Tekstil Atık Sularında Bulunan Boyarmaddelerin Renginin Enzimler

B. Aksoy
Tekstil Atık Sularında Bulunan Boyarmaddelerin
Renginin Enzimler ile Giderilmesi Kinetiği
* Öğr.Göıv Kuddis Büyükakıllı ÖZET
Endüstrinin her alanında olduğu gibi atıksu arıtma sistemlerinde de enzim kullanımı gittikçe artan bir
şekilde yaygınlaşmaktadır. Enzim reaksiyonları mevcut ortam koşullarına çok duyarlı olduğundan, tepkime
kinetiği de çok özel bir önem kazanmaktadır. Enzimler ile ilgili olan kinetik parametreler şunlardır: enzimatik
reaksiyonların hızı üzerine scaklık ve pH'm etkileri, substrat ve enzim konsantrasyonlarının etkileri, MichaelisMenten bağıntısı, ilk hız, Michaelis-Menten sabiti, maksimum hız, katalitik hız sabiti, özgül substrat
konsantrasyonu, katalitik (kinetik) verim, fizyolojik verim ve kimyasal oksijen uzaklaştırılması. Bu çalışmada
özellikle enzimler ve atıksularda bulunan tekstil boyarmaddeleri arasındaki reaksiyon kinetiği incelenmiştir.
Atık sulardaki biyokimyasal proseslerin tasarlanması sırasında yapılacak hesaplamalar için gerekli olan tüm
parametreler bir arada değerlendirilmiştir. Enzimatik renk giderimi yapılan tekstil terbiye işletmeleri renkli
atık sularında bulunan kinetik değerler karşılaştırılarak, araştırmacılar için derli toplu bir kaynak
oluşturulmuştur.
Anahtar Kelimeler: Tekstil, Atıksu, B o y a r m a d d e , E n z i m , K i n e t i k , R e n k g i d e r i m i
Kinetic of Decolorization Dyestuff by The Enzymes at The Textile Effluent
ABSTRACT
Using enzymes is widespread increasingly at the efluent treatment systems like ali industry areas.
Since enzyme reactions is highly sensitive to incubation conditions, enzyme reaction kinetic calculations are
very important. Kinetic parameters relation to enzymes are effect of pH, temperature substrate and enzyme
concentration on the decolorizing, Michaelis-Menten equation, primary velocity, Michaelis-Menten constant
maximum velocity, catalytic velocity constant, specific substrate concentration, catalytic (kinetic) yield,
physiologic yield and chemical oxygen demand. In this study, it is investigated that reaction kinetics betvveen
enzymes and textile dyestuffs at the efluent especially. Ali parameters necessary are evaluated for calculations
during designing biochemical processes at the efluent. It is carried out a presentable reference document for
resourcers by comparing kinetik parameters present colored efluent, using enzymatic decolorizing from textile
fmishing dyehouse.
Key Words: Textile, Effluent, Dyestuff, Enzyme, Kinetic, Decolorization * Öğr. Gör.
Kuddis Büyükakıllı, 0324 6254515 kbuyukakilli@mersin.edu.tr
1
Tekstil Atık Sularında Bulunan Boyarmaddelerin Renginin Enzimler ile Giderilmesi Kinetiği Giriş
Tekstil endüstrisinden deşarj edilen atık su hem hacım olarak ve hem de atık kompozisyonu olarak
bütün endüstriyel sektörler arasında en kirletici atık olarak kabul edilir (Yandeviere v.d., 1998). Kimyasal
kinetik, kimyasal reaksiyon hızlarını ve bu hızlara, proses değişkenlerinin etkilerini inceler. Proses
değişkenleri ısı, basınç ve reaksiyona giren bileşiklerin derişimleridir (Groggins, 1977). Enzimlerle
katalizlenen reaksiyonların hızlarını etkileyen etkenlerin incelenmesi enzim kinetiğinin konusudur ve en
önemli etkenler enzim ve substrat konsantrasyonu, pH ve sıcaklıktır. Pratik amaçlar nedeniyle genellikle
aktivite terimi yerine konsantrasyon kullanılır (Erarslan, 1997).
Enzimlerle boyaların renginin giderilmesinde başlangıç renk giderme hızları, boyaların fenolik
halkalarmdaki gruplara bağlıdır (Abadulla v.d., 2000). Spektral değişimlerindeki farklılıklar temelinde farklı
kimyasal yapılardaki boyalar gayet benzer kinetik eğriler gösterir Podgornik v.d., 1999). Katalizleme
reaksiyonu substrattan bir elektron çekilmesi olayından ibaret olduğu için oksitlenen grubun elektron
yoğunluğu seviyesi substratm oksidasyon hızını belirlemede anahtar bir rol oynar (Garzillo v.d., 1998).
