Date of Award

11-2021

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemical Engineering (MSChE)

Department

Chemical and Petroleum Engineering

First Advisor

Sulaiman Al Zuhair

Abstract

For the economical application of enzymatic processes in biodiesel production, lipase enzyme has to be used in immobilized form to allow easy retention and reuse. The main challenges facing the industrialization of the enzymatic process are the high mass transfer resistance, the tendency to adsorb the by-product glycerol onto the support matrix and poor operational stability. These problems can be solved by a good selection of supports of favourable surface characteristics and pore sizes. In that regard, increasing interest has recently been in Metal-Organic Frameworks (MOFs) as a new kind of porous support for enzyme immobilization. Physical adsorption, which is a fast and easy method of enzyme immobilization ensures limited enzyme denaturation and does not affect the enzyme activity, native structure, and active sites. However, the physically adsorbed enzyme is prone to leaching resulting in low stability, owing to the weak interaction between the enzyme and the support. As an alternative, chemisorption in which the nucleophiles of the enzymes are covalently bonded to the organic linkers of MOFs to form peptide bonds. However, physically immobilized lipase is generally more active reached than chemically immobilized ones, owing to the negative effect of the chemical bonds on the structure of the enzyme. However, enzyme attachment into the internal pores of MOFs may not be efficient, as part of the enzymatic activity may be lost due to conformational changes during diffusion into small cavities. In this process, the enzyme is caged inside the pores of the MOFs during the crystallization process. In addition, enzymes immobilized by this approach exhibit mass transfer limitations and their diffusion are restricted as the substrate may not be able to access the entire active sites. Kinetics and thermodynamics studies of the adsorption process, which are scarce in the literature, could provide invaluable information to explain the different performance of surface adsorption on pre-synthesized MOFs and encapsulation during crystallizations can provide value in terms of (i) chemical affinity between the external surface area of the MOF and the enzyme, (ii) accessibility of enzymes to pores, (iii) enzyme leaching, and (iv) catalytic activities. Therefore, in this work, the mechanism, kinetics, and thermodynamics of lipase adsorption on the surface of different MOFs, namely ZIF-67, ZIF-8 and HKUST-1, have been thoroughly investigated and tested for biodiesel production. The three supports have different structures, pore sizes, chemical properties, and surface areas.

The influence of temperature, initial protein loading, and contact time on the adsorption and catalytic properties of the resultant biocatalysts were investigated. The catalytic properties were assessed on biodiesel production from olive oil transesterification. The highest lipase adsorption capacity of 26.9 mg/g was achieved using ZIF-67 at 45oC and an initial protein concentration of 0.6 mg/mL. The maximum capacities of ZIF-8 and HKUST-1 were 18.95 mg/g and 0.50 mg/mL at 35oC and 17.53 mg/mL at 45oC and 0.60 mg/mL, respectively. The equilibrium adsorption data suggested that the lipase adsorbed physically on ZIF-67 and ZIF-8 and chemically of HKUST-1. The data were best fitted with the Langmuir isotherm model for the three supports. Whereas, of the adsorption kinetics data were best fitted using Elovish’s model for ZIF-67 and ZIF-8, and the pseudo-second model for HKUST-1. It was also found that the process was influenced by intraparticle and film diffusion. The prepared bio-catalyst was successfully used to catalyze the transesterification of olive oil to produce biodiesel in a solvent-free medium. The ZIF-8 and ZIF-67 showed better catalytic activity achieving 88% and 90% conversion, whereas HKUST-1 showed better operational stability owing to the stronger chemical adoption. In addition, diffusion-reaction kinetics of biodiesel production using adsorbed lipase on ZIF-8 have been analyzed. The investigation provided insight into adsorption pathways and the probable mechanisms involved and a better understanding of their application in biodiesel production.

