ǂAn ǂanthraquinone dye biodegradation by peroxidase from waste material in a batch and continuous flow system

[M. Svetozarević]

141 str.

Tehnološko inženjerstvo -: Biohemijsko inženjestvo i biotehnologija / Engineering technology - Biochemical Engineering and Biotechnology

Ideja ove doktorske disertacije je izolovanje peroksidaze iz otpadnog materijala i njena upotreba u razgradnji antrahinonske boje Kiselo ljubičasto 109 (Acid Violet 109, AV109). Enzim je izolovan iz otpadnog materijala u cilju povećanje ekonomičnosti i održivosti procesa. Razmotreni su šaržni i kontinualni sistemi u cilju optimizacije razgradnje boje. U prvom delu disertacije ispitivana je mogućnost izolovanja peroksidaze iz različitog otpadnog materijala i odabir najpogodnijeg izvora. Potom, je izvršena optimizacija procesa razgradnje AV109 u šaržnom reaktoru. Sa tim u vezi ispitan je uticaj procesnih parametara kao što su: vreme kontakta, pH reakcione smeše, koncentracija enzima, vodonik-peroksida i boje, i temperatura. Zatim, posebna pažnja je posvećena ispitivanju početne kinetike enzimske reakcije i utvrđivanju kinetičkih konstanti. Sledeći deo disertacije odnosi se na kontinualnu razgradnju antrahinonske boje AV109 u mikroreaktorskom sistemu. Kontinualni sistemi generalno pokazuju veću efikasnost, a olakšano je i vođenje procesa. U tu svrhu, optimizovani su parametri koji imaju glavnu ulogu u razgradnji AV109 u mikroreaktoru: vreme zadržavanja, dužina i prečnik reaktora kao i koncentracijski protok vodonik-peroksida, enzima i boje. Da bi se čitav proces unapredio i postao efikasniji, ,,zeleniji” i ekonomičniji, vršena je imobilizacija enzima umrežavanjem u kontinualnom i šaržnom reaktoru. Na taj način, bilo je moguće koristiti enzim dobijen iz otpadnog materijala više puta. Ova vrsta imobilizacije odvija se u dva koraka: taloženje enzima i umrežavanje. Za umrežavanje enzima korišćen je pektin - prirodni polimer bezbedan za okolinu. Nakon odabira najpogodnijeg taložnog reagensa ispitivan je uticaj koncentracije umreživača na aktivnost enzima. Umreženi enzimski agregati su primenjeni u reakciji biorazgradnje AV109 u šaržnom reaktoru zapremine 50 mL i optimizovani su sledeći parametri: pH vrednost, koncentracija imobilizata, vodonik-peroksida i boje. Takođe, ispitana je operativna stabilnost umreženih enzimskih agregata. U kontinualnom sistemu, je ispitivana mogućnost imobilizacije enzima na unutrašnjim zidovima mikroreaktora. Imobilizacija peroksidaze u cevnom mikroreaktoru je potvrđena SEM analizom. Dalje, optimizovana je koncentracija umreživača i koncentracija enzima, a ispitivana je i operativna stabilnost u reakciji razgradnje boje AV109. Dobijeni rezultati ukazuju na efikasnu razgradnje boje, ali mehanizam delovanja peroksidaze nije rasvetljen u potpunosti. Zbog toga, izvršena je LC/GC – MS analiza proizvoda razgradnje. Ispitivana je i hemijska potrošnja kiseonika u cilju utvrđivanja toksičnosti sekundarnih proizvoda reakcije.

The idea behind this doctoral thesis is extraction of peroxidase from waste material and its use for biodegradation of the anthraquinone dye Acid Violet 109. The enzyme is isolated from agro- industrial waste in order to increase the overall cost-effectiveness and sustainability of the process. Batch and continuous systems are considered for dye removal process’s optimization. In the thesis first section, the possibility of peroxidase extraction from different waste material and selection of the most suitable one is examined. Afterwards, optimization of the biodegradation batch process is carried out. Contact time, pH, enzyme, hydrogen peroxide and dye concentration, temperature, kinetic constants and inhibition constants are optimized. Next section of this doctoral thesis deals with the continuous dye biodegradation in a microreactor. Continuous systems show increased efficiency and easier manipulation of the process. Bearing in mind the latter mentioned characteristics, the key parameters for continuous biodegradation of the Acid Violet 109 dye are optimized: residence time, reactor’s length and diameter, together with process parameters: concentration flow of enzyme, hydrogen peroxide and dye. As a means to a more advanced, efficient and greener process, the enzyme is immobilized by cross- linking in the batch and continuous reactor. Thus, the enzyme obtained from a waste material can be reused several times. Pectin is used for enzyme cross-linking. It is a biopolymer that is recognized as safe for the environment. The effect of the precipitation reagents on the enzyme activity is examined. After choosing the proper precipitant, the cross-linker concentration is optimized. The cross-linked enzyme aggregates are applied in the biodegradation of the athraquinone dye in a 50 mL batch reactor. The following parameters are optimized: pH, cross-linked enzyme, hydrogen peroxide and dye concentration. The possibility of the cross-linked enzyme aggregates reuse is confirmed by biodegrading the dye in 10 successive cycles. In continuous flow, the peroxidase is cross-linked onto the inner walls of the PTFE tube microreactor. Scanning electron microscopy analysis confirmed the successful outcome of the immobilization. Afterwards, the enzyme and cross-linker concentration was optimized, together with reusability assessment of the immobilized enzyme microreactor. The obtained results indicate of a successful prosperous dye biodegradation process, but the mechanism of the biodegradation is not revealed. Hence, LC/GC-MS analysis of the degradation products is performed. Chemical oxygen demand was analyzed as a validation that generation of secondary byproducts which are more toxic than the dye itself does not occur.

peroksidaza iz sojinih ljuspica, peroksidaza iz krompirovih ljuski, otpadni material, biorazgradnja, antrahinonska boja, mikroreaktori, imobilizacija, oksidovani pektin, umreženi enzimski agregati, umreženi enzimi, proizvodi razgradnje

soybean hull peroxidase, potato peel peroxidase, anthraquinone dye, waste material, immobilization, oxidized pectin, cross-linked enzyme aggregates, cross-linked enzymes, biodegradation products

667.282: 602.4

Tekst