Lipaz enziminin katalizlediği bir ester üretiminin süperkritik CO2'de incelenmesi
Lipase-catalyzed ester production in supercritical CO2
Yazar: NURCAN KAPUCU
Danışman: PROF. DR. AYLA ÇALIMLI
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2003
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Cevap yüzey yöntemi = Response surface methodology ; Esterleşme = Esterification ; Jojoba = Jojoba ; Lipaz = Lipase ; Oleyil oleat = Oleyl oleate ; Su aktivitesi = Water activity

Özet:
Jojoba yağı. kozmetikte cilt koruyucu ürünlerde ve şampuanlarda yumuşatıcı, gıda sanayiinde katkı maddesi ve yüksek hızda çalışan makinelerde ise yağlayıcı olarak kullanılan bir vaks ester karışımıdır. Oleyik asitin oleyil alkol ile esterleşme ürünü olan oleyil oleat, jojoba yağının sentetik analoğudur. Bu çalışmada oleyil oleat, hem atmosferik koşullarda hem de süperkritik (SC) C O2ortamında, tutuklanmış lipazlar kullanılarak üretilmiştir. Lipozyme RM İM {Mucor miehei, anyon değiştirici reçineye tutuklanmış) ve Novozym 435 (Candida antarctica, akrilik reçineye tutuklanmış) çalışmada kullanılan enzimlerdir. Çalışmanın ilk aşamasında titrasyon ile belirlenen oleyik asit derişiminin GC analizi ile de doğrulanması, oleyil alkol ve oleyil oleat Erişimlerinin de GC ile belirlenmesi için yöntem geliştirilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında, atmosferik koşullarda, sıcaklık ve karıştırma hızı kontrollü kesikli reaktörlerde, çözücüsüz ortam kullanılarak her iki enzim ile oleyil oleatın üretimine, asit/ alkol mol oranı (1/7.5 - 6.65/1), enzim miktarı (%2-10 w/w substrat karışımı), sıcaklık (30-60 °C), karışırma hızı (100- 250rpm) ve tepkime süresinin (0-24 saat) etkileri incelenmiştir. Her iki enzim için de enzim/substrat kütle oranının %5 olması yeterli olmuş; başlangıç tepkime hızı, oleyil oleat derişimi ve dönüşüm değerleri, Mol asit/Mol alkol = 1.33/1 değerinin üzerinde azalmış, 31.5 mmol ester /g enzim değerinde maksimum derişim (%87 dönüşüm ile) elde edilmiştir. Sıcaklık ile başlangıç tepirime hızı artmış;. Lipozyme RM İM için 150 rpm, Novozym 435 için ise 200 rpm karıştırma yeterli olmuştur. Lipozyme RM İM kullanılarak yapılan deneylerde tepkime ile oluşan suyun ortamdan uzaklaştırılması ile dönüşüm %87'den %97'ye yükselmiştir. Novozyme 435 ile elde edilen başlangıç tepirime hızlarının daha yüksek olması nedeniyle çalışmanın ileri aşamalarında bu enzim kullanılmıştır. Atmosferik koşullardaki oleyil oleat üretimine, asit/alkol mol oranı (0.67-2.00), enzim miktarı (%2-10 w/w substratlar), tepkime sıcaklığı (40- 60 °C), tepkime süresinin (30-90 dak) etkisi Cevap Yüzey Yöntemi ile incelenmiştir. Optimum koşullar, asit / alkol mol oranı 1.37, enzim miktarı % 7 w/w substratlar, tepkime sıcaklığı 51 °C ve tepkime süresi 75 dak olarak belirlenmiştir. Model eşitliğinden tahmin edilen oleyil oleat derişimi (737 g/L) optimum koşullarda yapılan deney ile elde edilen değer ile (734 g/L) oldukça uyumludur. Çalışmanın son aşamasında, süperkritik koşullarda (CO2 için T>32 °C, P>73 atm) işletilen, sıcaklık ve substrat+C02 akış hızının kontrol edildiği dolgulu kolonda yapılan deneylerde, oleyil oleat üretiminde, ürün oluşumu ve dönüşüm üzerine sıcaklık, basınç, substrat / CO2 (%, v/v) oranı, toplam akış hızı (CO2 akış hızı+substrat akış hızı) ya da kalma süresi (substratın kolonda kalma süresi), enzim miktarı ve yatıştan koşula ulaşmak için işletim kararlılığının etkileri incelenmiştir. 50 °C sıcaklık ve 100 atm uygun işletim koşullan olarak belirlenmiş; CO2 aküm içinde hacimce %10 ve daha düşük miktarda substrat karışımı olması durumunda işletim daha kararlı olmuş ve %90'ın üzerinde dönüşüm elde edilmiş; substrat miktarının %10'un üzerinde olması durumunda ise dönüşüm ve ürün derişimi işletim süresinin artmasıyla düşmüştür Kalma süresinin iki kat artmasıyla verimlilik iki kat azalmıştır. Enzim miktarının 4 kat azaltılması ile verimlilik değeri (21 mmol / g enzim / h) 3.8 kat artmıştır. Ayrıca farklı koşullarda SC-CO2 ortamında bekletilen her iki enzimin aktivitesi atmosferik koşullarda incelenmiş; başlangıç hızında biraz düşme olmasına karşın enzimin kararlı ve aktif olduğu gözlenmiştir. 2003, 195 sayfa ANAHTAR KELİMELER : oleyil oleat waks ester, jojoba yağı analoğu, lipaz, çözücüsüz ortam, süperkritik CO2, esterleşme, Cevap Yüzey Yöntemi, su aktivitesi

