Biorazgradnja antrahinonske boje peroksidazom izolovanom iz otpadnog materijala u šaržnom i kontinualnom sistemu

Abstract

Ideja ove doktorske disertacije je izolovanje peroksidaze iz otpadnog materijala i njena upotreba urazgradnji antrahinonske boje Kiselo ljubičasto 109 (Acid Violet 109, AV109). Enzim je izolovaniz otpadnog materijala u cilju povećanje ekonomičnosti i održivosti procesa. Razmotreni su šaržni ikontinualni sistemi u cilju optimizacije razgradnje boje.U prvom delu disertacije ispitivana je mogućnost izolovanja peroksidaze iz različitog otpadnogmaterijala i odabir najpogodnijeg izvora. Potom, je izvršena optimizacija procesa razgradnje AV109u 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, posebnapažnja je posvećena ispitivanju početne kinetike enzimske reakcije i utvrđivanju kinetičkihkonstanti.Sledeći deo disertacije odnosi se na kontinualnu razgradnju antrahinonske boje AV109 umikroreaktorskom sistemu. Kontinualni sistemi generalno pokazuju veću efikasnost, a olakšano je ivođenje procesa. U tu svrhu, optimizovani su parametri koji imaju glavnu ulogu u razgradnjiAV109 u mikroreaktoru: vreme zadržavanja, dužina i prečnik reaktora kao i koncentracijski protokvodonik-peroksida, enzima i boje.Da bi se čitav proces unapredio i postao efikasniji, ,,zeleniji” i ekonomičniji, vršena je imobilizacijaenzima umrežavanjem u kontinualnom i šaržnom reaktoru. Na taj način, bilo je moguće koristitienzim 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 polimerbezbedan za okolinu. Nakon odabira najpogodnijeg taložnog reagensa ispitivan je uticajkoncentracije umreživača na aktivnost enzima. Umreženi enzimski agregati su primenjeni u reakcijibiorazgradnje AV109 u šaržnom reaktoru zapremine 50 mL i optimizovani su sledeći parametri: pHvrednost, koncentracija imobilizata, vodonik-peroksida i boje. Takođe, ispitana je operativnastabilnost umreženih enzimskih agregata.U kontinualnom sistemu, je ispitivana mogućnost imobilizacije enzima na unutrašnjim zidovimamikroreaktora. Imobilizacija peroksidaze u cevnom mikroreaktoru je potvrđena SEM analizom.Dalje, optimizovana je koncentracija umreživača i koncentracija enzima, a ispitivana je i operativnastabilnost u reakciji razgradnje boje AV109.Dobijeni rezultati ukazuju na efikasnu razgradnje boje, ali mehanizam delovanja peroksidaze nijerasvetljen u potpunosti. Zbog toga, izvršena je LC/GC – MS analiza proizvoda razgradnje.Ispitivana je i hemijska potrošnja kiseonika u cilju utvrđivanja toksičnosti sekundarnih proizvodareakcije.

The idea behind this doctoral thesis is extraction of peroxidase from waste material and its use forbiodegradation 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 andselection of the most suitable one is examined. Afterwards, optimization of the biodegradationbatch 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 inmind the latter mentioned characteristics, the key parameters for continuous biodegradation of theAcid Violet 109 dye are optimized: residence time, reactor’s length and diameter, together withprocess 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 bereused several times. Pectin is used for enzyme cross-linking. It is a biopolymer that is recognizedas safe for the environment. The effect of the precipitation reagents on the enzyme activity isexamined. After choosing the proper precipitant, the cross-linker concentration is optimized. Thecross-linked enzyme aggregates are applied in the biodegradation of the athraquinone dye in a 50mL batch reactor. The following parameters are optimized: pH, cross-linked enzyme, hydrogenperoxide and dye concentration. The possibility of the cross-linked enzyme aggregates reuse isconfirmed by biodegrading the dye in 10 successive cycles.In continuous flow, the peroxidase is cross-linked onto the inner walls of the PTFE tubemicroreactor. Scanning electron microscopy analysis confirmed the successful outcome of theimmobilization. Afterwards, the enzyme and cross-linker concentration was optimized, togetherwith reusability assessment of the immobilized enzyme microreactor.The obtained results indicate of a successful prosperous dye biodegradation process, but themechanism of the biodegradation is not revealed. Hence, LC/GC-MS analysis of the degradationproducts is performed. Chemical oxygen demand was analyzed as a validation that generation ofsecondary byproducts which are more toxic than the dye itself does not occur.