TUTUKLANMIŞ S. CEREVISIAE HÜCRELERİ KULLANILARAK KESİKLİ VE SÜREKLİ SİSTEMLERDE GLİKOZDAN ETANOL ÜRETİMİ

Ebat: px

Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "TUTUKLANMIŞ S. CEREVISIAE HÜCRELERİ KULLANILARAK KESİKLİ VE SÜREKLİ SİSTEMLERDE GLİKOZDAN ETANOL ÜRETİMİ"

Deniz Hikmet
8 yıl önce
İzleme sayısı:

1 TUTUKLANMIŞ S. CEREVISIAE HÜCRELERİ KULLANILARAK KESİKLİ VE SÜREKLİ SİSTEMLERDE GLİKOZDAN ETANOL ÜRETİMİ Gülnur BİROL(*), Elvan SOLAY(*), Betül KIRDAR(**) ve Z. İlsen ONSAN(*) (*} Boğaziçi Üniversitesi. Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Bebek - İstanbul - Türkiye. (**) Boğaziçi Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Biyoloji Bölümü, Bebek - İstanbul - Türkiye. BATCH AND CONTINUOUS ETHANOL PRODUCTION FROM GLUCOSE USING IMMOBILIZED Ş. ÇERRVISIAE SUMMARY Flocculating S. cerevisiae cells were immobilized on highly porous particles of nonwoven polymeric material with an open network structure in order to determine the effect of passive immobilization and mode of operation on the growth and ethanol production characteristics of the cells. Experiments were carried out in an immobilized cell reactor under batch operation with nutrient recirculation and under continuous operation, using various substrate concentrations. ÖZET Yumaklaşan S. cerevisiae hücreleri çok gözenekli ve karmaşık bir ağ yapısına sahip polimerik malzemeden yapılmış taşıyıcı parçacıkları üzerinde tutuklanarak, pasif tutuklamanın ve reaktör tipinin hücrelerin çoğalma ve etanol üretme özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Deneyler tutuklanmış hücre reaktöründe kesikli/geri-beslemeli ve sürekli düzeneklerde çeşitli glikoz derişimleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. GİRİŞ Yüksek hacımsal üretkenliğe sahip fermentör tiplerinin geliştirilmesi konusunda yapılan çalışmalar» tutuklanmış hücre sistemlerini uygulama bakımından önemli bir seçenek haline getirmiştir. Bu sistemlerde gerçekleşen hücre yoğunluklarının yüksek olması ve reaktör dışma hücre kaybının önlenebilmesi, gerek üretim gerekse ürün ayırma ve saflaştırma sorunları açısından proses tasarımım kolaylaştırmaktadır. hücre sistemlerinin başlıca özelliği, hücrelerin reaktörün belirli bir bölümünde kalmalarının sağlanması için hücreleri tutucu veya bağlayıcı bir yapının kullanılmasıdır. Mevcut yöntemler arasında "pasif tutuklama" yöntemi, hücrelerin yumak oluşturma veya gözenekleri doldurma yeteneğine dayanmakta olup hücre doğasını ve yapısını değiştirmemesi bakımından çekici görünmektedir (1-3). Yumaklaşan S. cerevisiae hücrelerinin çok gözenekli ve gevşek örgülü bir 375

