Date of Award

11-2024

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemical Engineering (MSChE)

Department

Chemical and Petroleum Engineering

First Advisor

Sulaiman Al-Zuhair

Abstract

This thesis aims to explore the use of Zeolitic Imidazolate Framework-L (ZIF-L) as a support for immobilizing alcalase and its potency in producing protein hydrolysates. ZIF-L was synthesized at room temperature using an aqueous solution, and alcalase was immobilized through adsorption batch experiment. The successful immobilization of alcalase on ZIF-L was confirmed through Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and thermogravimetric analysis (TGA). The maximum adsorption capacity of alcalase on ZIF-L was determined to be 672.1 ± 5.5 mg g-1 at 40°C using an initial protein concentration of 5 mg mL-1. Adsorption equilibrium data suggested that alcalase physically adsorbed on ZIF-L, with the Freundlich model isotherm providing the best fit. The adsorption kinetics were well described by pseudo-first order model, indicating that both film and intraparticle diffusion were significant. The activity of the prepared immobilized alcalase on ZIF-L was tested using bovine serum albumin as a substrate. Impressively, the immobilized alcalase retained over 90% of the initial activity after being stored at 4°C for up to 70 days. A diffusion-reaction model was developed and numerically solved to describe the reaction dynamics, revealing the significance of mass transfer limitations during the early stages of hydrolysis. Furthermore, the immobilized alcalase was used to hydrolyze protein extracted from microalgae, and the bioactivity of the resulting peptides was assessed through total phenolic content and radical scavenging activity assays. The findings underscore the potential of alcalase-based biocatalysts immobilized on ZIF-L for applications in food industry, offering a sustainable and cost-effective approach to producing bioactive peptides with health-promoting properties. This research opens avenues for further exploration of MOF-based enzyme immobilization in various biotechnological applications.

Arabic Abstract


الحركية والديناميكا الحرارية والخصائص البيولوجية للمحللات المنتجة إنزيميًا من البروتينات المستخرجة من الطحالب الدقيقة

تهدف هذه الأطروحة إلى استكشاف استخدام إطار إيميدازولات الزيوليتي (ZIF-L) كداعم لتثبيت الألكالاز وفعاليته في إنتاج مُحللات البروتين. تم تصنيع ZIF-L في درجة حرارة الغرفة باستخدام محلول مائي، وتم تثبيت الألكالاز من خلال تجربة دفعة الامتزاز. تم تأكيد التثبيت الناجح للألكالاز على ZIF-L من خلال مطيافية الأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR)، حيود الأشعة السينية (XRD)، المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والتحليل الوزني الحراري (TGA). تم تحديد الحد الأقصى لقدرة الامتصاص للألكالاز على ZIF-L لتكون 672.1 ± 5.5 mg g-1عند 40 درجة مئوية باستخدام تركيز بروتيني أولي يبلغ 5 مجم / مل. تشير بيانات توازن الامتصاص إلى أن الألكالاز يمتص فعليًا على ZIF-L، مع توفير نموذج تساوي درجة الحرارة Freundlich لأفضل ملاءمة. تم وصف حركية الامتصاص جيدًا من خلال نموذج شبه الدرجة الأولى، مما يشير إلى أن كل من انتشار الفيلم وداخل الجسيمات كان مهمًا. تم اختبار نشاط الألكالاز المثبت المحضر على ZIF-L باستخدام ألبومين مصل البقر كركيزة. ومن المثير للإعجاب أن الألكالاز المثبت احتفظ بأكثر من 90٪ من النشاط الأولي بعد تخزينه عند 4 درجات مئوية لمدة تصل إلى 70 يومًا. تم تطوير نموذج انتشار- تفاعل وحله عدديًا لوصف ديناميكيات التفاعل، مما يكشف عن أهمية قيود نقل الكتلة خلال المراحل المبكرة من التحلل المائي. علاوة على ذلك، تم استخدا م الألكالاز المثبت لتحليل البروتين المستخرج من الطحالب الدقيقة، وتم تقييم النشاط الحيوي للببتيدات الناتجة من خلال محتوى الفينول الكلي واختبارات نشاط إزالة الجذور الحرة. وتؤكد النتائج على إمكانات المحفزات الحيوية القائمة على الألكالاز المثبتة على ZIF-L للتطبيقات في صناعة الأغذية، مما يوفر نهجًا مستدامًا وفعّالاً من حيث التكلفة لإنتاج الببتيدات النشطة بيولوجيًا ذات الخصائص المعززة للصحة. يفتح هذا البحث آفاقًا لمزيد من الاستكشاف لتثبيت الإنزيم القائم على MOF في تطبيقات التكنولوجيا الحيوية المختلفة.

Download
COinS