Production of ammonium sulfate from human urine with an enzymatic polyhipe reactor and its use as fertilizer on wheat growth
Enzı̇matı̇k polı̇hı̇pe reaktörü ı̇le insan ı̇drarından amonyum sülfat üretı̇mı̇ ve buğday yetı̇ştı̇rı̇cı̇lı̇ğı̇nde gübre olarak kullanımı
- Tez No: 969579
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÇİĞDEM BALÇIK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyoteknoloji, Biotechnology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışma, çeşitli Yüksek İç Faz Emülsiyon (polyHIPE) malzemeleri üzerinde üreaz enziminin immobilizasyonunu araştırarak, bunların özelliklerini, verimliliğini ve performansını değerlendirirken, polyHIPE tipi, miktarı, inkübasyon süresi ve diğer parametrelerin süreç ve enzim aktivitesi üzerindeki etkilerini incelemektedir. PolyHIPE malzemelerinin yüzey morfolojisi ve fonksiyonel grupları, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FT-IR) kullanılarak analiz edilmiş ve poliglutaraldehit (PGA) ile modifikasyondan sonra önemli değişiklikler ortaya çıkmıştır. 15 saatlik inkübasyon süresi ile PGA'nın polyHIPE malzemelerine dahil edilmesi ile %95'lik maksimum immobilizasyon verimliliği elde edilmiştir. İmmobilize enzim için optimal koşullar, Box-Behnken tasarımı (BBD) ile yanıt yüzeyi metodolojisi (RSM) kullanılarak belirlendi. Ayrıca, immobilize enzim, altı döngüden sonra başlangıçtaki aktivitesinin %75'ini koruyarak umut verici bir yeniden kullanılabilirlik gösterdi ve oda sıcaklığında 10 gün sonra aktivitesinin %40'ından fazlasını koruyarak raf ömrü stabilitesini sürdürdü. Kinetik analizler, immobilize üreazın, serbest enzime kıyasla substrat dönüşüm oranı daha düşük olmasına rağmen, substrat için daha yüksek afinite sergilediğini gösterdi. Bu sonuçlar, biyoteknoloji ve biyokataliz alanlarında potansiyel uygulamalarla birlikte, üreaz immobilizasyon süreçlerinin optimize edilmesi ve üreaz stabilitesi ve aktivitesinin iyileştirilmesi konusunda değerli bilgiler sağlamaktadır. Bununla birlikte, yapılan çalışmada polyHIPE destek malzemesi üzerinde immobilize edilmiş üreaz kullanarak insan idrarından amonyum sülfatın geri kazanılmasını ve bunun makarnalık buğdayı için gübre olarak kullanım potansiyelini de araştırılmaktadır. İnsan idrarında üreaz aktivitesi için optimal koşullar pH 7 ve 45°C'de bulunmuştur; immobilize enzim, 10 döngü boyunca aktivitesinin %53'ünü ve oda sıcaklığında 10 gün sonra %50'sini korumuştur. Enzim immobilize edilmiş poliHIPE reaktör çalışmalarında ise reaktör 0,5, ve 1 m3/m2.saat lineer besleme hızlarında çalıştırıldığında 1 m3/m2.saat lineer hız da dahi %95'in üzerinde üre hidroliz verimleri elde edilmiştir.Amonyak sıyırma çalışmalarında ise özellikle 40°C ve 65 °C çalışma sıcaklıklarında pH 10 ve 11 değerlerinde %80'nin üzerinde amonyak sıyırma verimlerine ulaşılmıştır. 65 °C çalışma sıcaklığına geçildiğinde ise pH 9 değerinde dahi %80 civarı amonyak sıyırma verimi elde edilirken, pH 10 değerine çıkıldığında amonyağın neredeyse tamamı sıyrılabilmiştir. X-ışını difraksiyonu, geri kazanılan amonyum sülfatın ticari versiyonlarla benzerliğini doğrulamıştır. Gübre olarak, geri kazanılan amonyum sülfat, bitki büyümesi açısından ticari ürünlerle karşılaştırılabilir sonuçlar gösterdi ve yükseklik, başak uzunluğu veya başakçıklar açısından önemli bir fark görülmedi. Bol miktarda bulunan ve maliyet etkin insan idrarından amonyum sülfat üretmek, sentetik gübrelere sürdürülebilir ve ekonomik bir alternatif sunarak çevresel ve tarımsal hedefleri desteklemektedir.
