Magnetik nanotanecik içeren alginata tutuklanmış mikroorganizma ile laktik asit üretimi
Lactic acid production with immobilized microorganism on alginate with magnetic nanoparticle
Yazar: ASLI KAÇAR
Danışman: PROF. DR. EMİNE BAYRAKTAR
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Çalışmanın amacı, Lactobacillus casei (DSM20011) mikroorganizmasının tutuklanarak, glukozdan laktik asit üretimi, fermentasyon ortam koşullarının Cevap Yüzey Yöntemi (RSM) ile optimizasyonunun gerçekleştirilmesi ve kinetik hız sabitlerinin bulunmasıdır. Tutuklama da Fe3O4 nanoparçacıkları kullanılmıştır. Fe3O4 nanoparçacıkları birlikte çöktürme yöntemi ile sentezlenmiş, sentezlenen Fe3O4 nanoparçacıkları APTES ve Dopamin ile ayrı ayrı fonksiyonelleştirilleştirilmiştir. Fonksiyonelleştirilmiş Fe3O4 nanoparçacıkları ve aljinat- Fe3O4 nanoparçacıkları ile ayrı ayrı hücre tutuklama deneyleri gerçekleştirilmiş, tutuklanan Lactobacillus casei hücrelerinden laktik asit üretimi çalışılmıştır. Nanotaneciklere istenilen oranda tutuklama gerçekleşemediği için çalışmanın devamında mikroorganizma, nanoyapıda Fe3O4 içeren kalsiyum aljinata tutuklanarak laktik asit üretimi üzerine üretim parametreleri incelenmiştir. pH ve sıcaklık etkilerinin incelendiği ön çalışmalarda,  6.5 pH ve 25 °C sıcaklık değerlerinde 14.3 g/L laktik asit elde edilmiştir. RSM deneylerinde mikroorganizma derişimi, substrat derişimi ve deney süresi parametrelerinin laktik asit derişimi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Laktik asit derişiminde en yüksek sonuçlara, mikroorganizma derişiminin 4.5 g/L ve substrat derişiminin 30 g/L alınarak başlatıldığı ve deney süresinin 96 saat sürdüğü çalışmalarda varılmıştır. Bu değerler sonucunda laktik asit derişimi 28.1 g/L değerine ulaşmıştır. Elde edilen bu koşullarda tutuklanmış mikroorganizmaların tekrar kullanımını incelenmiş ve dördüncü kullanım sonunda laktik asit derişiminin %72.8 i korunmuştur.
Çalışmanın ikinci bölümünde tutuklanmış mikroorganizmalarla laktik asit üretim kinetiği incelenmiş, kinetiğin substrat aktivasyon modeline uyduğu belirlenmiştir. Kinetik sabitleri sırasıyla; rsmax= 11.385 mmol/L.h, K1= 31.9012 mmol/L ve K2=0.7285 mmol/L olarak bulunmuştur. Çalışmada etkinlik katsayısı yaklaşık 1.00 bulunmuş ve gözenek içi ve dışı difüzyonve kütle aktarım kısıtlamaları olmadığı belirlenmiştir. Böylece, bulunan hız denklemindeki sabitler, kısıtlamasız durumdaki gerçek hız sabitleri olarak ele alınmıştır.

Abstract:
The aim of the study is to immobilized Lactobacillus casei (DSM20011) microorganism, to produce lactic acid from glucose, optimize fermentation conditions with Response Surface Method (RSM) and to find kinetic rate constants. Fe3O4 nanoparticles were used in the immobilized. Fe3O4 nanoparticles were synthesized by co-precipitation method, and the synthesized Fe3O4 nanoparticles were functionalized separately with APTES and Dopamine. Cell immobilized experiments were performed separately with functionalized Fe3O4 nanoparticles and alginate- Fe3O4 nanoparticles, and lactic acid production from immobilized Lactobacillus casei cells was studied. Since the desired amount of immobilized of the nanoparticles could not occur, the microorganism was immobilized in the calcium alginate containing nanostructure of Fe3O4 and the production parameters on lactic acid production were examined. In the preliminary studies investigated the effects of pH and temperature, 14.3 g/L lactic acid was obtained at 6.5 pH and 25 ° C temperatures. The effects of microorganism concentration, substrate concentration and test duration parameters on lactic acid concentration were investigated in RSM experiments. The highest results in lactic acid concentration have been reached in the studies in which the microorganism concentration was 4.5 g/L, the substrate concentration was 30 g/L and the test period lasted 96 hours. As a result of these values, the lactic acid concentration reached 28.1 g/L. In these conditions, reuse of immobilized microorganisms were examined and 72.8% of the lactic acid concentration was preserved at the end of the fourth use. In the second part of the study, lactic acid production kinetics with immobilized microorganisms were examined, and it was determined that the kinetics fit the substrate activation model. Kinetic constants, respectively; rsmax = 11.385 mmol/L.h, K1 = 31.9012 mmol/L and K2 = 0.7285 mmol/L. In the study, the efficiency coefficient was found to be approximately 1.00 and it was determined that there were no observation the intra and interparticle resistances. Thus, the constants in the found rate equation are considered as real rate constants in the unresistance state.