2 taşıyıcı yapı içerisinde tutuklanmasını sağlayacak bir pasif tutuklama tekniğinin geliştirilmesine ilişkin çalışmalar daha önce başlatılmış olup glikozdan etanol üretimi model sistem olarak ele alınmış ve tutuklanmanın etkileri incelenmiştir (4). Reaktör içerisinde çoğalmayı sürdüren tutuklanmış maya hücrelerinin davranışının incelenebilmesi ve kinetik çalışmalar yapılabilmesi için gerekli deneysel yöntemler geliştirilmiştir (5). Bu çalışmada, kesikli/geri-beslemeli ve sürekli olmak üzere iki ayn deney sisteminde aynı S, cerevislae türünün kullanıldığı deneyler paralel olarak yürütülmüş ve geliştirilen yöntemler çeşitli glikoz derişimlerinde İrdelenmiştir (6,7). DENEL BÖLÜM Mikroorganizma ve Besi Ortamı Çalışmalarda UMÎST (İngiltere) tarafından verilen yumaklaşan bir S. cerevtslae (URA 3-251, 372, 328, SOD-(ALEU 2)) türü kullanılmıştır. Fermantasyon deneylerinde kullanılan sıvı besi ortamı için, çeşitli miktarlarda D+glikoz.HaO ile maya özütü, amonyum sülfat, magnezyum sülfat, potasyum dihidrojen fosfat ve kalsiyum klorür içeren çözeltiler hazırlanmışür. Blvomas Tasıvıcı Parçacıklar Çalışmada her biri 0.7 cm3 (lxlx0.7 cm) olan çok gözenekli, karmaşık bir ağ yapısına sahip ve polimerik malzemeden yapılmış taşıyıcı parçacıklar kullanılmıştır. Parçacıkların yoğunluğu 0.10 g/cm3, boşluk oranı ise 0.95 olarak belirlenmiştir. Deney Düzeneği Deneyler iki ayrı düzenekte gerçekleştirilmiştir. Birinci deney düzeneği kesikli/gert-beslemeli fermantasyon deneylerinde kullanılmış olup besi ortamı kabı. termostatlı banyo ve karışürıcı, peristaltik pompa ve reaktörden oluşmaktadır. Deneylerde 3 cm iç çapında ve 11 cm efektif yüksekliği olan ceketli cam reaktörler kullanılmıştır. Reaktör kolonunun konik olan alt bölümünden buharla sterilize edilmiş besi ortamı pompalanarak reaktörün üst bölümünden alınıp besleme kabına geri döndürülmektedir. İkinci deney düzeneği birinci düzenek ile aynı birimlerden oluşturulmuş, 11 ve 22 cm yüksekliğinde reaktörler kullanılmıştır. Besi ortamı dolgulu reaktör kolonundan farklı akış hızlarında sürekli olarak geçirilmiştir. Tutuklama Tekniği Taşıyıcı parçacıkları sterilize edilerek kurutulmuş, tartılmış ve paslanmaz çelik tellere dizilerek erlenlere yerleştirilmiştir. Tekrar otoklavlandıktan sonra besi ortamı eklenmiş ve daha önce 30 C de hazırlanmış olan önkültür ile aşılanmıştır. Tutuklama işlemi 30 C deki orbital çalkalayıcı içerisinde 18 saatte gerçekleştirilmiştir. 376

3 Deney ve Analiz Yöntem i hücreleri taşıyan parçacıklar aseptlk olarak paslanmaz çelik tellerden sıyırılmış, reaktör kolonuna doldurulmuş ve taze besi ortamı geçirilmeye başlanarak kesikll/geri-beslemelt veya sürekli deneyler yapılmıştır. Reaktör dolgusu olarak kullanılan taşıyıcı parçacıklar içerisinde hücre çoğalmasını izlemek amacıyla her glikoz derişimlnde 3 saatten 15 saate kadar değişen sürelerle fermantasyon deneyleri yapılmış ve başlangıçtaki hücre miktarını yaklaşık olarak benzer tutabilmek için deneyler birkaç kez tekrarlanmıştır. Her deney sonunda, kullanılan dolgulu kolon boşaltılarak çıkarılan parçacıklar kurutulmuş ve tartümıştır. Deneyler sırasında ve sonunda alınan sıvı örnekler santrifüjlenerek 4 C de bekletilmiş, etanol miktarları gaz kroma tograflsi, glikoz miktarları İse Nelson yöntemi ve UV-görünür spektrofotometrl kullanılarak saptanmıştır. SONUÇLAR ve TARTIŞMA Fermantasyon deneylerinde kullanılan besi ortamının ph değeri kaynaklarda verilen optimum ph aralığında tutulmuş (8,9) ve belirli aralıklarla alınan ölçümler ph düzeyinin deneyler süresince 4.0 ± 0.2 değerinde kaldığını göstermiştir. Fermantasyon sıcaklığı tüm deneylerde 30 C de sabit tutulmuş, glikoz derişimi keslkli/geri-beslemeli deneylerde g/l, sürekli deneylerde ise g/l arasında değiştirilerek bir dizi deney yapılmıştır. Kesikli sistemde uzun fermantasyon sürelerini ve difüzyon etkilerini en aza indirmek amacıyla geri-beslemell olarak çalışılmış ve 15 ml/dak dolaşım hızı kullanılmıştır (4). Sürekti deneylerde seyreltme hızı saat' 1 aralığında değiştirilmiş ve en yüksek glikoz tüketimlerinin elde edildiği 0.2 saat' 1 sabit tutularak glikoz derişimi değiştirilmiştir. Keşikli/geri-beslemeli düzenekte gerçekleştirilen çeşitli deneylerden 15 saatlik deney süresi sonunda elde edilen hücre miktarları, glikoz dönüşme yüzdeleri ve etanol derişlmleri ile hücrelerin reaktör kolonu İçerisinde çoğalmalarının eksponansiyel fazına ilişkin spesifik çoğalma hızları Tablo 1. de sunulmuştur. Başlangıç glikoz derişiminin 60-İ20 g/l aralığında artmasıyla spesifik çoğalma hızının düştüğü, en yüksek etanol üretiminin ise 100 g/l glikoz derişiminde elde edildiği görülmektedir. 140 g/l glikoz derişimlnde bu değerlerde belirli bir artış görülmekle birlikte S. cerevisiae hücrelerinin yumaklaşma özelliklerinin de değişmeye başladığı gözlenmiştir. 100 g/l başlangıç glikoz derişimi kullanılarak yapılan uzun süreli deneyler, glikoz tüketiminin yaklaşık 21 saatte tamamlandığını, spesifik çoğalma hızının değişmediğini ancak 50 g/l yl aşan etanol derişlmleri elde edildiğini göstermektedir (6). 377

