Lignoselulozik biyokütlenin immobilize enzim ile hidroliz kinetiğinin incelenmesi ve bazı hidroliz ürünlerinin değerlendirilmesi
Investigation of the hydrolysis kinetics of lignocellulosic biomass with immobilized enzyme and evaluation of some hydrolysis products
Yazar: SEDA ÇINAR
Danışman: PROF. DR. TÜLİN AYDEMİR
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Biyokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Biyokimya = Biochemistry
Dizin: Biyokimya = Biochemistry

Özet:
Selülaz enzimi başta mantarlar olmak üzere çok çeşitli mikroorganizmalar tarafından üretilebilmektedir. Bu enzim endoglukanaz, ekzoglukanaz ve β-glikozidaz enzimlerinin sinerjik etkileriyle lignoselülozun selüloz, hemiselüloz ve lignine hidrolizini sağlar. Selülaz enzimi özellikle atık lignoselülozik biyokütlelerden alternatif yakıtların ve kimyasalların üretiminde kullanılmasından dolayı oldukça önemlidir. Bu çalışmada sultaniye üzüm bağ budağı atıkları, badem kabuğu, manolya kozalakları ve meşe palamudu kupulalarından kimyasal ve enzimatik yöntemle lignin eldesi çalışılmıştır. Kimyasal hidroliz işlemleri alkali ve asit hidrolizi ile gerçekleştirilip selüloz, hemiselüloz ve lignin içerikleri belirlenmiştir. Kimyasal hidroliz sonucu en yüksek lignin içeriği bağ budağı (%23,4) atıklarından elde edilmiş ve bağ budağı atıkları enzimatik hidrolizde substrat olarak kullanılmıştır. Bağ budağı atıklarının enzimatik hidrolizi için selülaz enzimi jelatin ve kitosan temelli taşıyıcılar üzerine genipin ve glutaraldehit kullanılarak kovalent bağlama yöntemi ile immobilize edilmiştir. Bağ budağı atıklarının immobilize selülaz enzimi ile hidrolizinde farklı sıcaklık (40-60 °C), pH (4,0-5,0) ve süreler (12-48 saat) denenerek hidroliz kinetiği incelenmiştir. Bağ budağı atıklarının immobilize selülaz enzimi ile hidrolizi sonucu lignin içeriğinin %19,9 olduğu belirlenmiştir. Hazırlanan taşıyıcıların yapısı ve karakterizasyonu SEM, TGA, FTIR, EDX, XRD ve VSM analizleriyle gerçekleştirilmiştir. Serbest ve immobilize selülazın optimum koşulları (sıcaklık ve pH) ve kinetik parametreleri incelenmiştir. Çalışmada immobilize selülaz enziminin serbest enzime göre farklı pH ve sıcaklıklara karşı daha dayanıklı olduğu gözlenmiştir.  Çalışmamızın ikinci aşamasında, bağ budağı atıklarından enzimatik hidroliz ile elde edilen ligninden (BBL) kitosan ve Fe3O4 içeren lignin temelli (Kit-BBL, Kit-Fe3O4-BBL) kompozit boncuklar sentezlenmiştir. Hazırlanan Kit-BBL, Kit-Fe3O4-BBL boncuklar ile amarant boyasının sulu çözeltilerden giderilmesi çalışılmış ve 12 saat sonunda sırasıyla %86,2ve %91,4 oranında boyanın giderildiği gözlenmiştir. Ayrıca çalışmada hazırlanan Kit-BBL, Kit-Fe3O4-BBL boncuklara lakkaz enziminin immobilizasyonu gerçekleştirilerek, kristal violet boyasının renk giderimi gerçekleştirilip fitotoksisite çalışması yapılmıştır. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar, bitkisel atıkların değerlendirilerek endüstriyel ürünler elde edilmesi, ekonomik ve çevresel kazanımlara dönüştürülmesi ve çevre kirliliğinin azaltılması konusunda etkili olacağını göstermektedir.

Abstract:
The enzyme cellulase can be produced by a wide variety of microorganisms, particularly fungi. This enzyme enables the hydrolysis of lignocellulose to cellulose, hemicellulose and lignin through the synergistic effects of endoglucanase, exoglucanase and β-glycosidase enzymes. The cellulase enzyme is particularly important for the production of alternative fuels and chemicals from lignocellulosic waste biomass. In this study, lignin extraction from sultaniye grapevine bark waste, almond bark, magnolia cones and acorn shells by chemical and enzymatic methods was investigated. Chemical hydrolysis processes were carried out by alkaline and acid hydrolysis and cellulose, hemicellulose and lignin contents were determined. As a result of chemical hydrolysis, the highest lignin content was obtained from vineyard bog waste (23.4%) and vineyard bog waste was used as a substrate for enzymatic hydrolysis. For enzymatic hydrolysis of vineyard bog waste, cellulase enzyme was immobilised on gelatin and chitosan based supports by covalent linkage method using genipin and glutaraldehyde. Different temperatures (40-60 °C), pH (4.0-5.0) and time (12-48 h) were tested for hydrolysis of bramble waste with immobilised cellulase enzyme and hydrolysis kinetics were studied. The lignin content was found to be 19.9% as a result of hydrolysis of vineyard bark waste with immobilised cellulase enzyme. The structure and characterisation of the prepared supports were carried out by SEM, TGA, FTIR, EDX, XRD and VSM analyses. The optimum conditions (temperature and pH) and kinetic parameters of free and immobilised cellulase were studied. It was observed that the immobilised cellulase enzyme was more resistant to different pH and temperature than the free enzyme.  In the second stage of our study, lignin-based (Kit-BBL, Kit-Fe3O4-BBL) composite beads containing chitosan and Fe3O4 were synthesised from lignin (BBL) obtained by enzymatic hydrolysis of vineyard waste. The removal of amaranth dye from aqueous solutions was studied with the prepared Kit-BBL, Kit-Fe3O4-BBL beads and it was observed that 86.2% and 91.4% of the dye was removed at the end of 12 h, respectively. In addition, immobilization of laccase enzyme on Kit-BBL, Kit-Fe3O4-BBL beads prepared in this study was carried out and phytotoxicity study was performed for decolourisation of crystal violet dye. The results obtained from this study show that it will be effective in obtaining industrial products by utilising plant wastes, converting them into economic and environmental benefits and reducing environmental pollution.