Geri Dön

Synthesis of polycaprolactone by lipase enzyme immobilized on an inorganic material

İnorganik malzeme üzerine immobilize edilmiş lipaz enzimi ile polikaprolakton eldesi

PDF İndir

  1. Tez No: 549625
  2. Yazar: ŞEYDA ERCAN KORKAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 75

Özet

Dünyadaki son gelişmelere bakıldığında çevre kirliliğinin giderek arttığı görülmektedir. Bu duruma bağlı olarak çevreye zararı olmayan biyopolimer malzeme üretimleri ilgi çekmeye başlamıştır. Biyopolimerler hafif ve esnek olmaları sebebiyle insan vücuduna da uyumlu malzemelerdir. Enzimatik ve kimyasal olarak sentezlenebilirler. Enzimatik halka açılımıyla biyopolimer sentezi çevreye olan uyumu sebebiyle tercih edilmektedir. Polimerler biyobozunur, biyouyumlu özellikleri sayesinde doku mühendisliği, medical malzemeler ve ilaç sistemleri gibi biyomedikal alanlarda kullanılabilirler. Bu çalışmaları kalp ameliyatlarında kullanılan malzemelerde, diş ipleri gibi malzemelerde görmek oldukça mümkündür. Enzimatik halka açılımı, toksik etki yaratmaması ve ılımlı reaksiyon koşulları sayesinde policaprolactone sentezinde tercih edilmektedir. ɛ-KL'nin halka açılması polimerizasyonunda katalizör olarak biyokatalizör olan enzimler ve organometalik malzemeler kullanılabilir. Ancak organometalik katalizör olan Zn, AL, Sn, Ge gibi malzemeler polimer sentezinde başlatıcı olarak bulunduğunda matristen tamamen ayrılmamaktadır. Bu durum özellikle biyomalzemelerin yapımında toksik etki gösterebileceğinden tercih edilmemektedir. Enzimler ise matristen daha kolay ayrılabilir, ayrılmama durumunda ise herhangi bir tehdit oluşturmamaktadır. Ancak biyokatalizörlerin aktiviteleri ve stabiliteleri uzun reaksiyon sürelerinde veya farklı reaksiyon koşullarında azalabilmektedir. Enzimlerin etkilerinin arttırılması, daha uzun süre ve tekrar kullanılabilmeleri için immobilizasyon yöntemi kullanılır. Genel olarak, enzimin belirli bir bölgede sınırlandırılması için enzim ile katı destek materyali arasında kurulan etkileşimler istenir. Katalitik aktivite korunmasının yanı sıra artırılır. Buna ek olarak, immobilizasyon enzimin geri kazanma yoluyla tekrar kullanılmasına olanak sağlar. Bu durum, endüstriyel uygulamalar için sürekli ve ekonomik prosesleri mümkün kılar. Ayrıca, enzimin reaksiyon ortamından daha kolay uzaklaştırılmasını sağladığı için ürünün protein kontaminasyonuna da engel olur. Fiziksel adsorpsiyon, kovalent bağlama, tutuklama ve çapraz bağlama dört ana immobilizasyon yöntemi vardır. Fiziksel adsorpsiyon daha basit bir yöntem olmasına karşın zayıf bir bağlanma yöntemidir. Enzim eğer bir polimer matriksine kapatılıyorsa bu tutuklama olarak adlandırılmaktadır. Eğer enzim fonksiyonları güçlü kovalent bağlar ortaya çıkarıyorsa immobilizasyon kovaent bağlanma yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Çapraz bağlanma protein-protein arasında veya proteinler - destek materyali arasında moleküller arası bağlarla sağlanır. Lipaz enzimi farklı endüstrilerde ve değişik uygulama alanlarında kullanılmaktadır. Bu farklı alanlardan biri temizlik endüstirisidir. Yağların hidroliz tepkimesini katalizledikleri için