Moleküller yalnızca birbirlerine değdikleri durumlarda reaksiyona girebilirler. Bundan dolayı
tepkimeye giren maddelerin derişimleri veya sıcaklığın artması gibi çarpışma hızını arttıran herhangi bir faktör
reaksiyon hızını arttıracaktır. Ancak tüm çarpışan moleküller tepkimeye girmez. Bu sterik nedenlerle tüm
çarpışmalar, moleküllerin belli gruplarının özellikle karmaşık tepkenler durumunda birbirine temas etmemesi
ile açıklanabilir. Daha ileri ve önemli bir neden, çarpışan tüm moleküllerin tepkimeye girecek yeterlilikte
enerji içermemeleridir. Bir tepkimenin yürümesi için, çarpışan moleküller aktivasyon enerjisi olarak bilinen
bir potansiyel engeli aşacak düzeyde enerji içermelidir (Palmer, 1994). Enzim aktivitesini ve stabilitesini
etkileyen temel fiziksel faktörler pH ve ısıdır (Fullbrook, 1996).
Bir katalizör, bir kimyasal tepkimeyi onun boyutunu değiştirmeden hızlandırır ve tepkimenin son
ürününden değişmemiş olarak uzaklaştırılabilir. Katalizör hiçbir termodinamik etkiye sahip değildir. Çoğu
durumlarda bir katalizör, aktivasyon enerjisini düşürecek şekilde rol alır (Palmer, 1994).
Kinetik, tepkime hızlarının ve bunları etkileyen faktörlerin incelenmesidir. Bütün kinetik çalışmalar,
kütlelerin etkisi yasası üzerine kurulmuştur. Pratik amaçlar için aktivite terimi yerine derişim terimi kullanılır
(Palmer, 1994).
Birinci dereceden bir tepkime, bu tepkenin derişimleriyle orantılı bir hızla yürüyen bir tepkimedir.
İkinci dereceden bir tepkime, iki tepkenin derişimi ile veya tek bir tepkenin derişiminin ikinci kuvvetiyle
orantılı bir hızla yürüyen bir tepkimedir. Sıfırıncı dereceden bir tepkimede ise tepkimenin hızı reaksiyona giren
maddelerin derişimlerinden bağımsızdır (Palmer, 1994)
Enzimatik reaksiyonların hızı üzerine pH'nın etkisi
Enzimatik kataliz üzerinde pH'nm etkisini tam olarak açıklamak mümkün değildir. Enzimin aktif
bölgesi, buraya substrat bağlanmasını ve reaksiyonun katalizlenmesini mümkün kılacak bir iyonik biçimde ya
da iyonik gruplardan oluşacak bir düzenleme verecek bir şekilde oluşmuştur. pH'daki değişmeler bu
2
Tekstil Atık Sularında Bulunan Boyarmaddelerin Renginin Enzimler ile Giderilmesi Kinetiği
iyonlaşabilen gruplarda ve dolayısıyla konformasyonel yapıda değişikliğe neden olarak katalizin hızını
etkileyebilir. Bunun dışında substrat molekülü de iyonlaşabilen gruplar içerebilir, ya da substratm sadece bir
iyonlaşabilen şekli enzime bağlanarak katalize uğrayabilir. Bu da reaksiyonun hızını etkiler. Katalitik
mekanizmada işlevsel olan grupların iyonizasyonundaki değişiklikler mekanizmayı tamamen bozarak geri
dönüşümsüz (irreversibl) inaktivasyonlara da neden olabilir Eraslan 1997). Enzimler protein yapısında
olduklarından pH amino asidlerin iyonizasyon durumunu etkilemekte ve bütün aktiviteyi kontrol etmektedir
(Fullbrook, 1996).
pH, vmaks üzerinde gerçek iki yönlü bir etki yapar. pH'daki bir değişim enzimin stabilitesini de
etkileyebilir. Onun protein yapısını geri dönüşümsüz olarak denatüre eder ve böylece enzim aktivitesini kalıcı
olarak kaybeder (Fullbrook, 1996).
Enzimatik Reaksiyonların Hızı Üzerine Sıcaklığın Etkisi
Kimyasal reaksiyonların çoğunun hızı sıcaklığın artması ile artar. Sıcaklıktaki artış reaktant
moleküllere daha fazla kinetik enerji sağlar, bu da birim zamanda daha fazla sayıda üretken çarpışmayla
sonuçlanır. Enzim katalizi i reaksiyonlar da benzer tarzda davranırlar.
