FBE- Gıda Mühendisliği Lisanüstü Programı
Bu topluluk için Kalıcı Uri
Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı altında bir lisansüstü programı olup, yüksek lisans ve doktora düzeyinde eğitim vermektedir.
Gözat
Sustainable Development Goal "none" ile FBE- Gıda Mühendisliği Lisanüstü Programı'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeOzmotik membran distilasyon sisteminde galaktooligosakkarit sentezinin optimizasyonu ve kinetik modellenmesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021) Çınar, Kadir ; Güneş, Gürbüz ; Güleç, Hacı Ali ; 671453 ; Gıda MühendisliğiPrebiyotik etkili gıda bileşenleri, insan sağlığı üzerinde sağladıkları faydalı etkiler nedeniyle gıda endüstrisinde genişleyen bir pazar payına sahiptirler. Prebiyotik karbonhidratlar arasında galaktooligosakkaritler (GOS) en spesifik bifidojenik faktörler olarak tanımlanmışlardır. GOS'ler laktozdan β-galaktosidaz enziminin katalizlediği transgalaktosilasyon reaksiyonları ile sentezlenirler. Fakat GOS üretim sürecinde enzimin transgalaktosilasyon ve hidroliz reaksiyonlarını eş zamanlı katalizlemesi nedeniyle GOS sentez verimi düşük olmaktadır. GOS'nin enzimatik sentezi kinetik kontrollü bir reaksiyon olduğundan enzim kaynağı GOS verimi, laktoz dönüşümü, üretkenlik ve ürün komposizyonu gibi parametreleri etkilemektedir. Aspergillus oryzae kaynaklı β-galaktosidazın GRAS kapsamında olmasının yanında yüksek spesifik aktivite, yüksek sıcaklık dayanımı ve düşük maliyetli olması endüstriyel üretimde bu enzimi ön plana çıkarmaktadır. Fakat bu enzimin GOS sentezinde laktoz dönüşümü düşük olduğundan sürecin optimizasyonunun sağlanarak GOS sentez veriminin arttırılması önemli bir gerekliliktir. Bu kapsamda A.oryzae kaynaklı β-galaktosidaz enziminin katalizlediği GOS sentezinin yanıt yüzey yöntemi ile optimizasyonu ilk defa bu çalışmada ele alınmıştır. GOS sentez verimininin arttırılması amacıyla enzimatik GOS sentezi basınç destekli membran sistemleri ile entegre edilmeye çalışılmıştır. Özellikle ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon GOS üretim süreçlerine dahil edilerek enzim üzerinde inhibe edici etkileri olan glukoz ve galaktozun reaksiyon ortamından uzaklaştırılması hedeflenmiştir. Ancak bu sistemlerde hem ürün ve substrat kaybının meydana gelmesi hem de permeat akı değerlerinin hızlı bir şekilde azalması neticesinde GOS üretim süreçleri istenilen etkiyi gösterememiştir. Bu nedenle membran destekli ayırım süreçlerinin GOS sentez sürecine engtegrasyonunda yeni yaklaşımların denenmesine ihtiyaç vardır. Literatür incelendiğinde yüksek verimlilikte GOS sentezinin sağlanabilmesi için başlangıç laktoz konsantrasyonunun en önemli parametre olduğu görülmektedir. Buradan hareketle enzimatik reaksiyon ortam laktoz konsantrasyonunun süreç boyunca yüksek seviyede tutulmasının GOS sentez verimini arttıracağı düşünülmüştür. Bu fikir doğrultusunda enzimatik GOS sentez sürecine ozmotik membran distilasyon sisteminin engtegrasyonu sağlanmıştır. Ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyonun aksine ozmotik membran distilasyon yönteminde kullanılan yüksek hidrofobisiteye sahip mikro-gözenekli bir membran sayesinde enzimatik reaksiyon ortamından sadece suyun yüksek seçicilikle ayrımı sağlanarak reaksiyon ortamı süreç boyunca laktoz konsantrasyonu açısından daha konsantre bir hale getirilmiştir. Ayrıca, entegre sistemden substrat ve ürün kaybı olmamış ve başlangıç akı değerleri uzun süreler boyunca sabit ilerlemiştir. GOS sentez verimini arttırmaya yönelik sürekli karıştırmalı tip kesikli reaktör sürecinin ozmotik membran distilasyon sistemine entegresi sağlanan bu çalışma, reaktör tasarımı açısından literatürde daha önce çalışılmamıştır. Doktora tezi kapsamında ilk önce sürekli karıştırmalı tip kesikli reaktörde (reaktör-1) GOS sentez çalışmaları yapılmış ve süreç çıktıları yanıt yüzey yöntemi ile optimize edilmiştir. İkinci olarak ozmotik membran distilasyon sisteminde (reaktör-2) GOS sentez çalışmaları yapılmış ve süreç çıktıları yanıt yüzey yöntemi ile optimize edilmiştir. Son olarak her iki sistemde yanıt yüzey yöntemi ile elde edilen optimum reaksiyon koşullarında GOS sentezi gerçekleştirilmiş ve elde edilen reaksiyon verilerinin kinetik değerlendirilmesi yapılmıştır. Böylece