SUPERVISOR
Kayghobad Shams
کیقباد شمس اسحاقی (استاد راهنما)
STUDENT
Mehdi Edgi pour
مهدی ادگی پور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Extraction and Enrichment of Alpha Amylase from Aqueous Solution Using Continuous Foam Fractionation
The separation of soluble or insoluble materials from solutions is difficult when their concentrations are relatively small, and in such occasions, most of the available separation techniques become inefficient. The problems associated with separation of solutes from dilute solutions become more serious if components that are involved are sensitive to changes in the operating conditions like temperature, such as enzymes. Groups of methods, which appear to be useful for separating almost any material, particularly when its bulk concentration is low, are called foam separation techniques and/or adsorptive bubble separation techniques. The separation and recovery of proteins is usually carried out by chromatography, ultrafiltration and precipitation techniques. In recent years, the relatively high cost of these methods has led to greater interest in less costly purification alternatives. Foam fractionation is simple, relatively inexpensive and in commercial practice, it has significant potential for reducing the high cost of protein recovery. Alpha amylase, the material used in this study is one of the most of the enzymes used in the starch industry and related industries. Today, alpha amylase is used for starch hydrolysis in industries such as food industry, detergents, textiles and paper industries. In this study, extraction, separation, and enrichment of alpha amylase solutions were studied by continuous foam fractionation. Effects of various operating parameters such as gas flow rate, and solution parameters such as initial feed concentration of enzyme, surfactant concentration, surface tension, type of surfactant, mixture of surfactants, ionic strength, type of salt and initial pH of solution on recovery and enrichment of the enzyme were investigated. In this study, a homemade polycarbonate-foam-fractionation column was used. The height of the column was 60 cm, and the inner and outer diameters were 4.4 cm and 5 cm, respectively. The gas distributor had the pore size of 5 to 10 micrometers. The power of the feed pump was 7.55 W, and a nitrogen gas cylinder equipped with a pressure regulator and a gas flow meter provided the required gas phase. An electrical current regulator was used to change the pump flow rate. The results of this study show that the most favorable nitrogen flow rate was one lit/min. The optimum initial concentration of the feed solution was 10 mg/lit, and a pH of 7.2 was the most desirable pH value. The initial concentration of surfactant was fixed at 200 mg/lit, and this concentration provided the optimum enrichment. Effect of surface tension in various surfactant concentrations on enrichment ratio was studied, and the results showed that the enrichment ratio is enhanced as the surface tension is increased. The ionic strength of KCl was studied and results showed that maximum enrichment is achieved at a concentration of 0.02 mol/lit. Effect of other salts, such as KBr and Na 2 SO 4 on process performance were also investigated. The highest enrichment was recorded for Na 2 SO 4 . Among various surfactants used, nonionic type surfactant was the most desirable. Binary mixtures of surfactants as a new parameter were tested, and the best result was obtained with mixed cationic /anionic surfactant. Keyword : Separation, alpha amylase, surfactant, recovery and enrichment
جداسازی مواد قابل حل و غیر قابل حل از محلول ها زمانی که غلظت های آنها نسبتا کم باشد مشکل است، بطوریکه بیشتر روش های جداسازی در غلظت های کم ناکارآمد خواهند بود. اگر مواد مورد نظر مانند آنزیم ها نسبت به تغییرات در شرایط عملیاتی مانند دما حساس باشند، این مشکل جدی تر خواهد شد. گروهی از روش ها به نظر می رسد برای جداسازی تقریبا هر ماده ای به خصوص زمانی که غلظت توده پایین است مفید باشند که به آنها روش های جداسازی با کف یا روش های جداسازی جذب سطحی حبابی نیز می گویند. جداسازی و بازیافت موادی مانند پروتئین ها و آنزیم ها معمولا با روش هایی مانند کروماتوگرافی، فراپالایی، نمک زدایی، دیالیزو ... انجام می شد. در سال های اخیر قیمت نسبتا زیاد وظرفیت عملیاتی کم این روش ها باعث علاقه مندی بیشتر به روش های جایگزین ارزان و با ظرفیت بالا شده است. جداسازی با کف نمونه ای از این روش های ارزان می باشد که به طور تجاری دارای پتانسیل کافی برای کاهش هزینه های بازیافت مواد به عنوان مثال پروتئین است. آلفاآمیلاز، ماده مورد نظر در این پژوهش جزء مهمترین آنزیم های مورد استفاده در صنایع مربوط به نشاسته و صنایع وابسته می باشد. امروزه آلفاآمیلاز در صنایعی همچون صنعت غذا، شوینده ها، نساجی و کاغذسازی و... به منظور هیدرولیز نشاسته بکار می رود. هدف از این پژوهش استخراج، جداسازی وغنی سازی آنزیم آلفاآمیلاز از محلول آبی با استفاده از روش تفکیک با کف به طور پیوسته و بررسی تاثیر پارامترهای عملیاتی مانند شدت جریان گاز و پارامترهای محلول مانند غلظت اولیه خوراک آنزیمی، غلظت ماده فعال سطحی، کشش سطحی، نوع ماده فعال سطحی، مخلوط مواد فعال سطحی، قدرت یونی، نوع نمک افزوده شده وpH در بازیافت و غنی سازی آنزیم مورد نظر می باشد. تجهیزاتی که در این پژوهش مورد استفاده قرار گرفت، شامل یک ستون پلی کربنات با ارتفاع 60 سانتی متر با قطرداخلی 4/4 و قطر خارجی0/5 سانتی متر، پخش کننده گاز با اندازه منافذ 5 تا 10 میکرومتر، پمپ کولر با توان 7/55 وات برای به جریان درآوردن محلول خوراک در ستون، کپسول گاز نیتروژن، تنظیم کننده جریان برق، فشارسنج و فلومترگازی می شود. نتایج این پژوهش نشان داد که بهترین شدت جریان، 0/1 لیتر بر دقیقه بود. مطلوب ترین غلظت از نظر عملکردی 0/10میلی گرم بر لیتر بدست آمد و بهترین pH مقدار 2/7 انتخاب شد. غلظت 200 میلی گرم بر لیتر از نظر عملکردی و اقتصادی با صرفه ترین حالت شناخته شد. تاثیر پارامتر کشش سطحی در غلظت های مختلف ماده فعال سطحی بر نسبت غنی سازی بررسی شد و نتایج نشان داد که بیشترین غنی سازی در کشش سطحی بالا بدست می آید. پارامتر قدرت یونی حاصل از نمکKCl مورد آزمایش قرار گرفت و بهترین نتیجه در حالت 02/0 مول بر لیترحاصل شد. تاثیر نمک های دیگر مانند KBr وNa 2 SO 4 بر عملکرد فرآیند بررسی شد و بهترین نمک از نظر عملکردی در این فرآیند، Na 2 SO 4 شناخته شد. تاثیر مواد فعال سطحی مختلف(آنیونی، کاتیونی و غیریونی) نیز یکی ازپارامترهای موردنظر بود که ازنظرعملکرد( نسبت غنی سازی بهتر) و زمان شکست کمتر، ماده فعال سطحی غیریونی مطلوب ترین شناخته شد. مخلوط دوتایی مواد فعال سطحی نیز به عنوان یک پارامتر جدید مورد آزمایش قرار گرفت که عنوان بهترین مخلوط، به مخلوط مواد فعال سطحی کاتیونی/آنیونی اختصاص یافت. کلمات کلیدی : جداسازی، آلفاآمیلاز، ماده فعال سطحی، بازیافت و غنی سازی