Enzimler kompleks protein molekülleridir ve bir enzimin tersiyer yapısının korunmasında öncelikle
çok sayıda mevcut olan non-kovalent etkileşimler etkilidir. Pratik anlamda enzim molekülü çok yumuşak ve
kırılgan bir moleküldür. Eğer molekül çok enerji absorblarsa tersiyer yapı bozulur ve enzim molekülü
denaturasyona uğrar, yani katalitik aktivitesini yitirir. Dolayısıyla sıcaklık artışıyla enzim ve substrat
moleküllerinin çarpışmasının artması sonucu reaksiyon hızındaki artış denatürasyon hızındaki artma nedeniyle
istenen düzeyde olmayacaktır.
Bir enzimin gerçek optimum sıcaklığı, enzimin farklı sıcaklıklarda arzulanan deneme süresi kadar
birkaç kez ön inkübasyondan sonra denatürasyona neden olmayacak kadar düşük bir sıcaklıkta aktivitesinin
ölçülmesiyle tayin edilir (Erarslan, 1997).
Enzimatik reaksiyonların hızı üzerine substrat derişiminin etkisi
Sabit bir enzim konsantrasyonu için, reaksiyon ilerledikçe mevcut olan substrat, reaksiyon hızında
yardımcı bir sınırlayıcı faktör olmaktadır. Böylece reaksiyonun ilk hızı üzerine substrat
konsantrasyonunun etkisine bakmak önem kazanmaktadır. Başlangıç peıyodundaki ilk hız ölçümü, ilk
hız başlangıç substrat konsantrasyonunun bir fonksiyonu olduğundan bir eğri elde edilmesini sağlayacaktır.
Bu eğrinin şekli çok önemlidir ve önemli bilgiler verir. Substrat konsantrasyonunun Menten sabitine eşit
olduğu reaksiyon hızı l/2vmaks'dır.
Enzim, substrat ile doyurulduğu zaman, yani yüksek substrat konsantrasyonunda maksimum
reaksiyon hızı sağlanır. Fazla yüksek ya da fazla düşük olmayan substrat konsantrasyonlarında kcat = Km
olur. Km değerleri hızlı bir dönüşüm için en iyi substrat konsantrasyonunu belirlemeye yardımcı olur.
3
Tekstil Atık Sularında Bulunan Boyarmaddelerin Renginin Enzimler ile Giderilmesi Kinetiği
Enzimatik reaksiyonların hm üzerine enzim miktarının etkisi
Enzimatik
reaksiyon
hızı
daima
enzim
konsantrasyonu
ile
ilgilidir.
Düşük
substrat
konsantrasyonlarında enzim serbest durumda bulunur (Fullbrook, 1996).
Reaksiyon başlangıç hızı enzim konsantrasyonu ile doğru orantılıdır ve artan substrat
konsantrasyonuyla da bir maksimum sınır hıza kadar non-lineer olarak artar.
Michaelis-Menten bağıntısı
Michaelis-Menten hız bağıntısı, reaksiyonun başlangıç hızının enzim konsantrasyonu ile doğru
orantılı olduğunu, fakat artan substrat konsanrasyonuyla da bir maksimum sınır hıza kadar lineer olmayan bir
şekilde arttığım gösterir.
v
_ Vn,aJS3
Km +[5]
0)
Bu denklemde [S]: substrat konsantrasyonu, v: başlangıç hızı (substratm % 5'inden daha fazla
tüketilmediği hal için söz konusudur), vmaks: maksimum hız ve Km: Michaelis (enzim kinetiği) sabitidir.
[S] = Km
(2)
olduğunda 1
V=
2 Vm"ks
(3)
olur.
İlk lıız (v)
Reaksiyon hızı başlangıç anında sabit olabilir. Reaksiyon devam ettiği sürece reaktantlarm
konsantrasyonlarının azalmasıyla azalır ve reaksiyon sonunda sıfıra iner (Erarslan, 1997). Bu noktada ya bütün
tepkenler ürüne çevrilir veya daha genel olarak ileri tepkimenin hızı geri tepkimenin hızına eşit olur. Bu
durumda kimyasal dengeye ulaşılır. Reaksiyonun başında ürün mevcut olmayacağından geri tepkime yer
almayacaktır. İlk hız reaksiyona giren maddelerin ilk derişimlerine bağlıdır (Palmer, 1994). Başlangıç hızı (v),
t = 0 anındaki reaksiyon hızı olup, substrat konsantrasyonunun zamana göre değişimi grafiğinde çizilen eğride
t = 0 noktasındaki teğetin eğimi ile belirlenir. Buna göre
dC
v=_
,4)
İlk hızın önemi, reksiyon için kinetik parametre olmasından ileri gelir. Başlangıç anında herhangi bir
reaktantm konsantrasyonu ortama eklendiği miktar olarak bilinir. Bu anda henüz ürünler oluşmadığından
tersinir bir reaksiyn da söz konusu olamaz. Başlangıç hızı reaktantlarm başlangıç konsantrasyonlarına bağlıdır
Reaksiyon başlangıç hızı maksimum hızı aşamaz
İlk hız (v) ile substrat konsantrasyonu [S] arasında hiperbolik bir ilişki vardır. Artan [S] değerlerine
karşılık gelen v değerleri bu hiperbol üzerinde üç farklı bölge oluşturur. Çok düşük substrat
4
Tekstil Atık Sularında Bulunan Boyarmaddelerin Renginin Enzimler ile Giderilmesi Kinetiği
konsantrasyonlarına karşılık gelen bölgede hız substrat konsantrasyonu ile doğru orantılıdır ve bu bölge birinci
dereceden kinetiğin geçerli olduğu bölgedir. Hız bağıntısı şöyledir:
^l = v = ^-[S] = k[S]
dt Km
(5)
Burada k birinci derece hız sabitidir ve birimi dak"1 'dir. Fiziksel anlamı birim zamanda ürüne dönüşen
substrat fraksiyonunu belirlemesidir. Örneğin k = 0,02 dak"1 ise herhangi bir anda mevcut substratm dakikada
ürüne dönüşen miktarı % 2'dir.
