Skip to main content
SUPERVISOR
مهدی بازرگانی پور (استاد مشاور) حمید زیلوئی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Fateme Aghabeigi
فاطمه آقابیگی

FACULTY - DEPARTMENT

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

TITLE

Lipase Immobilization on the Graphene Oxide Coated with Nickel Ferrite Magnetic Nanoparticles and its Utilization in Biodiesel Production from lipid of Microalga Scenedesmus obliquus
According to the environmental limits and issues of fossil fuels which are also non-renewable, using alternative energy resources has become increasingly important. To replace fossil fuels, the increase in biodiesel production as a biofuel has made us to pay more attention to the production process optimization; so that not only it is capable of producing in large quantities but also has a simple and clean production process and reduces waste production to its lowest level. The purpose of this study is to synthesize magnetic nanocomposites based on graphene oxide for the lipase immobilization to produce biodiesel. In that regard, the graphene oxide sheets coated with nickel ferrite magnetic nanoparticles (NiFe 2 O 4 -GO) and used for enzyme immobilization. The VSM, XR, SEM, EDS and FTIR analyses were performed to find and confirm features of the nanoparticles, graphene oxide and synthesized magnetic nanocomposite and it was shown that nanoparticles are successfully synthesized and immobilized to graphene oxide. Furthermore, lipase from candida rugosa was immobilized on the synthesized base. The lipase immobilization process was studied using different enzyme concentrations (30, 60, 100, 130 and 160 µg/ml) and different times (1, 2, 3, 4 and 5 h). The enzyme binding on this basis and the immobilized enzyme’s activity level were respectively studied by Bradford protein assay and the p- nitrophenyl laurate ( p -NPL) hydrolysis technique. Based on the best response of the immobilization efficiency and the resulted enzyme activity, 100 µg/ml enzyme concentration and 2 h incubation time were selected as the optimal conditions for the immobilization process. Subsequently, free and immobilized enzymatic activities at various pH values (6, 6.5, 7, 7.5, 8) were studied and the optimal pH values for immobilized and free enzymes was respectively determined 7.5 and 7. Moreover, the activity of free and immobilized enzymes at various temperatures (20, 30, 35, 40, 50 °C) were studied and the optimal values for free and immobilized enzymes was respectively determined 35 and 40 °C. To evaluate thermal resistance and pH stability of free and immobilized enzymes, they were also studied at temperatures of 30, 40, 50 and 60 °C and pH values of 6, 6.5, 7, 7.5, 8 and 9. The results revealed that in comparison to free enzyme, immobilized enzyme is more resistant; so that at the temperature of 60 °C it could retain 70% of its initial activity and lost only 20% of it at pH of 9. Kinetics parameters were calculated studying enzymatic activities value at various concentrations of p -NPL substrate. The values of V max for free and immobilized enzymes were respectively calculated 12 and 6.54 U/mg and the values of K m evaluated 0.61 and 0.7 mM. The immobilized enzyme after each p -NPL substrate hydrolysis was recycled and reused by an external magnet; so that after 6 cycles of hydrolysis, it retained 47% of its initial activity which demonstrates the reusability and resistance of immobilized lipase. Furthermore, due to the numerus abilities for biodiesel production, Scenedesmus obliquus , the microalga was chosen and cultivated. To increase the microalga lipid, scientists have used the two-stage cultivation method and nitrogen deficiency. By applying this method and cultivation conditions: aeration with 3% CO 2 under a photoperiod of 16:8 h light:‌‌dark cycle at light intensity of 25 µmole photons/m 2 .s, there was an increase in the value of microalga lipid from 11.5% to 18%. At the end of the process, after extracting microalgae lipid, free and immobilized lipases were used as biocatalyst for biodiesel production with the methanol to oil molar ratio of 4:1 at 40 °C with mixing speed of 180 rpm for 24 h. The performed reactions were studied by GC-MS technique and biodiesel production efficiency was evaluated. The result has shown that the main parts of biodiesel are fatty acid groups of C16 and C18. Biodiesel production efficiency by using free and immobilized enzymes as a biocatalyst was determined 80.4% and 67.4% respectively. Keywords: Graphene Oxide, Enzyme Immobilization, Lipase, Magnetic Nanoparticles, Nickel Ferrite, Biodiesel, Microalgae, Scenedesmus obliquus
