ÇEVRE KORUMA FAALİYETLERİNE BİYOTEKNOLOJİNİN KATKISI

Transkript

1 ÇEVRE KORUMA FAALİYETLERİNE BİYOTEKNOLOJİNİN KATKISI Prof.Dr.Azmi TELEFONCU^ Ar.Gör.Nurdan PAZARLIOGLU E.Ü.Fen Fakültesi Biyokimya Anabilim Dalı ÖZET Biyoteknoloji genelde halk tarafından gerçek boyutu ile bilinmeyen "gen teknolojisi" çerçevesinde düşünülmekte ve uygulamalara şüphe ile bakılmaktadır. Gen teknolojisi aslında biyoteknolojinin son on yılda önemli gelişmeler göstermiş olan bir branşıdır. Biyoteknolojinin klasik tanımı kısaca "Biyokatalizatörlerin teknik boyutta kullanımı" şeklinde özetlenebilir. Konuya bu boyutta yaklaşıldığında bir yandan olağanüstü bir seçimlilikte etki gösteren biyokatalizatörlerin (enzimler ve hücreler) endüstriyel uygulamalara elverişli immobilize formlarının geliştirilmesi, diğer taraftan enstrümentasyon alanındaki teknolojik gelişmeler bugüne kadar kimyanın etkinlik alanına giren birçok prosesin yerini daha ekonomik olan biyoproseslere bırakması sonucunu doğurmuştur. Bu proseslerden bazıları doğrudan çevre korumaya hizmet etmektedir (Atık su ve çöplerin değerlendirilmesi v.b.). Gıda sanayii atık sularından çeşitli organik asitler ve çözgenler üretilmektedir. Tarımsal atıklardan dietetik ürünler, pahalı ilaçlar ve hayvan hücre kültürlerinin üretiminde yararlanılmaktadır. Üretilen hayvan hücre kültürleri, hayvan denemelerinde kobay olarak kullanılan hayvanların yerini alabilmektedir. Bugüne kadar biyodegredasyona dirençli olarak bilinen zararlı birçok maddenin parçalanması biyoteknolojik gelişmeler sayesinde mümkün olmuştur. Hiç şüphesiz biyoteknoloji interdisiplinerdir ve yukarıda sadece çevre koruma açısından değindiğimiz başarılı uygulamalar biyolog, biyokimyager ve mühendislerin işbirliğinin bir sonucudur. Biyoloji /Biyokimya tekno ^7 Şekil 1. Biyoteknolojinin interdisipliner karakteri Atık Sulann Arıtılması Organik maddeler ile aşırı kirletilmiş gıda endüstrisi atık suları eskiden doğrudan kanalizasyona verilir veya arıtma tesislerindeki çok büyük sığ havuzlarda aerobik bakteriyel faaliyetler sonucu organik madde oranı düşünülürdü. Bugün ise az gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde aynı işlem devam ederken çevre bilincinin iyi yerleşmiş olduğu gelişmiş ülkelerde ilkel sayılabilecek bu yöntem terk edilmiştir. Bunun yerine kule-biyolojisi tekniğine geçilmiştir. Böylece arıtma tesislerinin çok geniş alanlara yayılması, çevreyi rahatsız edici koku oluşması engellenmekte, tesisin enerji giderlerinde yaklaşık %50 tasarruf sağlanmakta ve arıtma daha etkili olmaktadır. Kule biyolojisi yöntemi ile atık su arı-