Çok büyük substrat konsantrasyonlarına karşılık gelen bölgede ise hız substrat konsantrasyonundan
bağımsız olduğundan sıfırmcı dereceden kinetik vardır. Bunun hız bağıntısı ise şöyledir:
v=vmats
(6)
Ara substrat konsantrasyonlarına karşılık gelen bölgede ise kinetik ne birinci ne de sıfırmcı
derecedendir (Erarslan, 1997).
Sabit toplam enzim derişiminde artan substrat derişimleri ile maksimum ilk hızın elde edlmesi bütün
enzimler için karakteristikdir. İlk hızı tesbit etmek için sabit bir sıcaklık ve pH'da tepkimenin yürüyüşü
devamlı olarak otomatik bir şekilde izleyen yöntemlerle yapılır. Eğer belirli bir dalga boyunda substrat ve ürün
arasında ışığın soğurulmasmda bir fark varsa, spektrofotometrik teknikler kullanılabilir.
5
Tekstil Atık Sularında Bulunan Boyarmaddelerin Renginin Enzimler ile Giderilmesi Kinetiği
V = vmaks olduğunda Km = [S] olur. Bundan dolayı Km, 1/2 vmaks'a eşit ilk hızı veren [S] değeridir.
Vmaks ortamda mevcut olan enzim toplam derişimi ile değişir; fakat Km enzim derişiminden bağımsızdır
(Palmer, 1994).
Michaelis-Menten sabiti (Km)
Enzim kinetiğinde Km'in nümerik değerinin belirlenmesi birkaç nedenden dolayı çok önemlidir. Km
değeri bir enzim için karakteristik bir sabittir, onun nümerik değeri enzimlerin farklı mikroorganizmalardan,
ya da aynı organizmanın farklı dokularından olup olmadığı veya farklı gelişim kademelerindeki aynı
dokulardan olup olmadığı hakkında fikir verir. Buna göre bir enzimin başka bir enzim ile özdeş olup olmadığı
ya da aynı reaksiyonu katalizleyen farklı proteinler olup olmadığı belirlenebilir.
Eğer bir enzimin Km değeri bilinirse deney koşullan belirlenebilir. Km değeri belirli bir enzimin
substrat özgüllüğü hakkında fikir verir. En düşük Km değerini veren substrat enzim için en yüksek görünür
aktiviteyi gösterir. Enzim için en iyi substrat vmaks / Km oranı en yüksek olan substrattır (Erarslan, 1997).
Enzimatik işlemlerde substratm fizikokimyasal özelliklerini gösteren Km değeri, Lineweaver- Burk
diyagramından da bulunabilir (Kim v.d., 1999).
Km bir substrata bir enzimin ilgisinin ölçüsüdür. Düşük bir Km değeri yüksek ilgiyi ve yüksek bir Km
değeri düşük bir ilgiyi gösterir (Fullbrook, 1996).
Maksimum hız. (vmaks)
vmaks gerçek bir sabit değildir ve denemelerdeki enzim konsantrasyonuna bağlı olarak değişir
(Rajamohen N. v.d., 2004) Aslında vmaks'a sonsuz substrat derişiminde ulaşılır (Palmer, 1994).
