Polisakkarit içerikli tarımsal atıklardan biyoyakıt üretimine yönelik biyomalzemelerin geliştirilmesi
Development of biomaterials for biofuel production from polysaccharide-containing agricultural waste
- Tez No: 982041
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERSİN DOĞAÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyokimya, Biyoteknoloji, Biochemistry, Biotechnology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Tarımsal atıkların doğru şekilde giderilmemesi yüksek enerji gereksinimine yol açarak büyük maddi kayıplara neden olmaktadır. Doğru şekilde giderilemeyen tarımsal atıklar iklim, çevre ve insan sağlığı için ciddi sorunlara yol açmaktadır. Fosil yakıtların yarattığı çevre kirliliği ve hızla artan dünya nüfusu nedeniyle ortaya çıkan enerji talebi, alternatif enerji kaynaklarına olan ihtiyacı arttırmaktadır. Biyoteknolojik yöntemler ile tarımsal atıkların enerji kaynağı olarak kullanımı, çevreye verilen zararın azaltılmasında ciddi önem taşımaktadır. Canlı organizmalarda biyokimyasal reaksiyonların hızlı ve spesifik olarak gerçekleştirilmesinde protein bazlı katalizör olarak görev yapan enzimler, tarımsal atıkların biyolojik olarak parçalanmasında kritik görevlere sahiptir. Enzimlerin endüstriyel koşullarda (aşırı sıcaklık ve pH) denatürasyona uğramasının engellenmesi, tekrar kullanılabilmelerinin ve biyokatalik verimliliğin artırılması için taşıyıcı malzemelere immobilizasyonunu gerektirmektedir. Taşıyıcı malzeme seçimi ve immobilizasyon yöntemi enzimin aktif bölgesinin serbest kalması için büyük önem taşımaktadır. Organik-inorganik hibrit bir malzeme olan metal organik kafes yapılar (MOF) enzim immobilizasyonu için uygun bir taşıyıcıdır. Bu çalışmanın amacı, polisakkarit içerikli tarımsal atıklardan biyoetanol üretimine yönelik biyomalzeme geliştirilebilmesidir. Çalışmada lingoselülozik biyokütleye sahip pamuk, buğday ve mısır tarımsal atıkları substrat olarak kullanılmıştır. Biyoetanol üretimi için 2-metilimidazol temelli MOF yapılara selülaz enzimi immobilize edilerek biyokatalitik süreçlerin verimliliği arttırılmıştır. MOF@Selülaz yapılarının metal kısımları için Ca+2 ve Co+2 metal iyonları kullanıldı. Sentezlenen MOF yapılar enzim miktarı, 2-metilimidazol konsantrasyonu, Ca+2 ve Co+2 miktarları ve inkübasyon süresi parametreleri optimize edilmiştir. Yapıların yüzey morfolojisi, kimyasal bileşimleri ve fonksiyonel grupları SEM, EDS ve FTIR, analizleri ile karakterize edilmiştir. İmmobilize selülazın enzimatik özelikleri optimum pH, optimum sıcaklık, pH kararlılığı, termal kararlılık, tekrar kullanılabilirlik, kinetik parametreler (Vmax, Km) açısından değerlendirilmiştir. Eş zamanlı enzimatik hidroliz ve fermantasyon yöntemiyle biyoetanol üretimi gerçekleştirildi ve etanol verimi dikromat yöntemi ile spektrofotometrik olarak değerlendirilmiştir. Çalışmanın sonucunda en yüksek enzimatik aktivite Ca+2 temelli MOF@selülaz yapılarında 40°C ve pH 6'da, Co+2 temelli yapılarda ise 40°C ve pH 7'de saptanmıştır. Serbest selülaz enzimi pH 8'den sonra aktivitesini tamamen kaybetmiştir. İmmobilize selülaz pH 9'da dahi MOF@Ca+2 %22, MOF@CO+2 %30 aktivitesini korumuştur. Serbest enzim 80 °C 90. dakikada aktivitesini %90 kaybederken MOF@Ca+2 yapısındaki immobilize selülaz aktivitesini %51 korumuştur. MOF@Co+2 yapısı ise 90. dakikada aktivitesini %160 arttırdı. İmmobilize enzimler serbest enzime kıyasla yüksek sıcaklık ve aşırı pH koşullarında daha iyi kararlılık gösterdi, tekrar kullanım testlerinde 10 döngü sonrasında 2-metilimidazol/Ca+2/Selülaz için %18 ve 2-metilimidazol/Ca+2/Selülaz için %30 aktivitesini korudu. Biyoetanol üretiminde ise geliştirilen MOF@selülaz yapıları, tarımsal atıklardan yüksek verimle enerji elde edilmesini sağlamıştır. Bu sonuçlar sürdürülebilir enerji üretimi ve atık yönetimi açısından yenilikçi bir yaklaşım sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Improper disposal of agricultural waste results in high energy demand and substantial economic losses. Agricultural wastes that cannot be disposed of properly cause serious problems for the climate, environment and human health. The environmental pollution caused by fossil fuels and the energy demand resulting from the rapidly increasing human population increases the need for alternative energy sources. The use of agricultural wastes as energy sources through biotechnological methods is of great importance in reducing the damage to the environment. Enzymes, which act as protein-based catalysts in the rapid and specific