Date of Award

12-2021

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemical Engineering (MSChE)

Department

Chemical and Petroleum Engineering

First Advisor

Sulaiman Al-Zuhair

Abstract

Enzymatic transesterification of triglycerides to produce biodiesel has been gaining increasing attention owing to its advantages over chemical processes. Being catalysts, enzymes are not consumed during the processes in which they are used. Therefore, a successful technique to allow their repeated use can significantly enhance the economic feasibility of the process. The most common approach to allow easy separation of the enzymes and to eliminate their wastage is immobilization on a support matrix. Recently, Metal-Organic Frameworks (MOFs) have been suggested as preferable support for enzyme immobilization, owing to their high-order structure and high porosity and specific surface area. This thesis presents a study on the use of lipase encapsulated inside hexagonal ZIF-8 for enhance biodiesel production. It was shown that the lipase encapsulation did not have a significant effect on the morphology, surface properties and crystallinity of the ZIF-8 crystals. The effects of methanol ratio, temperature, oil concentration and water content, on the biodiesel production yield and rate of reaction, were tested. The highest yield was obtained at a methanol ratio and temperature of 6:1 and 40℃, respectively. It was also shown that the yield decreased with the increase in water content. The activity and stability of the immobilized lipase in ZIF-8 by encapsulation were compared to that immobilized by surface adsorption. Although the adsorbed lipase on ZIF-8 showed higher activity. At a methanol ratio of 12:1, the encapsulated lipase in ZIF-8 maintained 83% residual activity after 5 cycles, compared to only 34% attained by the adsorbed lipase at the same conditions. The experimental results were used to determine the kinetics parameters of the modified Ping Pong Bi Bi model, and the accuracy of the prediction was compared to those obtained by the Michaelis Menten model. To gain a better insight into how the reaction occurs inside the ZIF-8 crystal with encapsulated lipase, a diffusion-reaction model was developed and numerically solved. The results clearly show that the substrate did not diffuse deeply into the crystal, which further confirmed the mass transfer limitation that resulted in the lower activity of the encapsulated lipase as compared to the adsorbed one.

Arabic Abstract

كتسبت عملية تحويل الانزيم لإنتاج وقود الديزل الحيوي اهتماما متزايدا؛ وذلك القابلية تطبيقها على مجموعة واسعة من الزيوت الخام دون الحاجة إلى معالجة مسبقة. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم الانزيم كحفاز في الحملية وبالتالي لا يتم استهلاك الإنزيمات أثناء استخدامها فتصنف هذه الطريقة كواحدة من أنجح الطرق لإعادة استخدام الإنزايم مما يساعد في خفض قيمة التكلفة للعملية, حيث ان الانزيم مكلف. ولمنع الإنزايم من التحلل وفقط نشاطه وتلوثه، تم إقتراح استخدام MOF کمادة داعمة لتثبيت الانزيم. وذلك نظرا لهيكلها الفريد و مسامينها العالية.

تدور هذه الأطروحة حول دراسة استخدام (MOFs لمادة داعمة للإنزايم لتعزيز إنتاج وقود الديزل الحيوي. حيث تم تغليف الانزايم بنجاح في أطر زيوليت إيميدازولات سداسية الأضلاع (8-ZIF) . وتبين أن تغليف الليباز لم يكن له تأثير في تغير هيكل وخصائص (8-ZIF)‏ . وقد تم دراسة تأثير نسبة تركيز الميثانول وزيت الزيتون، درجة الحرارة المحيط وغيرها وذلك من أجل الحصول على الظروف المثالية لإنتاج وقود الديزل الحيوي, وقد كانت أعلى نسبة زيت الزينون: للميثانول ودرجة الحرارة المثالية هي 61: و 40°C.

وقد تم التحقق من صحة وفاعلية هذه الآلية من خلال مقارنة استقرار الإنزيم المغلف بتلك التي تم تجميدها بواسطة الامتصاص السطح. على الرغم من أن الانزيم الممتص على السطح أظهر نشاطا أعلى ، إلا أن ثبات الليبار المغلف كان أفضل بكثير .فعند اعادة استخدام الانزيم المغلف في 8-ZIF حافظ على 83% من النشاط ، مقارنة بنسبة 34% فقط التي حصل عليها الليبار الممتص علي السطح في نفس الظروف. وقد تم استخدام التجربة لتحديد المعلمات الحركية لنموذج Ping Pong Bi Bi المعدل، ومقارنتها بما تم الحصول عليه بواسطة نموذج ‏Michaelis Menten. أظهرت النتائج بوضوح أن الركيزة لم تنتشر بعمق في 8-ZIF التي أدت إلى انخفاض نشاط الانزيم المغلف مقارنة بالمادة الممتصة.

Download
COinS