Km ve vmaks değerleri grafik olarak 1 Km
+[5]
bağıntısından hesaplanır. Bu bağıntı doğru denklemi şeklinde düzenlenirse
1 K,„ ı ı
— = — x — + -V vmala [S] vmah
f8)
bağıntısı elde edilir. Bu bağıntıda 1/v'ye karşı 1/[S] grafiği çizildiğinde, eğimi Km/vmaks, 1/v ekseni
üzerndeki kesim noktası 1/vmaks olan lineer bir doğru elde edilir. Doğrunun 1/[S] ekseni üzerndeki kesim
noktası -1/Km'dir. Bu denkleme Lineweaver-Burk Denklemi, diyagrama da Lineweaver-Burk Diyagramı
denir. Bu diyagramın sağlıklı bir şekilde oluşturulması için [S] değerleri
0,33-2,0 Km arasında seçilmelidir. Eğer seçilen substrat konsantrasyonları Km'ye kıyasla çok yüksek
ise (örneğin 3,3-20 Km gibi) 1/v'ye karşı 1/[S] grafiği çok yatay olacaktır. Bu durumda vmaks belirlenebilir
fakat diyagramın eğimi sıfıra yakın olduğundan Km değerini duyarlı olarak belirlemek güçleşir. Substrat
konsantrasyonu Km'ye göre çok küçük seçilirse (örneğin 0,033-0,2 Km gibi) doğru her iki eksende de orijine
çok yakın yerlerde kesim noktaları verecektir. Bu durumda vmaks ve Km'nin duyarlı olarak tayini
güçleşecektir. Zira çok düşük substrat konsantrasyonlarında reaksiyon esasen birinci mertebedendir ve
6
(11)
enzimin
andıran bir
durum
söz konusu
değildir.Kinetiği
Dolayısıyla vmaks ve Km değerleri
Tekstil
Atıksubstratla
Sularında doygunluğunu
Bulunan Boyarmaddelerin
Renginin
Enzimler
ile Giderilmesi
sonsuza yakın görünecektir.
Diğer taraftan, bir enzim-substrat sisteminin, bir [S]l konsantrasyonundaki vl hızı ve bir [S]2
konsantrasyonundaki v2 hızı biliniyorsa
(9)
" v^-v.m,
elde edilir. Bu şekilde bulunan Km değeri, V2 ya da vı için, Michaelis-Menten bağıntısında yerine konularak
vmaks hesaplanır (Erarslan, 1997). Bir mikroorganizmanın enzimlerinin bir substrat için
Km ve kcat sabitleri bağıl oksidasyon hızları ile ilgili iyi bir göstergedir (Garzillo v.d., 1998). v
maks
[ıS*]
Kinetik sabitlerin belirlenmesinde, Hanes-Woolf, Woolf-Augustinsson-Hofstee ve Eadie- Scathard
çizimleri de kullanılabilir (Erarslan, 1997). Reaksiyon maksimum hızı, reciprocal vmaks- substrat
konsantrasyonu diyagramından bulunabilir (Kim v.d. 1999). Maksimal reaksiyon hızı LiP aktivitesine sıkı
sıkıya bağlı ve boya konsantrasyonuna bağlı değildir (Podgornik v.d. 1999).
Katalitik hız sabiti (kcat)
Katalitik hız sabitine, "turn-over" sayısı ya da moleküler aktivite de denir. Tanımlanması ise birim
miktardaki enzim başına birim zamanda oluşan ürün miktarı şeklinde yapılır (Erarslan, 1997, 9]. Diğer bir
deyişle kcat her birim zamanda katalistin yeniden kullanım sayısını ifade eder ve bu enzim döngü sayısı olarak
da bilinir. Yüksek döngü sayısı yüksek enzim aktivitesi demektir. Bu Km'in ve substrat konsantrasyonunun
değişik bir halidir, kcat değerleri saniyede binlerle ifade edilcek kadar yüksek olabilir (Fullbrook, 1996).
Enzimatik renk gideriminde substratların fizikokimyasal özelliklerini belirleyen bu sabit LineweaverBurk diyagramından bulunabilir (Kim v.d. 1999). Bu sabit, birim zamanda her enzim molekülünün ürüne
çevirebildiği substrat moleküllerinin maksimum sayısını ifade eder. Çoğu enzimler için dönüşüm sayısı
saniyede 1-10^ aralığında yer alır (Palmer, 1994). Eğer enzim konsantrasyonu [E] biliniyorsa katalitik hız
sabiti aşağıdaki bağıntılardan hesaplanır.
v
(14)
7
(11)
Tekstil Atık Sularında Bulunan Boyarmaddelerin Renginin Enzimler ile Giderilmesi Kinetiği
^ [ E] [ S]
Jr —
Maks
v.[ E ]
maks
(12)
Enzim preparasyonlarmda enzimin etkin molar konsantrasyonu bilinmez. Bu nedenle mevcut olan enzim
miktarı sadece enzim aktivitesi şeklinde ifade edilir. Uluslararası SI sisteminde enzim aktivitesi saniyede 1
mol substratm ürüne dönüşümünü katalizleyen enzim miktarı olarak tanımlanır. Buna bir katal (kat) denir. 1
International Unit (IU) ise belirli koşullar altında 1 dakikada 1 ®'3fmol ürün oluşumunu katalizleyen enzim
miktarıdır.