ozmotik membran distilasyon sisteminin GOS sentezi reaksiyonunun kinetiği üzerine etkileri karşılaştırılmalı olarak incelenmiştir. Bu çalışmanın temel hedefi ozmotik membran distilasyon sürecinin entegrasyonu yapılan reaktör-2 sisteminde laktozdan enzimatik yolla elde edilen GOS sentez veriminin incelenmesidir. Tasarımı yapılan reaktör-2 sistemi çalışma mekanizması gereği literatürde GOS sentezi için kullanılan membranlı reaktörlerden farklı olduğundan elde edilen verilerin sağlıklı bir biçimde değerlendirilebilmesi için aynı reaksiyon koşullarında çalıştırılan reaktör-1 sisteminden sağlanan GOS sentez sonuçlarından yararlanılmıştır. Reaktör-1'de Box Benhken deney tasarımı ile belirlenmiş deney seti ile başlangıç laktoz konsantrasyonu (LC), enzim konsantrasyonu (EC) ve sıcaklık (T) reaksiyon parametrelerinin toplam GOS'ye (GY=GOS-3+GOS-4) etkisi incelenmiş ve GY değeri en düşük %8,47 ile en yüksek %26,92 arasında bulunmuştur. Reaktör-2'de aynı reaksiyon parametrelerinin GY'ye etkisi faktöriyel deney tasarımı ile incelenmiş ve elde edilen GY değerleri %18,7 ile %28,63 arasında saptanmıştır. Her iki reaktörde de ayrıca GOS-3 ve GOS-4 değerlerinin reaksiyon parametrelerine bağlı olarak değişimini ifade eden matematiksel modeller elde edilmiştir. Yanıt yüzey metodolojisi ile elde edilen matematiksel modeller süreç yanıtlarını başarılı bir şekilde tahminleyebilmiştir. Reaksiyon süresinin GOS birim maliyetini etkileyen önemli bir parametre olduğu düşünüldüğünde bu modeller yardımıyla hedeflenen GOS ürün kompozisyonunu en hızlı sağlayan deney koşulları önceden tahminlenebilecektir. Reaktör-2'de reaktör-1'e kıyasla reaksiyon verimi üzerine en fazla %20,1 düzeyinde artış elde edilmiştir. Reaktör-2'de yüksek başlangıç laktoz konsantrasyonlarında yüksek laktoz dönüşümlerinde yüksek GOS üretkenliği (GOSP) değerlerinin elde edilmesi enzimin transgalaktosilasyon aktivitesinin hidrolize oranla baskın olduğunu ifade etmektedir. Ayrıca yüksek laktoz dönüşümlerinde yüksek GOSP değerleri için düşük seviyede enzim konsantrasyonunun ve düşük reaksiyon sıcaklığının daha iyi sonuçlar sağladığı tespit edilmiştir. Kinetik değerlendirmeler sonucunda k5 ve k5/k-5 değerleri reaktör-2'de artmıştır. Bu durum reaktör-2'de transgalaktosilasyonun daha aktif rol oynadığını göstermektedir. Her iki reaktörde elde edilen benzer k3/k-3 oranına karşın reaktör-2'de tespit edilen yüksek k2 ve k5/k-5, reaktör-2'de yüksek seviyede E:Lak ve E:Gal kompleksi oluşumunun GOS sentez/GOS bozunması hızını olumlu yönde etkilediğini belirtmektedir. Bu açıdan ozmotik membran distilasyon sisteminin GOS sentezine önemli etkilerininden birinin enzimin laktoz ile daha fazla etkileşime girmesini sağlayarak reaksiyon ortamındaki E:Gal kompleksi konsantrasyonunu yüksek seviyede tutması olduğu söylenebilir. Ayrıca, reaktör-1 de glukoz inhibisyonu (k6/k-6), reaktör-2'de ise galaktoz inhibisyonu (k7/k-7) ön plana çıkmıştır. Reaktör-2'de reaktör-1'e kıyasla aynı laktoz dönüşümü değerlerinde hem daha yüksek GY değerleri elde edilmiş hem de bu süreç daha kısa sürede gerçekleşmiştir. Bu durum enzimin membranlı sistemde daha çok transgalaktosilasyon reaksiyonuna yönelmiş şekilde çalıştığı ifade etmektedir. Aynı zamanda reaksiyon ortamından uzaklaştırılan su enzimin GOS-4 oluşturma performasına olumlu yönde etki etmiştir. Sonuç olarak, reaktör-2 sistemi GOS sentezinin yanında sentezlenen reaksiyon ürünlerinin konsantrasyonunu da sağlaması nedeniyle endüstriyel GOS üretiminde rol alma potansiyeline sahiptir. Fakat bu sistemde görülen olumlu etkinin daha da arttırılabilmesi için enzim aktivitesinin de yüksek seviyede tutulması elzemdir. Çünkü ilerleyen reaksiyon sürelerinde enzimde aktivite kaybı yaşandığı tespit edilmiştir. GOS sentez veriminde görülen artışın daha da yükseltilmesi için yeni yaklaşımlar ile enzim aktivitesi üzerinde görülen monosakkarit inhibisyonunun hafifletilmesi gereklidir. Böylece membran destekli sürecin GOS sentez performansının daha da artacağı düşünülmektedir. Bu açıdan reaktör-2 sistemini geliştirmek üzere enzimin immobilizasyonunun sağlanarak nanofiltrasyon sisteminin de reaktör-2 sistemine entegrasyonunun yapılacağı bir bütünleşik süreç tasarımının verim artışına olumlu yönde etki edeceği düşünülmüştür.