lipazlar deterjanlarda katkı maddesi olarak kullanılır ve yağ lekelerinin temizlenmesinden sorumludurlar. Diğer bir endüstriye bakıldığında ise kağıt üretiminde de lipazları görebilemmiz mümkündür. Kağıt üretiminde lipazlar biriktiğinde kağıt kalitesini düşüren zift maddelerinin arıtılmasında kullanılır. Ek xxiv olarak gıda endüstrisinde, hem kullanılan emülgatörler yerine hem de tatlandırıcı olarak kullanılırlar. Enerji endüstrisinde, lipazlar fosil yakıtları yenilenebilir enerji kaynakları ile değiştirmek için başlıca biodizel üretiminde kullanılır. En önemli çalışma alanlarından biri ise biyomedikal alanlarda da kullanıllan biyouyumlu polimer üretimidir. Lipaz enzimi biyouyumlu bir polimer olan polikaprolaktonun sentez tepkimesi olan halka açılması polimerizasyonunu katalizler. Polikaproklakton biyouyumlu olmasında dolayı özellikle medikal uygulamalar için oldukça sık çalışılan bir malzemedir. En sık kullanılan yüzey modifikasyonu yöntemlerinden biri silanlamadır. Yüzeylerinde hidroksil grupları bulunan materyaller söz konusu olduğunda, yüzey modifikasyonu bu hidroksil grupları aracılığıyla gerçekleşir. Genellikle, organosilanlar silanlama ajanı olarak kullanılır. En seçici ve ılımlı koşullarda çalışılabilen Candida antarctica lipase B (CALB) lipase enzimi, ticari olarak Novozym® 435 (NOV-435) olarak bilinmektedir. Lipase enzimlerinin polimerleşmede etkinliğinin arttırılması için organik, inorganik yada polimer bazlı taşıyıcılar bulunmaktadır. Bu çalışmada yüzey moidifikasyonu olarak en yaygın olan silanizasyon yöntemi uygulanmıştır. Silanlama prosesinde destek materyali olarak içerisinde yüksek oranda silika taşıyan pirinç kabuğu külü kullanılabilir. Pirinç kabuğu külü pirinç üretiminde yan ürün olarak elde edilen, doğada daha kolay bulunabilen ucuz ve bol bir malzemedir. Bu çalışmada da lipazın pirinçe kabuğu külüyle immobilizasyonu gerçekleşmiştir. Proseslerinde devamında immobilize edilmiş enzimler de kullanılarak ɛ-KL'dan ROP ile PKL sentezlenir. PKL, doğası gereği yarı kristal ve hidrofobik olan bir polimerdir. Aynı zamanda biyolojik olarak uyumlu ve biyobozunur olarak kabul edilen bir malzemedir. PKL'nin molekül ağırlığı ve kristalliği termal, fiziksel ve mekanik özelliklerini etkilemektedir. Doku mühendsiliği, medikal malzeme üretimlerinde ve bir çok biyomalzeme üretiminde kullanılabilirliği sebebiyle bu çalışmada da tercih edilmiştir. -60 °C'lik düşük bir cam geçiş sıcaklığına, 60 °C'lik bir erime noktasına ve ~ 350 ° C'lik yüksek bir ayrışma sıcaklığına sahiptir. Bu çalışmada kullanılan CALB pirinç kabuğu külü üzerine immobilize edildi. Pirinç kabuğu doğada çok yaygın bulunabilen adete bir silika deposudur. Pirinç üretim prosesinin yan ürünü olarak açığa çıkan, bol ve bu bolluğuna bağlı olarak diğer taşıyıcılara göre ucuz bir madde olduğundan lipaz immobilizasyonu için tercih edilmiştir. Silika enzim immobilizasyonunda yaygın olarak kullanılır ve pirinç kabuğu külünün SiO2 içeriği % 95 'e kadar varabilen oldukça yüksek potansiyele sahiptir. Bu çzelliklerine bağlı olarak pirinç kabuğu külünün lipaz immobilizasyonu için umut verici bir taşıyıcı olduğu sonucuna varılmıştır. Benzer