1 katal = 6.107 IU
dur.
Özgül substrat konsantrasyonu [S']
Enzimatik bir reaksiyonun hızı substrat konsantrasyonundan çok onun Km'e olan oranına bağlıdır. Bu
orana özgül (spesifik) substrat konsantrasyonu ya da indirgenmiş substrat konsantrasyonu veya normalize
edilmiş substrat konsantrasyonu denir (Erarslan, 1997).
(13)
Endüstriyel durumlarda ılımlı substrat konsantrasyonu veya dönüştürülen substrat için düşük afmiteli
enzimler tercih edilir; diğer bir deyişle düşük bir [S] / Km değerine sahip sistemler kullanılır (Fullbrook, 1996).
Özgül reaksiyon hızı (v')
Herhangi bir [S] değerindeki başlangıç hızı (v) maksimum hızın (vmaks) bir fraksiyonu olarak ifade
edilebilir. Bu fraksiyona özgül hız ya da bağıl hız denir (Erarslan, 1997).
v
v
maks
(14)
8
(11)
Tekstil Atık Sularında
Boyarmaddelerin
Rengininkinetik
Enzimler
ile Giderilmesi Kinetiği
Tablo 1.Bulunan
Hipotetik
olarak bir enzimin
parametrelerinin
hesaplanması
Enzi
m
A
B
C
D
E
F
G
HI
Km
0,5.[S]
kcat
X
2X
0,5.[S]
o,5.rsı
ıox
0,25. [S] X 2X
0,25. [Sİ
0,25. [Sİ
ıox
X
0,05. rsı
0,05. [S] 2X
0,05. [S]
ıox
kcat
/ Km
2.[S]
4.rsı
20. [Sİ
4.[S]
s.rsı
40. [Sİ
20. rsı
40.
[S]
200.[S]
Katalitik (kinetik) verim
Endüstriyel açıdan enzimin her ünite miktarı için en hızlı reaksiyon vermesi arzu edilir. Çünkü
böylece katalistin ilave edilen minimum miktarı için maksimum etki sağlanır. Bu genellikle tüm proses
için en iyi sonucu verir. Bu koşullar altında her ünite enzim aktivitesi için en hızlı enzim döngüsü (kcat)
sağlanır. Endüstriyel durumlarda ılımlı substrat konsantrasyonu veya dönüştürülen substrat için düşük
afmiteli enzimler tercih edilir; diğer bir deyişle düşük bir [S] / Km değerine sahip sistemler kullanılır.
Katalitik verime maksimum dönüşüm hızı da denir (Fullbrook, 1996).
Kai
T
m
(15)
orantısı ile hesaplanır (Fullbrook, 1996).
Lineweaver - Burk diyagramı çizilerek enzim döngüsü kcat hesaplanıp ve buradan kinetik
verimlilik kcat / Km hesaplanabilir (Heinfılling v.d. 1998). Bir enzim-substrat kinetik değerleri çizelge
2.5'deki hipotetik tablodan da bulunabilir (Fulbrook, 1996).
Fizyolojik verim (Fulbrook, 1996)
Kat
İT
(16)
m
Enzim için en iyi substrat vmaks / Km oranı en yüksek olan substrattır (Erarslan, 1997)
v
(14)
9
Tekstil Atık Sularında Bulunan Boyarmaddelerin Renginin Enzimler ile Giderilmesi Kinetiği
COD Uzaklaştırılması
Bir boyahanene atıksuyunun kimyasal oksijen ihtiyacı (COD) 3200 mg/L biyokimyasal oksijen
ihtiyacı (BOD) 840 mg/L ve pH'ı 8,2'dir (Rajamohen 2006) Sabit sıcaklık koşulları altında enzimler veya
canlı biyokütleler tarafından substrat dönüşümü kinetik çalışmaları Michaelis-Menten bağıntısı yaygın
olarak uygulanmaktadır. Lineer olmayan oran ifadeleri olan iki model parametresi (Vm ve Km) enzim
aktivitesi (Eo) ve spesifik oranlar (kl, k2 ve k3) sıcaklığa bağlıdır.
dt Km [5] k_ı+k + [S]
(17)
K
Aşağıdaki bulunan (18) bağıntısı sıcaklık etkisinin analizinin uygunluğunu verir.