Abstract:
Jojoba oil, which is a wax ester mixture, is used as emmollient for skin protecting products and shompoos in the cosmetic industries; as additives for the food industries; and as lubricants for highprecision machinery. Oleyl oleate, which is an esterification product of oleic acid and oleyl alcohol, is a synthetic analogue of jojoba oil. In this study, oleyl oleate was produced by immobilized lipases in both atmospheric and supercritical C02 condition. Used enzymes in this study were Lipozyme RM IM (Mucor miehei, immobilized on anionic resin) and Novozym 435 (Candida antarctica, immobilized on acrylic resin) In the first step of the study, the method was developed for the determination of oleyl alcohol and oleyl oleate concentrations by GC and oleic acid concentration determined by titration was verified by GC. In the second step of the study, within atmospheric conditions, in the temperature and mixing rate controlled batch reactors, using solvent-free media, the effects of acid/alcohol molar ratio (1/7.5-6.65/1), amount of enzyme (2%-10 w/vt substrate mixture), temperature (30-60 "Q, mixing rate (100-250 rpm) and reaction time on the production of oleyl oleate with both enzymes are investigated. It is sufficient that ratio of enzyme/subtrate for each enzyme is 5 %; initial reaction rate, oleyl oleate concentration and yield have decresed under the values of acid/alcohol molar ratio of 1.33/1, and obtained maximum ester concentration is 31.5 mmol ester / g enzyme (with the conversion of 87%). Initial reaction rate has increased with temperature, mixing rate for Lipozyme RM IM 150 rpm, for Novozym 435 200rpm is sufficient The yield has increased from 87% to 97% by removing the water from media. Because of the initial reaction rate are higher that obtained with Novozym 435, this enzyme is used in the forward part of study. The effects of acid/alcohol molar ratio (0.67-2.00), amount of the enzyme (2%-10 w/w substrate mixture), reaction temperature (40-60 °C), reaction tüne (30-90 min) on the production of oleyl oleate at the atmospheric conditions were examined using Response Surface Methodology. Optimum conditions were found to be as acid / alcohol molar ratio of 1.37, enzyme quantity of 7 % (w/w), reaction temperature of 5 1 °C and reaction time of 75 min. The maximum oleyl oleate concentration predicted by the equation (737 g/L), agrees well with the experimental value (734 g/L) obtained from the experimental verification at the optimum values. At the and of the study, the effects of stability of operation to reach steady state condition, temperature, pressure, subtrate/COj (% v/v) ratio, total flow rate (C02 flow rate + substrates flow rate) or residence time (residence time of substrates in the column), amount of enzyme on the production of oleyl oleate was investigated in the fixed column controlled temperature and substrate+C02 flow rate at the supercritical conditions (for CO2 T>32 °C, P>73 atm). The suitable process conditions were determined as 50°C and IOOatm; process was the more stable with CQs flow consist of the smaller than 10%(v/v) substrate mixture, the yield was achieved more than 90%, conversion and product concentration were decreased with time using the amount of substrate was more than 10%(v/v). Productivity decreased two fold with increasing residence time two fold. Productivity (21 mmol /g enzyme/h) increased 3.8 fold withh decreased amount of enzyme 4 fold. In addition, the activity of enzyme keeped at the different condition in SC-C02 media was investigated, although the initial reaction rate decreased a little, it was observed that the enzyme is active and stable. 2003, 195 pages Key Words : Oleyl oleate, wax ester, jojoba oil analogue, lipase, solvent-flee system, supercritical CO2, esterification, Response Surface Methodology, water activity