Laktozun enzimatik hidrolizinde dolgulu kolon reaktör kullanımı: Dolgulu kolon geometrisi ve akış özeliklerinin incelenmesi

Abstract

Gıda endüstrisinde farklı amaçlarla çeşitli enzimler büyük oranda kullanılmaktadır. Kullanılan enzimlerin yurtdışı firmalardan yüksek fiyatlarla alınması ve bunların proseste sadece bir kez kullanılması işletme maliyetlerini arttırmaktadır. Enzimlerin yoğun kullanıldığı alanlardan biri ülkemizde de üretimi yapılan laktozu azaltılmış süt üretimidir. Bu proseste laktaz enzimleri yoğun olarak kullanılmaktadır. Aspergillus oryzae kaynaklı galaktozidaz, laktozun glukoz ve galaktoza hidrolizini katalizleyen temel enzimdir. Laktozun glukoz ve galaktoza hidrolizi, gıda teknolojisi ve beslenme açısından önemlidir.Bu çalışmada, sürekli sistemde laktozu azaltılmış süt üretimde kullanılmak üzere yüksek performanslı enzim tutuklu dolgulu kolon reaktör tasarımı amaçlanmıştır.İlk aşamada ß-galaktozidaz'ın reçineye (Duolite A568) adsorpsiyonu incelenerek sonuçlar matematiksel olarak değerlendirilmiş; Langmuir ve Freundlich izotermleri ile modellenmiştir. Denge verileri adsorban yüzeyinin homojenliğini ifade eden Langmiur izotermine uyduğunu göstermiştir. Langmiur izoterminde maksimum adsorpsiyon kapasitesi 'de olarak saptanmıştır. Enzimin reçineye adsorpsiyon mekanizmasının açıklanması için pseudo-birinci derece ve pseudo-ikinci derece kinetik modelleri test edilmiş ve adsorpsiyon prosesinin ikinci derece kinetik modele uyduğu belirlenmiştir.İkinci aşamada enziminin zayıf bazik karakterde reçine üzerine tutuklama parametreleri belirlenmiş ve optimum tutuklama parametreleri; başlangıç enzim derişimi , tutuklama süresi , tutuklama 'sı ve tutuklama sıcaklığı olarak elde edilmiştir.Kinetik parametreler serbest enzim için sırasıyla 73.96 ?mol/dk enzim ve tutuklu enzim için sırasıyla tutuklu enzim olarak bulunmuştur. Tutuklama ile enzimin değerinin arttığı görülmektedir. Thiele modülü ve etkinlik katsayıları hesaplanmıştır. Partikül büyüklüğünün artması ile Thiele modülünün 1.23'den 1.50'a arttığı ve diğer yandan etkinlik katsayısının ise 0.91'den 0.87'e azaldığı saptanmıştır.Partikül büyüklüğünün, oranına ve akış hızına, enzim tutuklu dolgulu kolon reaktör kinetiği üzerine etkisi uyarı-cevap ve moment teknikleri ile incelenmiştir. Sonuçlar kolon Peclet sayısı, eksenel dağılım katsayısı, dönüşüm hızı, Damköhler sayısı ve reaksiyon hız sabiti değerleri hesaplanarak açıklanmıştır. Bu veriler doğrultusunda hazırlanacak enzim tutuklu dolgulu kolon reaktör sisteminde kullanılması uygun olan partikül büyüklüğü, kolon oranı ve akış hızı sırasıyla; 390 mm, 10 ve olarak belirlenmiştir.Çalışmanın son aşamasında hazırlanan enzim tutuklu dolgulu kolonun performansı süt örneği kullanılarak test edilmiştir. Enzim tutuklu dolgulu kolon reaktör ile sütteki laktozdan dönüşüm elde edilmiştir.

Soluble or immobilized form of enzymes are used in food industry for different purposes. Their supplement from aboard firms with high prices and their limited usage due to their soluble form highly increases the operational cost of the process. One of the area in which enzymes are consistently used is the production of low lactose milk production, which is also widely produced in our country. In this process, mainly lactase enzymes are being used. Aspergillus oryzae galactosidase, is the main enzyme that catalyses the hydrolysis of lactose to glucose and galactose. The conversion of lactose to glucose and galactose is very important from food technology and nutrition point of view.In this study, it was aimed to use the production of low lactose milk production and to design a packed bed reactor that will achive high conversion ratio in continious systems.In this step, adsorption of ß-galactosidase onto basic resin (Duolite A568) were modeled with the Langmuir and Freundlich isotherm as the results were evaluated the mathematical description of the adsorption equilibrium. The equilibrium data fitted well with the Langmuir model which demonstrated the homogeneity of the surface of the adsorbent. The maximum adsorption capacity was found to be 0.051 mg/g resin from the Langmuir isotherm model at 35 ºC. Furthermore adsorption was kinetically modeled to explain the mechanism of adsorption and to determine the rate of the adsorption process. Two different kinetic models were tested and the adsorption process of the enzyme was explained best with the pseudo-second-order kinetic model.Immobilization parameters of enzyme on weak base ion exchange resin was determined and optimum immobilization parameters were obtained as; initial enzyme concentration , immobilization time , immobilization and immobilization temperature .Kinetic parameters of were calculated as 73.96 ?mol/dk mg respecitvely for free enzyme, and 54.07 ?mol/dk mg respecitvely for immobilized enzyme. It can be seen that was increased by immobilization. Also Thiele modulus and effectiveness factor for enzyme-immobilized particles of different sizes were calculated. It was determined that increasing particle size from 390 mm to 475 mm lead to an increase in Thiele modulus from 1.23 to 1.50 and a decrease in effectiveness factor from 0.91 to 0.87.The effects of particle size, ratio and flow rate on enzyme immobilized packed bed column kinetics were determined by using stimulus-response and moment techniques. The results were explained by calculating of Peclet number, axial dispersion coefficient, conversion rate, Damköhler number and reaction rate. According to these results, the particle size, ratio and flow rate appropriate for this system were determined as 390 mm, 10 and , respectively.Prepare results of this study, performance of enzyme immobilized packed bed reactor was tested with milk sample. It was obtained 55% conversion of lactose from milk with enzyme immobilized packed bed reactor