v = -LJ = -kM'"Sn
dt
(18)
Burada t, saat olarak inkübasyon süresini, M, mg kuru biyokütle/1 olarak biyokütle konsantrasyonunu, m,
biyokütle ile ilgili kısmi reaksiyon kademesini, S, mg/1 olarak atık suyun COD değerini ve n, onun kısmi
reaksiyon kademesini göstermektedir. Burada görülen k, mg1-n)1(m+n-l)/mgDCMmh birimindeki
spesifik COD uzaklaştırma değeridir. (DCM: Dry cellmass) bağıntısının, Km parameteresi olmadığı
zaman, Michaelis-Menten bağıntısının modifıye edilmiş bir modeli olarak kabul edilebileceği rapor
edilmiştir. Atık suyun COD'si ve inkübasyon süresi arasındaki ilişki n ile gösterilen kısmi reaksiyon
kademesine bağlıdır.
f s l ' " " , II-„)/,.«■
olduğu zaman,
(20)
5,
olur (Rajamohen v.d., 2006).
10
Sonuç
Tekstil atıkularmm aerobik yöntem ile arıtılması, aşırı çamur üretimi, havalandırma için enerji ihtiyacı
ve renk gideriminde yeteri kadar başarılı olamamsı gibi dezavantajlara sahiptir. Bu nedenle yüksek COD'ye
sahip tekstil endüstrisi atıksularında boyarmade gideriminde anaerobik şartlar daha etkin rol oynamaktadır.
Bunların performansları daha yüksek olmasına karşın, anaerobik koşullarda oluşan boyarmaddelerin
parçalanma ürünleri (aromatik aminler) tam olarak mineralize olamamkta ve canlılar için toksik etki meydana
getirmektedir (Kayıkçıoğlu v.d., 2006). Enzimatik renk gideriminde ise bu dezavantajların hiç birisi meydana
gelmemektedir. Tablo 2'de çeşitli enzim-substrat sistemlerinin kinetik parametreleri toplu olarak
gösterilmektedir.
Tablo 2: Çeşitli enzim-substrat sistemlerinin kinetik parametreleri
Enzim
Substrat
kat
s'1
Km nM
Kca/K
m
Referans
mM"'s4
Pleurotus ostreatus
Lakkaz I
Lakkaz II
Lakkaz I
Lakkaz II
Plıanerochaete chrysosporium LİP
4.65
LİP 4.15
LİP 3.85
LİP 4.65
LİP 4.15
LİP 3.85
ABTS
ABTS
RB 158
RB158
VA
VA
VA
VA,H202ile
VA, H2O2 ile
VA, H202 ile
16
178
46
25
58,6
16
235
3500
3900
325
986
759
13
7
180
21,4
28,9
58,5
21,8
29,2
333
123
235
198
127
640
240
249
110
230
Rodriguez.
v.d. 1998
Ollikka v.d. 1993
Geotrichum candidıım Peroksidaz
DyP
DyP
DyP DyP
RB 5
270
RB 5,H202 ile 270
AQ 2
270
AQ 2, H202 ile 270
HRP
RB 5
140
HRP
RB 5, H202 ile 140
Metoksifenol 115"
Trametes trogii Lakkaz
Dimetoksifenol 109a
Ferulik Asid
145a
ABTS
198a
RV 5
B. adusta MnP 1
RB 5
B. adusta MnP 1
RB 38
B. adusta MnP 1
P. eryngii MnPL 1 P. eryngii MnPLRV 5 RB 5 RB 38
1 P. eryngii MnPL 1 P. eryngiiRV 5
MtıPL 2
P. eryngii MnPL 2 P. eryngii MnPL RB 5 RB 38
54
480
26
1010
84 36 320 760
58
240
36
380
5,12b 22 c
0,4 lb 266 3625 Garzillo. v.d.
0,04b
1994
0,03b 6600
11
6
6
Heinfling. v.d.
16 4 8
1998
12
-
47
-
160
2
Bjerkandera adusta Peroksidaz
MnP İzoenzimleri
Bacillus
gordonae
benzeovoreus
Pseudomonas putida
Dimetoksifenol
(DMP)
Bacillus Tectilon Blue
5250"
4000d
600d
a
: dak"1, b:mM, c: mM"1. dak"1, d:mg/L
(TB4R)
11
Kim v.d. 1999
;
-
Heinfling. v.d.
1998
Ollikka v.d. 1993
Tekstil Atık Sularında Bulunan Boyarmaddelerin Renginin Enzimler ile Giderilmesi Kinetiği Kaynaklar
1.
Abadulla, E., Tzanov, T., Costa, S., Robra, K. H., Paulo, A. C. Ve Gübitz, G. M., "Decolorization
and Detoxification of Textile Dyes with Laccase from Trametes hirsuta. ", Applied and Environmental
Microbiology, 66 (8): 3357-3362, (2000).
2.