2 Ekoloji Anaerobik mikroorganizmaların atık sudaki karbonun yalnız %10'unu biyokütle, %80'ini ise metan ve CO 2 oluşumunda kullanması atık su arıtımında anaerobik sistemlere geçişi teşvik etmiştir (Şekil 3). Bu tesislerde oluşan biyogaz enerji kaynağı olarak değerlendirilir ve iyi çalışan tesislerde arıtma masraflarını karşılayabilir. Fakat bu sistemlerin iki önemli dezavantajı vardır: 1) Atık sudaki karbonun %10'u değerlendirilmeden kalır, dolayısıyla aerobik arıtma gerekir, 2) Anaerobik mikroorganizmalar yavaş çoğalırlar. Anaerobik arıtma tesislerinde yalnız bir mikroorganizma türü kullanılmaz, prensip olarak işbirliği yapan iki grup mikroorganizma vardır. İlk grup, organik karbon bileşiklerini organik asitlere kadar parçalarken ikinci grup bunlardan metan ve CO 2 yani biyogaz oluşturur. Bu iki grubun optimum faaliyet gösterme şartlan farklı olduğundan anaerobik atık su arıtımında herbirinde bir grup mikroorganizmanın faaliyet gösterdiği iki ayrı çürütme kulesinin kullanılması sistemin verimliliği ve ekonomikliği açısından büyük önem taşır. Şekil 2. Biyo-Yüksek reaktörün fotoğrafı (Hoechst, Frankfurt). turnasında hava kuleye alttan verilmekte ve aerobik çalışma şartları sağlanmaktadır (Şekil 2). Tüm aerobik atık su arıtma sistemlerinde olduğu gibi bu sistemde de atık sudaki karbonun yarısı hücre çoğalması için harcanırken (biyokütle veya arıtma çamuru oluşumu) yaklaşık diğer yarısı CO 2 'e dönüşür. Eskiden bu çamur gübre olarak kullanılıyordu fakat çamurun ağır metallerce zenginleşmesi çamur çöplüklerine taşınmalarını zorunlu kılmıştır. Gerek çöplük masrafları gerekse söz konusu atık suların şehir kanalizasyon sularına verilmesinde ödenecek meblağın son yıllarda özellikle artırılması başka alternatiflerin araştırılmasını zorunlu kılmıştır. C-Yükü Aerobik Atık su Arıtımı C0 2 Aerobik Anaerobı'k C-Yükü ve anaerobik CH X./C0f /o 10% Çamur '.Atık suda kalan yük 0% Atık su da kalan yük Şekil 3. Aerobik ve anaerobik atık su arıtım sistemlerinin kıyaslanması. [4ÖJ

3 Ham çözelti vaş büyüdüklerinden laktik asit üretimin hızlandırmak için mikroorganizmalar gözenekli cam küreciklerde çoğaltılırlar. Biyoürünlerin ortamdan kazanılmasında mikrofiltrasyon, K...Katyon-selektif Mcmbran A...Anyon.selektif Membran ultrafilt- rasyon ve ters osmoz gibi membran ayırım prosesleri Zenginleştirilmiş çözelti başarı ile uygulanmaktadır. Süt asidi fakirleştirilmiş çözelti üretimi için elektrodiyaliz çok uygun bir ayırma tekniğidir (Şekil 4). Fermentasyon sıvısı ultrafiltrasyon membranından Substrat geçirilip makromoleküllerden arındırıldıktan sonra elektrodiyaliz hücresine verilir. Süt asidince fakir fraksiyon biyoreaktöre geri verilirken zengin fraksiyona tekrar elektrodiyaliz uygulanır. Atıklardan organik Ürün Su selektif. çözgenlerin üretimi diğer basamak bir ekonomik değerlendirme yoludur. Melastan eta- Çozgen selektif nol, butanol, butadiol gibi basamak alkollerin biyoteknolojik Şekil 4. Elektrodiyalizin Prensibi. Şekil 5. Kesiksiz biyoalkol üretimi proses şeması. Atık Sulardan Biyoürünlerin Üretimi Özellikle gıda sanayii atık sularının biyogaz üretiminde değerlendirilmesi bile kayıp sayılır. Çünkü bu atık sulardan ekonomik değeri daha yüksek biyoürünler elde edilebilir. Örneğin, peynir işletmelerinin atık sularından laktik asit üretiminde yararlanılır. Anaerobik bakteriler ya- üretimi mümkündür. Karıştırmalı bir reaktörde melas maya ile aşılanır, havalandırma düşük tutulursa etanol oluşur. Klasik uygulanan şekli ile oluşan etanol reaktörde bırakılırsa azami %16'lık bir ürün konsantrasyonuna ulaşılır ve ürün inhibisyonu başgösterir. Membranmodül ile kombine bir fermentasyon sistemi kullanıldığında (Şekil 5) fermentördeki alkol konsantrasyonu %5 civarında tutulabilir ki bu konsantrasyonun mikroorganizmalar üzerinde olumsuz bir etkisi yoktur. ]4T]

