SYNTHESIS OF EFFICIENT CARBONIC ANHYDRASE-FE-MOF COMPOSITE FOR ENHANCING CO2 CAPTURE. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis Final PDF.pdf Restricted to Repository staff only until 31 August 2026. Download (2MB)

Arabic Abstract

إن الزيادة المستمرة في تركيز غاز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، الناتجة بشكل رئيسي عن احتراق الوقود الأحفوري، تُعد تهديدًا بيئيًا خطيرًا وتتطلب تطوير تقنيات فعّالة للاحتجاز. يُعد إنزيم الكاربونيك أنهيدريز من الإنزيمات الفلزية المحتوية على عنصر الزنك، وقد جذب اهتمامًا واسعًا بفضل كفاءته العالية في تسريع عملية تميؤ غاز ثاني أكسيد الكربون. إلا أن استخدامه الصناعي يواجه تحديات تتعلق بعدم الاستقرار الحراري، وقصر العمر التشغيلي، وضعف القدرة على إعادة الاستخدام. تهدف هذه الدراسة إلى تثبيت إنزيم الكاربونيك أنهيدريز على إطار فلزي عضوي متوافق حيويًا من نوع "إن إتش تو - إم آي إل - مائة وواحد (حديد)"، وذلك من أجل تحسين استقرار الإنزيم وقابليته لإعادة الاستخدام في تطبيقات احتجاز غاز ثاني أكسيد الكربون. تم تحضير الإطار الفلزي العضوي بطريقة التحلل الحراري في المذيبات، وتم توصيفه باستخدام تقنيات حيود الأشعة السينية، والتحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء، وتحليل المساحة السطحية، والمجهر الإلكتروني الماسح، والمجهر الإلكتروني النافذ، والتحليل الوزني الحراري، والتحليل الطيفي للعناصر. تم تثبيت الإنزيم على سطح الإطار باستخدام مادة الجلوتارالدهيد كعامل ربط متقاطع. وقد بلغت كمية التحميل ٠٫٠٣٩٤ مليغرام من الإنزيم لكل مليغرام من الإطار، بينما بلغت كفاءة التثبيت ٦٠٪. وأظهرت اختبارات النشاط التحفيزي احتفاظ الإنزيم بنسبة ٨٠٪ من نشاطه بعد التثبيت. كما أظهرت اختبارات الاستقرار الحراري تحسنًا كبيرًا في مقاومة الإنزيم لدرجات الحرارة المرتفعة، حيث احتفظ المركب بنسبة ٤٠٪ من نشاطه بعد ست دورات من الاستخدام المتكرر. أما في تجارب احتجاز غاز ثاني أكسيد الكربون، فقد أظهر المركب قدرة إنتاجية من كربونات الكالسيوم قريبة من الإنزيم الحر (٣٠ مليغرام مقابل ٣٥ مليغرام)، مع ميزة إضافية تتمثل في تحسين الاستقرار التشغيلي. تؤكد هذه الدراسة أن الإطار الفلزي العضوي المستخدم يُعد دعامًة واعدة لتثبيت إنزيم الكاربونيك أنهيدريز، مما يُمكن من تطوير أنظمة احتجاز بيولوجية فعّالة وقابلة لإعادة الاستخدام لغاز ثاني أكسيد الكربون، مع إمكانيات كبيرة للتطبيق البيئي على نطاق واسع.

English Abstract

The increasing concentration of carbon dioxide (CO₂) in the atmosphere, primarily from fossil fuel combustion, poses a significant environmental threat and necessitates effective capture technologies. Carbonic anhydrase (CA), a zinc-containing metalloenzyme, has garnered attention for its exceptional catalytic efficiency in accelerating CO₂ hydration. However, its industrial application is limited by thermal instability, short operational lifespan, and poor reusability. This study investigates the immobilization of CA onto a biocompatible metal-organic framework, NH₂-MIL 101(Fe), with the aim of enhancing enzyme stability and reusability for CO₂ capture applications. The NH₂-MIL-101(Fe) MOF was synthesized via a solvothermal method and characterized using XRD, FTIR, BET, SEM, TEM, TGA, and EDX analyses. The enzyme was immobilized onto the MOF surface using glutaraldehyde as a crosslinking agent. Enzyme loading and immobilization efficiency were quantified, with an achieved loading of 0.0394 mg CA per mg MOF and an immobilization efficiency of 60%. Activity assays demonstrated an 80% retention of catalytic function post-immobilization. Thermal stability tests showed significantly improved enzyme resilience at elevated temperatures, and the composite retained 40% of its xii activity after six reuse cycles. In CO₂ capture experiments, the CA/MOF composite achieved a comparable yield of CaCO₃ to free CA (30 mg vs. 35 mg), with the added benefit of enhanced operational stability. This study confirms that NH₂-MIL-101(Fe) is a promising support for CA immobilization, enabling efficient and reusable biocatalytic CO₂ capture systems with potential for scalable environmental applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemistry Engineering Research > Environment
Department:	College of Chemicals and Materials > Bioengineering
Committee Advisor:	Khalil, Amjad
Committee Co-Advisor:	Helal, Aasif
Committee Members:	Dowaidar, Moataz
Depositing User:	RAHAF ABDULLAH (g202214860)
Date Deposited:	02 Sep 2025 05:24
Last Modified:	02 Sep 2025 05:24
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143692