Erarslan, A., Enzim Kinetiği, Enzim Mühendisliğinde Temel Konular ve Uygulamalar.TÜBİTAK,
Marmara Araştırma Merkezi, (1997)
3.
Fullbrook, P. D., "PracticalLimits andProspects (Kinetics). ", Godfrey, T. ve West, S., "Industrial
Enzymology", Second Edition, Stockton Press,Neww York, 483-500(1996).
4.
Fullbrook, P. D., "Practical Applied Kinetics. ", Godfrey, T. ve West, S., Industrial Enzymology,
Second Edition, Stockton Press,Neww York, 483-500(1996).
5.
Garzillo, A. M. V., Colao, M. C., Caruso, C., Caporale, C., Celetti, D. ve Buonocore, V., "Laccase
from the White Rot Fungus Trametes trogii. ", Applied Micobiology and Biotechnology, 49 : 545551,(1998).
6.
Groggins, P. H., "Kimya Endüstrisinde Organik Prosesler 1 - Organik Sentezlerde Ünit Prosesler",
İnkılap ve Aka Basımevi, İstanbul, 627 s, (1977).
7.
Heinfling, A., Martinez, M. J., Martinez, A. T. , Bergbauer, M. Ve Szewzyk, U., "Purifıcation and
Characterization of Peroxidases from the Dye-decolorizing Fungus Bjerkandera adusta. ", FEMS
Microbiology Letters, 165:45-50, (1998).
8.
Heinfling, A., Martinez, M. J., Martinez, A. T., Bergbauer, M. Ve Szewzyk, U., "Transformation of
Industrial Dyes by Manganase Peroxidases from Bjerkandera adusta ve Pleurotus eryngii in a ManganeseIndependent Reaction.", Applied and Environmental Microbiology, 64 (8): 2788-2793, (1998).
9.
Kayıkçıoğlu G., Debik E., "Color Removal From Textile Wastewater with Anaerobic treatment
Process", Journal of Engineering and Natural Sciences, (2006)
10.
Kim, S. J. ve Shoda, M., "Purifıcation and Characterization of a Novel Peroxidase from
Geotrichum candidum Dec 1 Involved in Decolorization of Dyes.", Applied and Environmental
Microbiology, 65 (3): 1029-1035, (1999).
11.
Palmer, T., "Enzim Bilgisi" Bilimsel ve Teknik Yayınları Çeviri Vakfı, İstanbul, 527 s, (1994).
12.
Podgornik, H., Grgic, I. ve Perdih, A., "Decolorization Rate of Dyes Using Lignin Peroxidase of
Phanerochaete chrysosporium.", Chemospher, 38: 1353-1359, (1999).
13.
Rajamohen N., Karthikeyan C., "Kinetic Stusies of Dye Effluent Degradation by Pseudomonas
Stutzeri", Environmental Engineering Lab, Department of Science and Technology ofAnnamalai University,
(November 2006).
14.
Rajamohen N., Karthikeyan C., "Fungal Biodegradation of Dyehouse Effluent and Kinetic
Modeling", Environmental Engineering Lab, Department of Science and Technology ofAnnamalai
University, (November 2004).
12
15. Vandevivere, P. C., Bianchi, R. ve Verstraete, W., "Treatment and Reuse of Watewater from the Textile
Wet-Processing Industry", Review ofEmerging Technologies.", Chem. Technol. Biotechnol., 72 : 289-302,
(1998).
1) n 'nin yeterince daha büyük değerleri için v" olasılık vektörü bütün o değerleri için aynıdır ve değişmez.
2) Vrl = V " P ve V"+l = V" olduğundan Vi3 = V eşitliğini sağlayan bir V denge vektörü vardır.
V vektörü denge durumu koşullarını içeren olasılıkları kapsar.
* Bkz. Başbakanlık İnsan Hakları Danışma Kurulu "Azınlık Hakları ve Kültürel Haklar Çalışma Grubu"
Raporu,Ekim 2004.
*** Niegel S. Roudley, "Conceptual Problems in the Protection of Minorities:International Legal Developments",Human Rights
QuarterlyVol,17, Number 1, February 1995,s. 48.
*** Çiğdem Nas, "Avrupa Parlamentosu'nun Etnik Azınlıklara Bakışı ve Türkiye",Uluslararası Politikada Yeni Alanlar
Yeni Bakışlar(derleyen:Faruk Sönmezoğlu,(İstanbul:Der Yayınları, 1998),s.386.
***AB, aday ülke statüsünde iken Slovakya ile ilgili Komisyon raporlarında insan haklarıyla ilgili herhangi bir
maddeye yer vermemiştir.
**** Rıdvan Karluk, Avrupa Birliği ve Türkiye, (İstanbul:Beta Yayınları,2005),s.891.
13