4 TABLO 1. Kesikli/Geri Beslemeli Sistemde Fermantasyon Deneyleri Glikoz Başlangıçtaki Deney Bitimindeki Dönüşme Yüzdesi {%) Etanol (&/U Spesifik Çoğalma Hızı (Saat } Sürekli fermantasyon deneylerinde 0.2 saat' 1 seyreltme hızı kullanılarak 15 saatlik deney sûresi sonunda elde edilen hücre miktarları, glikoz dönüşme yüzdeleri ve etanol dertşimlerl ile hücrelerin reaktör içerisinde çoğalmalarının eksponansiyel fazma ilişkin spesiilk çoğalma hızlan Tablo 2. de sunulmuştur. 15 saatlik deney süresi sonunda eksponansiyel çoğalma fazından henüz çıkmamış olan hücrelerin spesifik çoğalma hızlan glikoz derişimi He artış göstermektedir. Bu deneylerde glikoz tüketimi tamamlanıncaya kadar deney süresini uzatarak etanol derlşimlerlni karşılaştırmak yerinde olacaktır (7}. TABLO 2. Sürekli Sistemde Fermantasyon Deneyleri Glikoz Başlangıçtaki (gî Deney Bitimindeki Dönüşme Yüzdesi (%} Etanol Spesifik Çoğalma Htzı {Saat1)

5 TEŞEKKÜR Bu araştırmayı 89EA0556 ve 91A0518 kodlu projeler çerçevesinde destekleyen Boğaziçi Üniversitesi Araştırma Fonuna ve araştırmanın başlatılmasındaki katkılanndan dolayı Dr. Ferda Mavituna ya teşekkürlerimizi sunanz; KAYNAKLAR: 1. C. Webb, G.M. Black and B. Atkinson, "Process Engineering Aspects of Immobilized Cell Systems", Academic Press, UK (1986).. 2. F. Godla, C. Casas and C. Sola, A Survey of Continuous Ethanol Fermentation Systems Using Immobilized Cells, Process Biochemistry, (April 1987) G, M. Black, C. Webb, T. M. Matthews and B. Atkinson, "Practical Reactor systems For Yeast Cell Immobilization Using Biomass Support Particles'', Biotech. Bioeng., 26 (1984) Ş.K. Özergln, "Studies on Ethanol Production by Fermentation", (M.S. Thesis), Boğaziçi Univ., Istanbul (1989). 5. Y. Khoury, "Ethanol Production from Glucose by Immobilized S. cerevisiae". (M, S. Thesis), Boğaziçi Univ., Istanbul (1991). 6. G. Birol, "Cell Growth and Ethanol Production Characteristics of Immobilized S. cerevisiae İn a Batch System with Nutrient Recirculation", (M.S. Thesis), Boğaziçi Univ. Istanbul (1992). 7. E. Solay, "Experimental Studies on Continuous Ethanol Production by Immobilized Growing S. cerevisiae. (M. S. Thesis), Boğaziçi Onlv., Istanbul (1992) Mehmetoğlu ve A. Çağlar, "Kalsiyum Aljinat Jelinde S. cerevisiae ile Dolgulu Kolonda Etil Alkol Üretimi", Doğa TÜ. Müh. ve Çevre D., 12 (1988) D. Williams and D. M. Munnecke, 'The Production of Ethanol by immobilized Yeast Cells", Biotech. Bioeng., 23 (1981)

Benzer belgeler

REKOMBİNANT E.coli KÜLTÜRLERİ İLE ENZİM ÜRETİMİNİN KİNETİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ. Dilek KAZAN, Amable HOKTAÇSU ve Agnes ÇAMURDAN

REKOMBİNANT E.coli KÜLTÜRLERİ İLE ENZİM ÜRETİMİNİN KİNETİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Dilek KAZAN, Amable HOKTAÇSU ve Agnes ÇAMURDAN Boğaziçi Üniversitesi. Mühendislik fakültesukimya Mühendisliği Bolümü