Etil laktatın lipaz katalizörlüğünde üretimi için biyoproses parametrelerinin incelenmesi
Investigation of bioprocess parameters for the lipase catalysed production of ethyl lactate
Yazar: AZİME ARIKAYA
Danışman: PROF. DR. ZEKİYE SERPİL TAKAÇ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Enzimatik esterleşme = Enzymatic esterification

Özet:
Çalışmada, Novozym 435 lipaz enzimi katalizörlüğünde ve derin ötektik çözücü (DES) ortamında, laktik asitin etanol ile esterleşme reaksiyonu ile etil laktat üretiminde biyoproses parametreleri incelenmiştir. Esterleşme tepkimesi izorterm koşullarda çalkalamalı hava banyosunda gerçekleştirilmiş ve girdi ve ürün analizleri HPLC cihazında yapılmıştır. İncelenen parametrelerin reaksiyon başlangıç hızı, dönüşüm ve verime etkileri araştırılmıştır. Hazırlanan DES'lerden yüksek başlangıç reaksiyon hızlarından birinin elde edildiği kolin klorür-gliserol (ChCl-Gly (mol oranı: 1:2)) reaksiyon ortamı olarak seçilmiştir. DES:su ikili karışımında gerçekleştirilen deneylerde en yüksek başlangıç reaksiyon hızının elde edildiği % 10 (h/h) su içeriğinde çalışılmıştır. En uygun başlangıç laktik asit ve etanol derişimleri sırasıyla 3 M ve 5 M olarak bulunmuştur. Yüksek derişimlerde etanol inhibisyonu gözlenmiştir. Enzim derişimi, sıcaklık ve karıştırma hızının en uygun değerleri, başlangıç reaksiyon hızı, dönüşüm ve verim dikkate alınarak sırasıyla 30 mg/mL, 50 °C ve 200 rpm olarak belirlenmiştir. Optimum koşullarda ulaşılan en yüksek başlangıç reaksiyon hızı 13.81 μmol/gdk'dır. 72 saat sonunda elde edilen dönüşüm ve verim değerleri ise sırasıyla % 29.47 ve 28.68'dır. DES:su ikili karışımında laktik asitin etanol ile lipaz katalizli esterleşme reaksiyonunda dış yayınım ve iç yayınım etkilerinin ihmal edilebilir olduğu bulunmuştur. Tepkime için etanol inhibisyonlu Ping-Pong Bi-Bi mekanizmasına uyan kinetik model önerilmiş ve verilerin model ile uyumu gösterilmiştir. Tepkime aktivasyon enerjisi 43.28 kJ/mol olarak hesaplanmıştır. Çalışmada ayrıca, dönüşümü artırmak amacıyla oluşan etil laktatın reaksiyon ortamından hidrofobik bir ekstraksiyon fazına geçtiği ve ekstraksiyon fazı olarak yeşil çözücülerin kullanıldığı bir ekstraktif reaksiyon sistemi de kullanılmıştır.

Abstract:
Bioprocess parameters for the production of ethyl lactate by esterification of lactic acid with ethanol using Novozym 435 lipase enzyme in deep eutectic solvents (DESs) were investigated. Esterification reaction was performed in a shaking incubator under isothermal conditions where substrate and product analyses were done by a HPLC. The effects of parameters on the initial reaction rate, conversion and yield were investigated.  Among DESs prepared, choline chloride-glycerol (ChCl-Gly (mol ratio: 1:2)), which provided high initial reaction rate, was selected as the reaction medium. In the experiments performed in DES:water binary mixture, water content was kept 10 % (v/v) where the highest initial reaction rate was obtained.  The optimum initial lactic acid and ethanol concentrations were found to be 3 M and 5 M, respectively. Ethanol inhibition was observed at high concentrations. The optimum enzyme concentration, temperature and agitation rate were determined as 30 mg/mL, 50 °C ve 200 rpm, considering the initial reaction rate, conversion and yield. The highest initial reaction rate was obtained as 13.81 μmol/gmin under optimum conditions. After 72 hours, conversion and yield values obtained were 29.47 % and 28.68 %, respectively. For the lipase catalyzed esterification of lactic acid with ethanol in DES:water binary mixture, it was found that the external and internal mass transfer limitations were negligible. A kinetic model that obeys the Ping-Pong Bi-Bi mechanism with ethanol inhibition was suggested and found to be compatible with the experimental data. The activation energy of the reaction was calculated as 43.28 kJ/mol. In the study, the extractive reaction system was also carried out to increase conversion by extracting ethyl lactate to a hydrophobic extraction phase where green solvents were used as extraction phase.