çalışmalara da bakıldığında pirinç kabuğu külü ile başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Bu çalışmada pirinç kabuğu külüne immobilize lipazın verimliliği bir uygulama üzerinden gösterilmek istenmiştir. İlk olarak taşıyıcı madde hazırlanmış ve lipaz immobilizasyonu gerçekleştirilmiştir. Daha sonra ise, bu yeni immobilize lipazlar ile PKL sentezlenmiştir. Çalışmayı iki kısımda ele alırsak, İlk kısım için enzimlerin başarılı bir şekilde çapraz bağlama yöntemi ile immobilizasyonudur. Bu amaçla öncelikle ilk kısımda pirinç kabuğu külleri, pirinç kabuklarının 600 °C' de 6 saat boyunca yakılması ile elde edildi. Yüzey modifikasyonu ile yüzeyde fonksiyonel (-NH2) grupları elde etmek için xxv 3-trimethoxysilyl propyl ethylenediamine (TMSPDA) ise silanlama ajanı olarak kullanıldı. Lipaz immobilizasyonu glutaraldehit ile çapraz bağlama sağlanarak gerçekleştirilmiştir. Gluteraldehit, silanlama ajanı ve enzim konsantrasyonunun aktivite üzerindeki etkileri de karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Optimum sıcaklık, PH değerleri, raf ömrü, kullanım stabilitesi gibi değerlere bakılmıştır. Çalışmanın ikinci kısmında ise enzimatik halka açılımı yöntemi ile polikaprolakton eldesi gerçekleştirilmiştir. ε-KL'nin halka açılması polimerizasyonu için toluen ortamı kullanılmıştır. Polimer üretiminde farklı reaksiyon süreleri 6, 24, 48, 72 ve 120 saat ve farklı polimerizasyon sıcaklıkları 30, 40, 60, and 80 °C çalışılmıştır. Sıcaklık ve reaksiyon sürelerinin polimerizasyon üzerine etkisi incelenmiştir. Buna bağlı oarak optimum sıcaklık ve reaskiyon süresi seçilmiştir. Polimerlerin moleküllerinin ağırlık dağılımları için jel geçirgenlik kromatografisi (GPC), termal özellikleri, stabiliteleri için termogravimetrik analiz TGA ve DSC, yüzey yapıları için taramalı elektron mikroskobu SEM ekipmanları kullanılmıştır. Bunlara ek olarak polimer örneklerinin kristal yapısı için X-ışını kırınımı (XRD) tercih edilmiştir. Sonuçlara bakıldığında RHA ve 3-TMSPDA ile gerçekleştirilen yüzey modifikasyonu TGA verilerine göre başarılı olmuştur. Bununla beraber enzim immobilizasyonu çapraz bağlama ile %98 verimlilikle gerçekleştirilmiştir. GPC sonuçlarına göre 60°C ve 72 saatte gerçekleştirilen reaksiyon sonunda 12300 g/mol molekül ağırlığında PKL sentezlenmiştir. Elde edilen PKL için monomer dönüşümü %90 gibi yüksek bir oranda gerçekleşmiştir. 3-TMPSDA ile elde edilen ürünün %47 gibi orta düşük kristaliniteye sahip olması ilaç taşınım sistemleri için kullanılabilirliğini desteklemektedir. Diğer silanlama ajanları ve immobilşzasyon yöntemleri ile elde edilen polimerlere bakıldığında başarılı sonuçlar elde edildiği gözlemlenmiştir. Elde edilen her polimerin kendi özelliklerine bağşı olarak tercih edilebilir çalışma alanları bulunmktadır. Diğer çalışma örneklerine bakıldığında çalışmanın devamı olarak fiziksel absorbsiyon yöntemi ile de immobilizasyon gerçekleştirilebilir. Ç.zücü olarak kullanılan toluen yerine farklı malzemeler denenebilir. Daha gelişmiş sıcaklık ve reaksiyon saatleri gözlemlenebilir. Kristalinite özelliği kullanılarak nanohibrit çalışmalarında kullanımı desteklenebilir.