performance of biochemical reactions in living organisms, have critical roles in the biological degradation of agricultural wastes. Enzymes need to be immobilized on carrier materials to ensure their reusability under industrial conditions, to increase their biocatalytic efficiency and to prevent denaturation (extreme temperature and pH). The selection of carrier material and immobilization method are of great importance fort he release of the active site of the enzym. Metal organic frameworks (MOFs), an organic-inorganic hybrid material, are a suitable carrier for enzyme immobilization. This study aimed to develop biomaterials for bioethanol production from polysaccharide-rich agricultural waste. In the study, cotton, wheat and corn agricultural wastes with lingocellulosic biomass were used as substrates. For bioethanol production, the efficiency of biocatalytic processes was increased by immobilizing cellulase enzyme into 2-methylimidazole-based MOF structures. Ca+2 and Co+2 metal ions were used for the metal parts of the MOF@Cellulase structures. Parameters such as enzyme loading, 2-methylimidazole concentration, Ca⁺² and Co⁺² content, and incubation time were optimized for the purification process. The surface morphology, chemical compositions and functional groups of the structures were characterized by SEM, EDS and FTIR analyses. The enzymatic properties of immobilized cellulase were evaluated in terms of optimum pH, optimum temperature, pH stability, thermal stability, reusability, kinetic parameters (Vmax, Km). Bioethanol production was carried out by simultaneous enzymatic hydrolysis and fermentation method and ethanol yield was evaluated spectrophotometrically by the dichromate method. As a result of the study, the highest enzymatic activity was determined in Ca+2 based MOF@cellulase structures at 40°C and pH 6, and in Co+2 based structures at 40°C and pH 7. Free cellulase enzyme completely lost its activity after pH 8, while immobilized cellulase maintained 22% of MOF@Ca+2 and 30% of MOF@CO+2 activity even at pH 9. While the free enzyme lost 90% of its activity at 80 °C and 90 minutes, the immobilized cellulase in the MOF@Ca+2 structure retained its activity by 51%. The MOF@Co+2 structure increased its activity by 160% in the 90th minute. The immobilized enzymes showed better stability under high temperature and extreme pH conditions compared to the free enzyme, retaining 18% activity for 2-methylimidazole/Ca+2/Cellulase and 30% activity for 2-methylimidazole/Ca+2/cellulase after 10 cycles in reuse tests. In bioethanol production, the developed MOF@cellulase structures provided energy production from agricultural wastes with high efficiency. These results offer an innovative approach in terms of sustainable energy production and waste management.
Benzer Tezler
- Antimikrobiyal ambalajlama için pickering emülsiyon yöntemi ile yenilebilir biyoplastik filmlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of edible bioplastic films by pickering emulsion method for antimicrobial packaging
AYŞE KOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Kimya MühendisliğiKonya Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAVVA TUTAR KAHRAMAN
- Polisakkarit bazlı taşıyıcılardan neovaskülerizasyon ajanlarının kontrollü salımının in-vitro ve in-vivo koşullarda incelenmesi
Controlled release of neovascularization agents incorporated with polysaccharide based carriers in-vitro and in-vivo
ALPER KEMAL DOĞAN
- Yüksek şeker içerikli sade bar tipi kek üretiminde asesulfam potasyum, polidekstroz, laktitol ve ksantan gam kullanımının ürünün kimi kalite özellikleri üzerine etkileri
Effects of acesulfame potassium, polydextrose, lactitol and xanthan gum on some characteristics of high ratio bar cakes
DENİZ KIRANLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Gıda MühendisliğiEge ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. ÜNSAL ÇAKMAKLI
- Kontrollü ilaç salımı gösteren montmorillonit içerikli agar/κ-karagenan hidrojel yara örtüsü hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of agar/κ-carrageenan hydrogel wound dressing containing montmorillonite having controlled drug release
TÜLİN GÜRKAN
- Gıda ambalajlarında antimikrobiyal nanokompozitlerin sentezlenmesi
Synthesis and characterization of antibacterial bio-nano films for food packaging
BURÇ YILMAZ ÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Gıda Mühendisliğiİstanbul Aydın ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜLAY BAYSAL