4 Ekoloji Tarımsal Ürün Ana Bileşen Enzim-Teknolojik Değerlendiririlebilen komponentler Patates, Buğday, Mısır Şeker pancarı Yerelması Odun/Saman Yağlı bitki tohumları Don Yağı Süt Nişasta Yağ Protein Sakkaroz Pektin Inulin Selüloz Hemiselüloz Lignin Yağlar Pektin Yağlar Protein Yağ(tereyağı) Laktoz Glukoz, Maltoz, Dekstrin Amino Asitler Sakkaroz, Glukoz, Fruktoz Galakturonik asit, Arabinoz, Galaktoz Fruktoz Glukoz, Selobioz Ksiloz, Mannoz, Arabinoz Glikoz, Glukonik asit Pelifenoller Galakturonik asit Amino asitler Gliserin, Butanoik asit Laktoz, Glukoz, Galaktoz Tablo 1. Tarımsal ürünlerin enzim-teknolojik değerlendirilebilen komponentler Tarımsal Üretim Fazlalıktan ve Atıklarının Enzimatik Transformasyonu Bu işlemde amaç: hammaddeleri kullanmak, tarımsal üretim fazlalıklarını azaltmak veya atıkları değerlendirmektir (Tablo 1). Tabiatta Birikmiş Zararlı Atıkların Biyodcgradasyonu Bu açıdan en önemli problem klorlu hidrokarbon (KHK) atıklarıdır. Aktif kömürde adsorpsiyon veya diğer fizikokimyasal yöntemlerle KHK'ların eliminasyonu geçici bir çözümdür. En ekonomik ve gerçekçi çözüm ise bu maddelerin biyodegredasyonudur. Bazı algler kloroform ve diklormetan üretebilirken bazı mikroorganizmalar da klortetrasiklik gibi maddeleri üretir fakat bu maddeler tabiatta birikmez. O halde bu maddeleri parçalayan tabii bir yol mevcuttur. Biyodegradasyon reaksiyonunu katalizleyen biyokatalizatörün tesbiti, izolasyonu ve saflaştırılması gerekir. Mesela, karbon kaynağı olarak yalnız pentaklorofenolu kullanan bir mikroorganizma türü bulunmuştur. Kimyasal sentezlerle üretilmiş ve çevreyi kirletmiş olan aromatik hidrokarbonları bazı mikroorganizmalar ancak kısmen parçalayabilmektedir. Böyle bir parçalanmanın ürünleri bazı durumlarda çıkış maddesinden daha zararlı olabilmektedir. Bu problemi aşabilmek için karışık kültürlerden yararlanılır. Mikroorganizmaların bir türü tarafından gerçekleştirilen parçalanmanın ürünleri bir başka tür için substrat ol- Böylece tam bir biyodegredasyona maktadır. ulaşmak mümkündür. Mikroorganizmalar trikloretilen ve perkloretilen gibi sentetik hidrokarbon türevlerini ne enerji ne de C-kaynağı olarak değerlendirebilirler. Bu tür maddeler ancak ko-metabolik yıkımla elimine edilebilirler. Bu durumda trikloretilenden hiç enerji kazanamamasına rağmen bakteri onu da parçalama yeteneğine sahip olur. Hücre Kültürlerinin Kullanımı Hücre kültürleri bir yandan interferon, interleukin-2 gibi yüksek farmakolojik aktiviteye sahip makromoleküllerin üretiminde kullanılır-

5 ve metne kanserlerine karşı etkilidir. Hemosiyanin karmaşık yapılı ve çok büyük bir molekül olduğundan gen-teknolojik ü- retimi yakın bir gelecekte mümkün görünmemektedir. Salyangozların toplanıp bunlardan hemosiyanin izolasyonunda yasal güçlükler olduğu gibi bu kadar değerli bir türün tabiattan tamamen yok olması da söz konusu olabilir. Şekil 6. Deniz Salyangozu Megathura crenulata ken diğer yandan deney hayvanlarının yerini almaktadır. California kıyılarında yaşayan bir de- Megathura crenulata 'nın değişik hücre kültürleri üretilmiş, hemosiyanin Sentezleyen hücreler belirlenmiş ve bu hücreler vasıtasıyla teknik boyutta hemosiyanin üretilmiş olup 1990 yılı içinde Immucothel adı altında piyasaya sunulmuştur. Şekil 7. Megathura crenulata' nın Hemosiyanin Sentezleyen Hücre Kültürleri (BU. 400x) Fotoğraf: Dr. T. Graeve niz salyangozu "Megathura crenulata" kültürünün ürettiği bakır içeren hemosiyanin, farmakolojik etkiye sahip maddelere tipik bir örnektir. Bu madde idrar kesesi, prostat KAYNAKLAR 1) W.Reineke and H.- J.Knackmuss (1988) Microbial Degradation of Haloaromatics, Ann. Rev. Microbiol. 42, ) C.Bruhn, R.C.Bayley and H.-J.Knackmuss (1988) The in vivo construction of 4- chloro-2-nitrophenol assimilatory bacteria, Arch.Microbiol. 150, ) M.R.Smith (1990) The biodegradation of aromatic hydrocarbons by bacteria, Biodegradation l, ) P.Pe'ringer (1984) Biotechnologies et environnement, Swiss Biotech. 2(3), ) L.Hartmann (1989) Biologische Abıvasserreinigung Springer, Heidelberg. 6) Th.Graeve, B. Schopf., H.Chmiel, K.D. Kulbe (1989) Hirudin from cell-cultures of the leech Hirudo medicinalis: DECHE- MA Biotechnology Conf. 3. ]43]