotlarıyla üretilmiş kitin deasetilaz enzimleri kullanılarak biyoreaktör tasarımları yapılmıştır.Sabit yataklı kolon reaktör için yatak yüksekliği ve gözeneklilik, kabarcık kolon reaktör için ise hava akış hızı optimizasyonda tasarım parametreleri olarak alınmıştır. En iyi sonuç biyolojik yolla yapılan deasetilasyon için Aspergillus nidulans'ın ürettiği enzim ile yapılan 2,5 vvm hava akışı hızı ile çalıştırılan kabarcık kolon reaktörden elde edilmiştir.

Abstract:
Aim of this study is to design a new chitosan producing reactor by using biological methods; which is originally produced by chemical methods from crustacean shell wastes; and to investigate the effects of design parameters on some characteristic specifications of the chitosan (degree of deacetylation, molecular weight and viscosity).Chitosan is a unique biopolymer with its antimutagenic, antimicrobial and biodegradable characteristics without cytotoxicity. It is generally produced from marine crustean shell waste. This material contains some impurities like proteins and minerals; for removing these impurities deproteinization and demineralization procedures are highly used. After these processes from shell wastes only chitin is obtained. For further study, namely for the chitosan production deacetylation process must be performed. In this study deacetylation process is divided into two main parts.In the first part reaction kinetics; which are used for the design of the reactors; were determined. These are reaction rate, reaction?s activation energy, frequency factor of Arrhenius? equation and effective diffusion constant. These parameters were calculated by using different samples? deacetylation degrees. Samples were produced at six hours period for four different temperature values. Titrimetric and spectrophotometric methods were used for the analysis.After finding the reaction parameters a kinetic model was selected for the further investigation and reactor design. Levenspiel?s `shrinking core model? describes this reaction well and helps to find the rate determination step.In the second step, the results; which were found at the first step of this study; were compared with the results of the biological production. By using the best conversion parameters, reactor designs were made but this time biological methods were used for deacetylation. For deacetylation process chitin deacetylase enzyme; which was produced by using three different culture methods and two different microorganisms, types Aspergillus nidulans and Rhyzopus oryzae, was used.Bed height and porosity were used as criteria for design parameters used for optimization and design of fixed bed reactor. Also design parameter used for bubble column reactor optimisation and design was air flow rate. Best result was obtained when bubble column reactor was operated at 2,5 vvm air flow rate with enzyme solution obtained from Aspergillus nidulans.Keywords: Chitin, chitosan, kinetic, shrinking core model, deacetylation, chemical, biological.