Skip to main content
SUPERVISOR
مهدی بازرگانی پور (استاد راهنما) حمید زیلوئی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mozhgan Dehghan Nayeri
مژگان دهقان نیری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

Immobilization of Cellulase Enzyme on Graphene Oxide Sheets Coated with Magnetic Nanoparticles of Iron Oxide or Nickel Ferrite and Hydrolysis of Organosolv Pretreated Rice Straw
In order to reduce the dependency on non-renewable energy sources, as well as decrease problems caused by the accumulation of agricultural residues and the contaminants from their combustion, the production of the second generation of biofuels from rice straw was considered. According to the lignocellulosic structure of rice straw, organosolv pretreatment was performed with 75% (v/v) aqueous ethanol containing 1% w/w sulfuric acid at 150°C for 60min. Then enzymatic hydrolysis by cellulase enzyme was used. In order to maintain the stability and reusability of the enzyme, cellulase from Aspergillus niger (E) and Cellic CTec2 (E2) were immobilized onto graphene oxide sheets which have been coated with magnetic nanoparticles of iron oxide (Fe 3 O 4 -GO) or nickel ferrite (NiFe 2 O 4 -GO). The cellulase immobilization process was performed using various concentrations of cellulase (2, 5 and 10 mg/ml) at different times (2, 4, 6 and 8 h). The immobilization efficiency ranged between 19% and 55% by using the Bradford method and the activity ratio of immobilized enzyme to free enzyme was obtained between 16% and 60% by the 3,5-dinitrosalicylic acid (DNS) test. According to the immobilization efficiency and enzymatic activity, the cellulase concentration of 2 mg/ml and the time of 4 h were chosen as an optimal conditions for the immobilization process. After that, the enzymatic activity of immobilized cellulase was investigated at different pH values (4, 5, 6, 7 and 8) and as a result, pH 5 was determined as an optimal pH. The enzymatic activity of immobilized cellulase was investigated at different temperatures (40, 50, 60, 70 and 80 °C) and 50 °C was determined as an optimal temperature. It should be noted that the optimum pH and temperature of the immobilized enzyme have not been changed in comparison with free enzyme. Thermal stability of immobilized and free enzymes at temperatures of 50 and 60 °C were investigated and the results showed that the immobilized cellulase is more stable than free cellulase, at least 65% of its activity was maintained at 60 °C for 3 h. The kinetic parameters of immobilized cellulase were determined by measuring their activity at various concentrations (0.5, 1, 2 and 2.5 % w/v) of carboxymethyl cellulose as a substrate. The K m values for immobilized enzymes have been slightly increased in comparison with free enzymes. In addition, the V max values for immobilized enzymes have been slightly decreased in comparison with free enzymes. Then the enzymatic hydrolysis on raw and pretreated rice straw was performed by immobilized enzymes of E and E2 for 72 h at 45 °C. Fermentable sugars produced from hydrolyzed rice straw by Immobilized E onto Fe 3 O 4 -GO and NiFe 2 O 4 -GO were equal to 1.92 and 1.88 mg/ml (after the first cycle) and also 1.1 and 1.0 mg/ml (after the second cycle), respectively. In addition, Fermentable sugars produced from hydrolyzed rice straw by immobilized E2 onto NiFe 2 O 4 -GO was equal to 7.2 mg/ml (after the first cycle) and 2.8 mg/ml (after the second cycle). The results have been showed after two cycles of hydrolysis, enzyme immobilization on NiFe 2 O 4 -GO in comparison with Fe 3 O 4 -GO has better reusability and has been produced more fermentable sugars. Keywords: Enzyme Immobilization, Cellulase, Magnetic Nanoparticles, Iron Oxide, Nickel Ferrite, Graphene Oxide, Rice Straw