Özet (Çeviri)
This study investigates the immobilization of the urease enzyme on various High Internal Phase Emulsion (polyHIPE) materials, evaluating their properties, efficiency, and performance, while examining the effects of polyHIPE type, amount, incubation time, and other parameters on the process and enzyme activity. The surface morphology and functional groups of the polyHIPE materials were analyzed using scanning electron microscopy (SEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), revealing significant changes after modification with polyglutaraldehyde (PGA). Maximum immobilization efficiency of 95% was achieved by incorporating PGA into the polyHIPE materials with a 15-hour incubation period. Optimal conditions for the immobilized enzyme were determined using response surface methodology (RSM) with a Box-Behnken design (BBD). Furthermore, the immobilized enzyme demonstrated promising reusability, retaining 75% of its initial activity after six cycles, and maintained shelf-life stability, retaining over 40% of its activity after 10 days at room temperature. Kinetic analyses showed that immobilized urease exhibited higher affinity for the substrate compared to the free enzyme, although it had a lower substrate conversion rate. These results provide valuable insights into optimizing urease immobilization processes and improving urease stability and activity, with potential applications in biotechnology and biocatalysis. Furthermore, the study investigated the recovery of ammonium sulfate from human urine using urease immobilized on a polyHIPE support material and its potential as fertilizer for durum wheat. Optimal conditions for urease activity in human urine were found to be pH 7 and 45°C; the immobilized enzyme retained 53% of its activity over 10 cycles and 50% after 10 days at room temperature. In enzyme immobilized polyHIPE reactor studies, when the reactor was operated at linear feed rates of 0.5 and 1 m3/m2.hour, urea hydrolysis yields of over 95% were obtained even at a linear rate of 1 m3/m2.hour. In ammonia stripping studies, ammonia stripping efficiencies above 80% were achieved, particularly at operating temperatures of 40°C and 65°C and pH values of 10 and 11. When the operating temperature was increased to 65°C, an ammonia stripping yield of around 80% was achieved even at a pH of 9, while at a pH of 10, almost all of the ammonia could be stripped. X-ray diffraction confirmed the similarity of the recovered ammonium sulfate to commercial versions. As a fertilizer, the recovered ammonium sulfate showed comparable results to commercial products in terms of plant growth, with no significant differences observed in height, ear length, or spikelets. Producing ammonium sulfate from abundant and cost-effective human urine offers a sustainable and economical alternative to synthetic fertilizers, supporting environmental and agricultural goals.
Benzer Tezler
- Yüksek sülfat ve azot içeren atıksuların anaerobik perdeli reaktörde arıtımı
Treatment of high sulfate and nitrogen containing wastewater i̇n anaerobic baffled reactor
AHMET DUYAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Çevre MühendisliğiKahramanmaraş Sütçü İmam ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KEVSER CIRIK
- Vasküler endotel büyüme faktörü (VEGF)'nün rekombinant olarak üretilmesi, saflaştırılması ve biyolojik özelliklerinin araştırılması
Production of recombinant VEGF (vascular endothelial growth factor), purification and investigation of biological proporties
HÜLYA KUDUĞ
Doktora
Türkçe
2017
BiyoteknolojiGaziosmanpaşa ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSA GÖKÇE
- Lactobacillus sp. izolatlarının maldı -TOF MS sistemi ile tanımlanması, bakteriyosin üretim yeteneklerinin belirlenerek nanopor ile bakteriyosin genlerinin tespiti
The identication of Lactobacillus sp. isolates by maldi-TOF MS system, determination of their bacteriocin production abilities and detection of bacteriocin genes by nanopore
FATMA GONCA ARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
BiyoteknolojiGazi ÜniversitesiBiyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEHRANUR YÜKSEKDAĞ
- Kanatlı gastrointestinal sisteminden özgün laktik asit bakteri suşlarının izolasyonu ve biyoteknolojik yönden değerlendirilmesi
Isolation and biotechnological evaluation of specific lactic acid bacteria strains from the poultry gastrointestinal system
ESRA BEDİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
MikrobiyolojiYıldız Teknik ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TÜLİN ÖZBEK
DR. ÖĞR. ÜYESİ ENES SEYFULLAH KOTİL
- Cereibacter sphaeroides ve Cupriavidus necator'un dört farklı karbon kaynağındaki PHB üretim verimliliklerinin karşılaştırılması
Comparison of PHB production efficiencies of Cereibacter sphaeroides and Cupriavidus necator using four different carbon sources
BESNA DALMIŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
BiyoteknolojiNecmettin Erbakan ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKHAN KARS