Date of Award

4-2024

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Chemical Engineering

Department

Chemical and Petroleum Engineering

First Advisor

Sulaiman Al Zuhair

Second Advisor

Bart Van der Bruggen

Third Advisor

Yaser E. Greish

Fourth Advisor

Amr Amin

Abstract

Enzymatic hydrogenation of carbon dioxide (CO2) to formate by formate dehydrogenase (FDH) is a promising technology for reducing CO2 concentrations in an environmentally friendly manner. For practical and economical implementation of the process, however, enhanced reusability of the enzyme is essential, which requires easy separation from the reaction mixture, coupled with sustained stability. One way to achieve this is by using the enzyme in an immobilized form. In this work, the effectiveness of using different metal organic frameworks (MOFs) as promising alternative supports for FDH immobilization has been assessed. A highly stable zirconium-based MOF, UiO66 and its derivative, UiO66-NH2, were initially tested. At optimum conditions of pH 5.5 and 30 mM NaHCO3, the activity of immobilized FDH on UiO66-NH2 per gram of protein was 19.6 times higher than that of free FDH, which resulted in an increase in formate production. To further enhance the FDH capacity and stability, by reducing the leaching commonly encountered with physical attachment, cross-linking with glutaraldehyde was adopted. The results show that FDH immobilized on UiO66 and UiO66-NH2 retained only 13 and 25% of initial activity after three cycles of reuse, whereas FDH immobilized using cross-linking with glutaraldehyde retained 64% activity.

When immobilization of FDH was tested on Cu based MOF, HKUST-1, a slightly lower activity than that obtained with UiO66/UiO66-NH2 was observed. This was reflected in the formate production by FDH@HKUST-1, which dropped by a factor of 4.5 compared to that achieved using FDH@UiO66-NH2. The stability of FDH@HKUST-1 was higher in the second cycle, retaining 78%. However, the stability could not be sustained beyond the second cycle, and the activity dropped drastically to 26% after 4 cycles of reuse. The lower activity was attributed to the instability of HKUST-1 in aqueous solution that resulted in degradation of MOF upon repeated use. To improve the stability in aqueous solution, post synthetic modification of HKUST-1, with stearic acid (SA), was carried out. It was shown that the SA modification increased the hydrophobicity of the MOF without affecting the morphology and crystal structure of MOF. The high stability of SA@HKUST-1 and the enhanced hydrophobic interaction between the support and CO2 resulted in a high catalytic efficiency and stability of FDH@SA@HKUST-1. More importantly, the immobilized enzyme on SA@HKUST-1 retained 95.1% of its initial activity after 4 cycles of repeated use. The effectiveness of SA@HKUST-1 was evaluated by comparing it with an inherently hydrophobic Zn based MOF, ZIF-L. Immobilization on ZIF-L resulted in a lower activity and formate production than that achieved by FDH immobilized on SA@HKUST-1.

Although CO2 hydrogenation by immobilized FDH is a promising technology, the thermodynamic stability of CO2 results in a slower rate of reaction. Moreover, depletion of the cofactor, nicotinamide adenine dinucleotide hydrogen (NADH) during reaction limits the availability of H2 required for hydrogenation. To enhance the rate of CO2 hydrogenation and to achieve regeneration of the cofactor, the enzymes carbonic anhydrase (CA) and glutamate dehydrogenase (GDH) were added to the system. Due to its high stability, SA@HKUST-1 was chosen as support to immobilize multiple enzymes. Immobilizing the multiple enzymes on SA@HKUST-1 resulted in 9 and 12 times higher formate production than when the same enzymes were encapsulated inside multiple layers of MIL-101@HKUST-1 and ZIF-8, respectively. Using SA@HKUST-1 also resulted in a higher stability, retaining 94% activity after 4 cycles of reuse, compared to only 57.5 and 65% using MIL-101@HKUST-1 and ZIF-8, respectively.