به منظورکاهش وابستگی به منابع تجدید ناپذیر انرژی و نیز کاهش مشکلات ناشی از انباشت بقایای کشاورزی و آلودگی های حاصل از احتراق آن ها، تولید سوخت زیستی نسل دوم از کاه برنج مورد توجه قرار گرفت. با توجه به ساختار لیگنوسلولزی کاه برنج، پیش فرآوری به روش حلال آلی توسط محلول اتانول 75 درصد حجمی حاوی سولفوریک اسید به مدت 1 ساعت و در دمای 150 درجه سانتی گراد بر روی آن انجام شد. سپس هیدرولیز آنزیمی توسط آنزیم سلولاز مورد استفاده قرار گرفت. به منظور حفظ پایداری و ایجاد قابلیت استفاده مجدد، آنزیم سلولاز حاصل از گونه آسپرژیلوس نایجر (E) و نیز Cellic CTec2 (E2) بر روی صفحات اکسید گرافن مغناطیسی شده با نانوذرات اکسید آهن (Fe 3 O 4 -GO) و نیکل فریت (NiFe 2 O 4 -GO) تثبیت شدند. فرآیند تثبیت آنزیم سلولاز با استفاده از غلظت های مختلف آنزیم (2، 5 و 10 میلی گرم بر میلی لیتر) و در زمان های مختلف (2، 4، 6 و 8 ساعت) بررسی گردید. با استفاده از روش برادفورد، بازده تثبیت در شرایط مختلف بین 19 تا 55 درصد و فعالیت آنزیم تثبیت شده نسبت به آنزیم آزاد توسط آزمون 3و5 دی نیتروسالیسیلیک اسید (DNS) و بسته به شرایط بین 16 تا 60 درصد به دست آمد. بر اساس بهترین پاسخ بازده تثبیت و فعالیت آنزیمی حاصل، غلظت 2 میلی گرم بر میلی لیتر سلولاز و زمان 4 ساعت به عنوان شرایط بهینه فرآیند تثبیت انتخاب گردید. سپس فعالیت آنزیم تثبیت شده در pH های مختلف (4، 5، 6، 7 و 8) به مدت 30 دقیقه و در دمای 50 درجه سانتی گراد با سوبسترای کربوکسی متیل سلولز بررسی و 5=pH به عنوان مقدار بهینه تعیین شد. همچنین فعالیت آنزیم تثبیت شده در دماهای مختلف (40، 50، 60، 70 و 80 درجه سانتی گراد) بررسی و دمای 50 درجه سانتی گراد به عنوان مقدار بهینه تعیین شد. لازم به ذکر است که pH و دمای بهینه آنزیم تثبیت شده بر روی هر دو پایه نسبت به حالت آزاد تغییری نکرده است. پایداری حرارتی آنزیم تثبیت شده و آزاد در دماهای 50 و 60 درجه سانتی گراد بررسی و نتایج نشان دادند که آنزیم تثبیت شده در مقایسه با آزاد پایدارتر بوده به گونه ای که توانسته به مدت 3 ساعت در دمای 60 درجه سانتی گراد حداقل 65 درصد از فعالیت خود را حفظ نماید. پارامترهای سینتیکی نیز با بررسی میزان فعالیت آنزیم تثبیت شده توسط غلظت های مختلف سوبسترای کربوکسی متیل سلولز (5/0، 1، 2 و 5/2 درصد وزنی-حجمی) تعیین شد. میزان V max برای آنزیم های E، E/Fe 3 O 4 -GO و E/NiFe 2 O 4 -GO به ترتیب برابر mg ml -1 min -1 2/5، 5/2 و 7/2 و میزان K m نیز به ترتیب 17، 25 و 21 میلی مولار تعیین شد. همچنین میزان V max برای آنزیم های E2 و E2/ NiFe 2 O 4 -GO به ترتیب برابر mg ml -1 min -1 1/16 و 2/9 و میزان K m نیز به ترتیب برابر 55 و 59 میلی مولار به دست آمد. سپس هیدرولیز آنزیمی توسط آنزیم های E و E2 تثبیت شده بر روی کاه برنج پیش فرآوری شده و نشده به مدت 72 ساعت انجام شد. میزان قند احیای حاصل از کاه برنج هیدرولیز شده توسط E/Fe 3 O 4 -GO و E/NiFe 2 O 4 -GO به ترتیب برابر 92/1 و 88/1 (چرخه اول هیدرولیز) و 1/1 و 0/1 (چرخه دوم هیدرولیز) در مقایسه با آنزیم آزاد E برابر 1/4 میلی گرم بر میلی لیتر حاصل شد. همچنین میزان قند احیای حاصل از کاه برنج هیدرولیز شده توسط E2/NiFe 2 O 4 -GO برابر 2/7 (چرخه اول هیدرولیز) و 8/2 (چرخه دوم هیدرولیز) در مقایسه با آنزیم آزاد E2 برابر 19 میلی گرم بر میلی لیتر به دست آمد. نتایج نشان دادند که آنزیم تثبیت شده بر روی پایه iFe 2 O 4 -GO نسبت به پایه Fe 3 O 4 -GO پس از طی دو چرخه هیدرولیز آنزیمی، قابلیت بازیابی بهتری داشته و میزان قند بیشتری را تولید کرده است. واژگان کلیدی: تثبیت آنزیم، سلولاز ، نانوذرات مغناطیسی، اکسید آهن، نیکل فریت، اکسید گرافن، کاه برنج

ارتقاء امنیت وب با وف بومی