Özet (Çeviri)

Looking at the recent developments and events in the world, it can easily be seen that environmental pollution is real and increasing rapidly. Depending on these events and developments manufacturing non-hazardous biopolymer material has become attractive. Biopolymers are flexible and light. Because of that they are compatible with the human body. They can be synthesized enzymatically and chemically. Synthesis of biopolymers with enzymatic ring opening polymerization method is preferred because of its compatibility with the environment. Polymers as they have biodegradable, biocompatible and highly mechanical characteristic, they can be used in biomedical field such as in tissue engineering, in medical equipment and in drug systems. Enzymatic ring opening is preferred in polycaprolactone synthesis thanks to its mild reaction conditions and non-toxic effect. In ring opening polymerization of ɛ-CL enzymes that have biocatalyzer feature and organometal materials can be used as catalyzer. However if the organmetals like Zn, Al, Sn and Ge are starters of a polymerization, they can't be seperated from the matrix. This situtation is not preferred because it can show toxic effect. On the other hand enzymes can be seperated rather easily and also there is no dangerous threat if not. Yet because of long reaction times biocatalyzer activities and stabilities may decrease. Immobilization method is used To increase the enzyme effects, to longer and re-usability. There are four main types of immobilization: Physical absorption, covalent binding, cross-linking and entrapment. Physical absorption method is rather easy but it is a weak binding method. If an enzyme is closed to a polymer matrix it is called entrapment. If an enzyme functions brings out strong covalent binds immobilization is performed by covalent binding method. Cross-linking can be provided binds among molecules in between proteinprotein or protein-support material. The Candida antarctica lipase B (CALB) which can work in the most selective and the mildest conditions is known as Novozym® 435 (NOV-435) commercially. To increase the effectiveness in lipase enzyme polymerization there are organic, inorganic or polymer based carriers. In this study for surface modification silanization was used. In silanization process rice husk ash which contains high silica rate was used as support material. RHA is easy to find in nature and is a cheap by-product. In their process immobilized enzymes were used to synthesize ROP and PCL from ɛ-CL. PCL, by its nature, is a semi-crystal and hydrophobic polymer. Also it is biocompatible and biodegradable material. PCL's molecule weight and crystallinity effects thermal, physical and mechanical properties. It is preferred in this study because its availability in tissue engineering, medical material production, and producing of biomaterials from xxii many kind. It has -60 °C glass transition temperature, 60 °C melting point and -350 °C decomposition temperature. If we handle this study in two parts, in first part RHA was obtained by burning rice husk at 600 ° C for 6 hours. As a result of the surface modification, to obtain functional (-NH2) groups 3-trimethoxysilyl propyl ethylenediamine (TMSPDA) was used as a silanization agent at the surface. Lipase immobilization was conducted by crosslinking with glutaraldehit. Optimum temperature, PH value, shelf life, usage stability was evaluated. In the second part, policaprolactone was obtained. For ε-CL ring opening polymerization toluen was used. To evaluate the optimum polymerization conditions, different times 6, 24, 48, 72 and 120 hours and different temperatures 30, 40, 60, 80 °C was studied. Effect or damage of temperature and time to polymerization was observed. As a result optimum reaction time and temperature was picked. Gel Permeability Chromatography(GPC) was used for molecule weight distribution of polymer samples; for chain structure, proton nuclear magnetic resonance spektroscopy; for thermal characteristics TGA and DSC; for surface structure SEM equipment was used. Additionally XRD was preferred for crystal structure of polymer samples. From the results, surface modification that was performed with RHA and TMSPDA was successful by the TGA data. In addition enzyme immobilization was performed with %98 productivity. When lipase which immobilized with crosslinking method was used according to the GPC results 60°C and 72 hour, at the end of the reaction time 12300 g/mole PCL synthesized. For the obtained PCL monomer change was performed with a very high % 90 rate. As the product that was obtained with TMSPDA has medium low % 47 crystallinity it is safe to say that it can be used in drug convection systems. Physical absorption method for immobilization can be performed for furher study. In addition, to extend the study lipase enzymes that are immobilized with rice husk ash can be used for producing nanohybrids by burying into the PCL matrix without leaving the environment after the synthesis

Benzer Tezler

  1. Tez No

    421168

    Immobilization of lipase enzyme onto precipitated silica and synthesis of polycaprolactone

    Lipaz enziminin çöktürülmüş silika üzerine immobilizasyonu ve polikaprolakton sentezi

    NUREFŞAN GÖKALP

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Biyokimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR

  2. Tez No

    398071

    Immobilization of lipase on an inorganic support material and polycaprolactone synthesis

    Lipazın inorganik taşıyıcıda immobilizasyonu ve polikaprolakton sentezi

    CANSU ÜLKER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR

  3. Tez No

    547893

    Effect of silanization agent on the development of nanohybrid systems

    Nanohibrit sistemlerinin geliştirilmesinde silanlama ajanının etkisi

    MELTEM AKKULAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR

  4. Tez No

    445055

    Effect of silanization agent on the immobilization of lipase on a silica-based support material

    Silika bazlı taşıyıcıya lipaz immobilizasyonunda silanlama ajanının etkisi

    YASEMİN KAPTAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR

  5. Tez No

    831650

    Controlled delivery of chalcone via biopolyester nanohybrid

    Biyopoliester nanohibrit ile kalkonun kontrollü salımı

    YASEMİN KAPTAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR

Geri Dön