For a better understanding of the enzyme adsorption behavior and mechanism on the tested MOFs, adsorption isotherms were measured, and kinetic studies were carried out. This study provides novel insights into the effect of support materials and multiple enzymes on the catalytic efficiency and stability of FDH used for CO2 hydrogenation. MOFs with high CO2 affinity used in this work resulted in enhanced performance. The study proves the effect of the immobilization strategy and post synthetic modification of MOFs on the performance of the enzyme. By the proper choice of MOFs with high affinity for CO2 and stability in aqueous and acidic environment, formate production and stability of FDH can be improved. These findings are expected to assist in developing highly active and stable biocatalysts for CO2 hydrogenation at commercial level.

Arabic Abstract


فورمات ديهيدروجينيز يدمج على إطار عضوي معدني لتعزيز تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى فورمات

تعد الهدرجة الإنزيمية لثاني أكسيد الكربون (CO₂) لتكوينه بواسطة فورمات ديهيدروجينيز (FDH) تقنية واعدة لتقليل تركيزات ثاني أكسيد الكربون بطريقة صديقة للبيئة. ومع ذلك، من أجل التنفيذ العملي والاقتصادي للعملية، يعد تعزيز إمكانية إعادة استخدام الإنزيم أمراً ضرورياً، الأمر الذي يتطلب فصلاً سهلاً عن خليط التفاعل، إلى جانب الاستقرار المستدام. إحدى طرق تحقيق ذلك هي استخدام الإنزيم في شكل ثابت. في هذا العمل، تم تقييم فعالية استخدام الأطر العضوية المعدنية المختلفة (MOFs) كدعم بديل لتثبيت FDH. تم اختيار MOF المستقر للغاية المعتمد على الزركونيوم، UiO66 ومشتقه UiO66-NH₂، في البداية في الظروف المثالية عند درجة الحموضة 5.5 و30 ملي مولار NaHCO₃. كان نشاط FDH المثبت على UiO66-NH₂ أعلى بـ 19.6 مرة من نشاط FDH الحر، مما أدى إلى زيادة في إنتاج الفورمات. يُعزى السبب الرئيسي لتحسين أداء الإنزيم المثبت إلى زيادة تقارب الإطار المعدني العضوي نحو الركيزة والتغير الإيجابي في البنية الثانوية، مما أظهر زيادة في محتوى ألفا الحلزوني من 29.4% للإنزيم الحر إلى 43% و100% بعد التثبيت على UiO66 وUiO66-NH₂، على التوالي. لزيادة تعزيز قدرة FDH واستقراره، من خلال تقليل الترشيح الذي يتم مواجهته بشكل شائع مع الارتباط الجسدي، تم اعتماد نهج الارتباط المتبادل مع الجلوتارالدهيد. أظهرت النتائج أن FDH المثبت على UiO66-NH₂ احتفظ فقط بـ 13.25% من النشاط الأولي بعد ثلاث دورات من إعادة الاستخدام، في حين احتفظ FDH المثبت باستخدام الارتباط المتبادل مع الجلوتارالدهيد بالنشاط بنسبة 64%.