Arabic Abstract

يتم إنتاج معظم وقود الديزل الحيوي حاليًا في جميع أنحاء العالم من خلال تحلل المحفز القلوي والمحفز الانزيمي الحيوي. جذب الإنتاج المحف ز الانزيمي بالليباز اهتمامًا متزايدًا، حي يمكن استخدامه بشكل فعال في الزيت غير المكرر، بالإضافة إلى مزاياه الأخرى، بما في ذلك التشغيل في ظروف معتدلة، ومتطلبات الطاقة المنخفضة، وسهولة فصل المنتج. من أجل التطبيق الاقتصادي للأنزيمات المعالجة في إنتاج الديزل الحيوي يج ب استخدام إنزيم الليباز في شكل ثابت للسماح بالاحتفاظ وإعادة الاستخدام بسهولة. تتمثل التحديات الرئيسية التي تواجه تصنيع الوقود الحيوي من الانزيمات المدعمة في مقاومة نقل الكتلة العالية والميل إلى امتصاص الجلسرين المنتج الثانوي على مصفوفة الدعم وضعف الاستقرار التشغيلي. يمكن حل هذه المشكلات عن طريق الاختيار الجيد للدعامات ذات خصائص السطح الملائمة وأحجام المسام. تُفضل الدعاماتالمسامية بشكل عام نظرًا لارتفاع مساحة سطحها، مما يسمح بتحميل أعلى وحماية أفضل للإنزيم. لذلك، يلعب حجم المسام دورًا مهمًا في النشاط التحفيزي والاستقرار. في هذا الصدد، كان الاهتمام المتزايد مؤخرًا بالأطر المعدنية العضوية (MOF’s ) كنوع جديد من الدعامات المسامية لتثبيت الإنزيم. ينتج عن ذلك دعامية حيوية لحفظ الانزيم ذات ثبات عالٍ، وانخفاض ترشيح الإنزيم، وأكثر صلابة يعمل على استقرار بنية الإنزيم. في هذا العمل، تم فحص الآلية والحركية والديناميكا الحرارية لتدعيم الليباز بالامتصاص الكيميائي على سطح الأطر العضوية المعدنية المختلفة، وهي ZIF-67 و ZIF-8 و HKUST- ، بدقة واختبارها لإنتاج وقود الديزل الحيوي. تحتوي الدعامات الثلاثة على هياكل وأحجام مسام وخواص كيميائية ومساحات سطحية مختلفة. تم دراسة تأث درجة الحرارة، التحميل الأولي للبروتين، ووقت التلامس عل ى خصائص الدعاما ت الحيوية الناتجة. تم تقييم الخصائص التحفيزية على إنتاج الديزل الحيوي من استرة زيت الزيتون. تم تحقيق أعلى قدرة لامتصا ص الكيميائي الليباز 26.9 مجم / جم باستخدام ZIF-67 ، عند 45 درجة مئوية وتركيز البروتين الأولي 0.6 مجم / مل. كانت السعات القصوى لـ ZIF-8 و HKUST-1 أقل، حيث وصلت إلى 18.95 مجم / جم و 0.50 مجم / م ل عند 35 درجة مئوية وتركيز البروتين الأولي 17.5 مجم / مل و 45 درجة مئوية و 0.60 مجم / مل على التوالي. اقترحت بيانات امتصاص التوازن أن الليباز يمتص فيز يئي ا على ZIF-67 و ZIF-8 وكيميائيًا لـ HKUST-1 تمثل بيانات الحرارة نموذ ج Langmuir للدعامات الثلاثة. بينما، من الأفضل ملاءمة لبيانات الحركية باستخدام نموذج Elovish لـ ZIF-67 و ZIF-8 ، والنموذج الثاني لـ HKUST-1. وجد أيضًا أن العملية تأثرت بالانتشار داخل الجسيمات. تم استخدام المحفز الحيوي المحضر بنجاح لتحفيز الاسترة التبادلية لزيت الزيتون لإنتاج وقود الديزل الحيوي في وسط خالٍ من المذيبات. أظهر ZIF-8 و ZIF-67 نشاطًا تحفيزيًا أفضل حيث ح قق تحويلًا بنسبة 82 ٪ و 90 ٪ ، بينما أظهر HKUST-1 استقرارًا تشغيليًا أفضل نظرًا لاعتماد المواد الكيميائية بشكل أقوى.

Download
COinS