Enzymatic Oxidative Polymerization of Phenol and Modelling the Reaction Kinetics

Abstract

Fenol'ün enzimatik oksidatif polimerleşme reaksiyonu %10 organik faz(Aseton- Su) ortamında, oda sıcaklığında ve kesikli bir reaktörde gerçekleştirilmiştir.Polimerleşme reaksiyonunu başlatmak için Trametes versicolor (ATCC 20080)'denelde edilen lakkaz enzimi kullanılmıştır. Önerilen tez aşağıdaki üç temel aşamadanoluşmuştur.1. Aşama: Polimerleşme reaksiyonunu maksimum başlangıç reaksiyonhızını veren optimum koşulların belirlenmesi için Design Expert 6.0 paket programıdeneme sürümü kullanılmıştır. Başlangıç reaksiyon hızını etkileyen parametreler vebaşlangıç reaksiyon hızı üzerinde en etkin olduğu aralıklar ortam pH'sı (3-7),monomer derişimi (100-1000 ppm ) ve sıcaklık ( 30-45 oC ) program değişkenleriolarak belirlenmiştir.2. Aşama: Belirlenen parametre aralıkları paket program ara yüzeyineişlenerek program tarafından önerilen 20 deney gerçekleştirilmiş ve elde edilensonuçlar kullanılan program ile istatistiksel yöntemler yardımı iledeğerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar neticesinde maksimum başlangıçreaksiyonu için pH, sıcaklık ve monomer derişimi sırasıyla 7, 37.5 oC ve 550 ppmolarak bulunmuştur.3. Aşama: Başlangıç reaksiyon hızını çok substratlı bir kinetik modelcinsinden belirlemek için sabit sıcaklık ve pH'da ancak farklı fenol ve çözünmüşoksijen derişimlerinde deneyler yapılmıştır. Veriler SYSTAT 10 paket programıdeneme sürümü kullanılarak değişik enzim kinetiği ifadelerinin ikilikombinasyonlarıyla oluşturulan etkileşimli modellerde sınanmıştır. En uyumlumodelin fenol ve çözünmüş oksijene göre Michaelis-Menten kinetik ifadesi olduğuyapılan istatistiksel analizler sonucunda belirlenmiştir. Kinetik modele aitbiyokinetik katsayılar ve değerleri sırasıyla Vmax= 0.9x10-6 molÇ.O/lt.dak, Kf = 0.7x10-3 M ve KO2 = 0.028x10-3 M olarak hesaplanmıştır.Enzimatik polimerleşmereaksiyonunun aktivasyon enerjisini belirlemek için 5 farklı sıcaklıkta deneylergerçekleştirilmiştir. Elde edilen verilerden her sıcaklık için reaksiyon hız sabitlerihesaplanmış ve Arrhenius eşitliğinden yararlanarak reaksiyonun aktivasyon enerjisi21.175 kJ/mol olarak hesaplanmıştır.Anahtar kelimeler: Enzimatik polimerizasyon, Fenol, Lakkaz, Reaksiyonkinetiği, Yüzey cevap yöntemi.iEnzymatic oxidative polymerization of phenol has been conducted in 10 %acetone-buffer solution at room temperature in a batch reactor. Laccase enzymederived form Trametes versicolor (ATCC 20080) has been used as enzyme catalyst.The thesis comprised of three sub-divisions.1. Step: Design-Expert 6.0® trial version has been utilized to optimize themedium conditions for maximizing the initial polymerization reaction rate. Mediumtemperature (30-45 ºC) and pH (3-7) and phenol concentration (100-1000 ppm)were chosen as the parameters which were considered most effective on the initialreaction rate.2. Step: 20 runs evaluated by the program conducted and obtained resultsstatically analyzed through Design-Expert 6.0 trial version. The optimum mediumtemperature, pH and phenol concentration were determined to be 37.5 oC, 7 and 550ppm respectively.3. Step: Successive runs were conducted at constant medium pH andtemperature with varying phenol and dissolved oxygen concentrations to expressthe initial reaction rate in terms of double substrates. The monitored initial reactionrates at varying phenol and dissolved oxygen concentrations were processed throughSystat 10® trial version by utilizing double combination of common enzyme kineticsexpressions. The best model obtained with a very good regression coefficient (R2=0.98) after ANOVA analysis was product of phenol and dissolved oxygenconcentrations of Michaelis-Menten kinetics. The bio-kinetic constants in the modelwere evaluated as follow; Vmax= 0. 9x10-6 molÇ.O/lt.min, Kf = 0.7x10-3 M and KO2 =0.028x10-3 M. The activation energy of the enzymatic polymerization reaction wasevaluated from the Arrhenius equation by calculated the rate constant at 5 differenttemperatures. The activation energy of the reaction was obtained to be 21.175kJ/mol.Key words: Enzymatic polymerization, Phenol, Laccase, Reaction kinetics,Response Surface methodology (RSM)iii