عندما تم اختبار تثبيت FDH على وزارة المالية القائمة على النحاس HKUST-1، لوحظ نشاط أقل قليلاً من ذلك الذي تم الحصول عليه باستخدام UiO66/UiO66-NH₂. وقد انعكس ذلك على إنتاج الفورمات بواسطة FDH@HKUST-1، والذي انخفض بمقدار 4.5 مرة مقارنة بما تم تحقيقه باستخدام FDH@UiO66-NH₂. كان استقرار FDH@HKUST-1 أعلى في الدورة الثانية، حيث احتفظ بنسبة 78%. ومع ذلك، لا يمكن الحفاظ على الاستقرار بعد الدورة الثانية، وانخفض النشاط بشكل كبير إلى 26% بعد 4 دورات من إعادة الاستخدام. ويُعزى انخفاض النشاط إلى عدم استقرار HKUST-1 في المحلول المائي، مما أدى إلى تدهور وزارة المالية عند الاستخدام المتكرر. لتحسين الثبات في المحلول المائي، تم إجراء تعديل ما بعد التركيبي لـ HKUST-1 مع حمض دهني (SA). تبين أن تعديل SA زاد من الكراهة للماء لـ MOF دون التأثير على الشكل والبنية البلورية لـ MOF. أدى الثبات العالي لـ SA@HKUST-1 والتفاعل المعزز للكراهة للماء بين الدعم وثاني أكسيد الكربون إلى كفاءة تحفيزية عالية واستقرار لـ FDH@SA@HKUST-1. والأهم من ذلك أن الإنزيم المثبت في SA@HKUST-1 احتفظ بنسبة 95.1% من نشاطه الأولي بعد 4 دورات من الاستخدام المتكرر. تم تقييم فعالية SA@HKUST-1 من خلال دمجها مع MOF قائم على الزنك يُعرف بطبيعته غير المستقرة، ZIF-L. تسببت إضافة ZIF-L في انخفاض النشاط وإنتاج الفورمات عند تثبيته، في حين أن FDH المثبت على SA@HKUST-1 انخفض النشاط ويُعزى انخفاض النشاط إلى التغير في البنية الثانوية للإنزيم بعد الشلل. على الرغم من أن هدرجة ثاني أكسيد الكربون بواسطة FDH المثبت تعد تقنية واعدة، إلا أن الاستقرار الديناميكي الحراري لثاني أكسيد الكربون يؤدي إلى معدل تفاعل أبطأ. علاوة على ذلك، فإن استنفاد العامل المساعد، نيكوتيناميد أدينين ثنائي نيوكليوتيد الهيدروجين (NADH) أثناء التفاعل يحد من توافر الهيدروجين المطلوب للهدرجة. لتعزيز معدل هدرجة ثاني أكسيد الكربون وتحقيق تجديد العامل المساعد، تمت إضافة إنزيمات الأنهيدراز الكربونيك (CA) ونازعة هيدروجين الغلوتامات (GDH) إلى النظام. نظراً لاستقراره العالي، تم اختيار SA@HKUST-1 كدعم لشل حركة الإنزيمات المتعددة. أدى تثبيت الإنزيمات المتعددة في SA@HKUST-1 إلى إنتاج فورمات أعلى بمقدار 9 و12 ضعفاً مما كانت عليه عندما تم تغليف الإنزيمات نفسها داخل طبقات متعددة من MIL-101@HKUST-1 و ZIF-89، على التوالي. أدى استخدام SA@HKUST-1 أيضاً إلى زيادة الاستقرار، مع الاحتفاظ بالنشاط بنسبة 94% بعد 4 دورات من إعادة الاستخدام، مقارنة بـ 57.5% و65% فقط باستخدام MIL-101@HKUST-1 و ZIF-89، على التوالي.

من أجل فهم أفضل لسلوك وآلية امتزاز الإنزيم في الأطر العضوية المعدنية التي تم اختيارها، تم إجراء دراسات حركية وتساوي حرارة الامتزاز. تم العثور على أفضل وصف لامتزاز جميع الإنزيمات في الأطر العضوية المعدنية التي تم اختبارها باستخدام نموذج فروندليش الأيزوثرم. يتبع امتزاز FDH على UiO66 ومشتقاته حركيات الدرجة الأولى، في حين يتبع امتزاز FDH ونظام الإنزيمات المتعددة على ZIF-L و HKUST-1 و SA@HKUST-1 حركيات الدرجة الثانية الزائفة. تم أيضاً إجراء التوصيف التفصيلي للأطر العضوية المعدنية لدراسة التغيرات في بنية واستقرار الأطر العضوية المعدنية قبل وبعد تثبيت الإنزيم. توفر هذه الدراسة رؤى جديدة حول تأثير المواد الداعمة والإنزيمات المتعددة على الكفاءة الحفزية واستقرار FDH المستخدم في هدرجة ثاني أكسيد الكربون. أدت الأطر العضوية المعدنية ذات الألفة العالية لثاني أكسيد الكربون المستخدمة في هذا العمل إلى تحسين الأداء. تثبت الدراسة تأثير استراتيجية التثبيت والتعديل اللاحق للهياكل المعدنية العضوية على أداء الإنزيم. من خلال الاختيار الصحيح للأطر العضوية المعدنية ذات الألفة العالية لثاني أكسيد الكربون والاستقرار في البيئة المائية والحمضية، يمكن تحسين إنتاج الفورمات واستقرار FDH. ومن المتوقع أن تساعد هذه النتائج في تطوير محفزات حيوية نشطة للغاية ومستقرة لهدرجة ثاني أكسيد الكربون على المستوى التجاري.

Download

Share

COinS