: با توجه به محدودیت ها و مشکلات زیست محیطی سوخت‌های فسیلی و همچنین تجدیدناپذیری آن ها، استفاده از منابع انرژی جایگزین مورد توجه قرار گرفته است. افزایش تولید بیودیزل به عنوان یک سوخت زیستی با هدف جایگزینی سوخت های فسیلی این الزام را ایجاد کرده است، که به بهینه‌سازی فرآیند تولید این محصول توجه بیشتری شود، به‌طوری‌که هم ظرفیت تولید بالا داشته باشد و هم فرآیند تولید ساده و پاک بوده و تولید ضایعات را به حداقل برساند. هدف از این تحقیق سنتز‌یک نانوکامپوزیت مغناطیسی بر پایه‌ی ‌گرافن‌اکساید برای تثبیت ‌‌آنزیم لیپاز به‌منظور تولید بیودیزل می‌باشد. در این راستا صفحات گرافن اکساید پوشش داده شده با نانو‌ذرات مغناطیسی نیکل فریت (NiFe 2 O 4 -GO) به عنوان پایه‌ای برای تثبیت آنزیم سنتز شد. آنالیزهای VSM،XRD ، SEM،EDS و FTIR برای مشخصه‌یابی و تایید ویژگی‌های نانوذرات، ‌گرافن‌اکساید ونانوکامپوزیت مغناطیسی سنتز شده انجام گرفت و نشان داده شد که نانوذرات با موفقیت سنتز شده و روی گرافن‌اکساید قرار گرفته‌اند. در ادامه آنزیم لیپاز حاصل از کاندیدا روگوزا روی پایه ی سنتز شده تثبیت گردید. فرآیند تثبیت آنزیم با استفاده از غلظت های مختلف (30، 60، 100، 130 و 160میکروگرم بر میلی لیتر) و زمان های مختلف (1، 2، 3، 4 و 5 ساعت) بررسی شد. میزان اتصال ‌‌آنزیم بر روی این پایه توسط روش سنجش پروتئین برادفورد و میزان فعالیت ‌‌آنزیم ‌‌آزاد و تثبیت‌شده توسط روش هیدورلیز پارانیتروفنیل لورات مورد ارزیابی قرار گرفت. بر اساس بهترین پاسخ بازده تثبیت و فعالیت آنزیمی حاصل، غلظت 100میکروگرم بر میلی لیتر آنزیم و زمان 2 ساعت به عنوان شرایط بهینه ی فرآیند تثبیت انتخاب گردید. سپس فعالیت آنزیم های آزاد و تثبیت شده در pH‌‌های مختلف (6، 5/6، 7، 5/7، 8) بررسی و مقدار pH بهینه برای آنزیم آزاد و تثبیت شده به ترتیب 7 و 5/7 به‌دست‌آمد. همچنین فعالیت آنزیم های آزاد و تثبیت شده در دماهای مختلف (20، 30، 40،35 و 50 درجه ی سانتی گراد) بررسی و مقدار بهینه برای آنزیم آزاد و تثبیت شده به ترتیب 35 و 40 درجه ی سانتی گراد تعیین شد. برای سنجش پایداری حرارتی و پایداری نسبت به pH فعالیت ‌‌آنزیم های آزاد و تثبیت‌شده بر روی پایه، در دماهای (30، 40، ،50 و 60 درجه‌ی سانتی‌گراد) و pH‌‌های(6، 5/6، 7، 5/7، 8 و9) نیز مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که آنزیم تثبیت شده در مقایسه با آنزیم آزاد پایدارتر است، به گونه ای که توانست در دمای 60 درجه ی سانتی گراد 78درصد از فعالیت اولیه ی خود را حفظ نماید و در pH‌‌برابر با 9 تنها 20 درصد از فعالیت اولیه ی خود را از دست داد. پارامترهای سینتیکی نیز با بررسی میزان فعالیت آنزیم ها در غلظت های مختلف سوبسترای پارانیتروفنیل لورات تعیین شد. مقدار V max برای آنزیم های آزاد و تثبیت شده به ترتیب12 و54/6 واحد بر میلی گرم و میزان K m نیز به ترتیب61/0 و 7/0 میلی مولار حاصل شد. آنزیم تثبیت شده پس از هر بار هیدرولیز سوبسترای پارانیتروفنیل لورات با استفاده از یک آهنربای خارجی بازیابی و مجددا استفاده شد، به‌گونه‌ای که پس از 6 چرخه هیدرولیز 47 درصد از فعالیت اولیه ی خود را حفظ کرد که قابلیت استفاده ی مجدد و پایداری لیپاز تثبیت شده را نشان می دهد. در ادامه ریزجلبک سندسموس ابلیکوس به علت قابلیت های متعدد برای تولید بیودیزل انتخاب و کشت داده شد. از روش کشت دو مرحله ای و اعمال شوک نیتروژنی برای افزایش لیپید ریز جلبک استفاده شد. با استفاده از این روش و شرایط کشت هوادهی با 3 درصد CO 2 و 25 میکرومول فوتون بر مترمربع برثانیه و دوره تاریکی: روشنایی 16:8 میزان لیپید ریز جلبک از5/11 % به 18% افزایش یافت. درپایان نیز پس از استخراج لیپید ریزجلبک سندسموس ابلیکوس، از بیوکاتالیست های لیپازآزاد و لیپاز تثبیت شده برای تولید بیودیزل با نسبت مولی 4 به 1 متانول به روغن در دمای 40 درجه‌ی ‌‌سانتی‌گراد با دور همزن 180 دور بر دقیقه به مدت 24 ساعت استفاده شد. واکنش‌های انجام شده به روش سنجش کروماتوگرافی گازی-طیف سنجی جرمی‌مورد بررسی قرار گرفت و بازده تولید بیودیزل محاسبه شد. نتایج نشان داد که اجزای اصلی بیودیزل گروه‌های اسید چرب C16 و C18 هستند و بازده تولید بیودیزل با استفاده از آنزیم آزاد و تثبیت شده به عنوان کاتالیزور به ترتیب 4/80 و 4/67 درصد حاصل شد. کلمات کلیدی: ‌گرافن‌اکساید، تثبیت آنزیم، لیپاز، نانوذرات مغناطیسی، نیکل فریت، بیودیزل، ریزجلبک، سندسموس

ارتقاء امنیت وب با وف بومی