ENDÜSTRİYEL MİKROBİYOLOJİ

Transkript

1 Endüstriyel biyoprosesler ENDÜSTRİYEL MİKROBİYOLOJİ BİYOPROSESLER Hücre içerisinde enzimlerin katalizörlüğünde binlerce reaksiyon gerçekleşir. Bunların çok azından endüstride yararlanılmaktadır. Endüstriyel mikrobiyolojik üretimlerde amaç m.o lar veya onların enzimleri ile değerli ticari ürünleri büyük ölçekte üretmektir Biyoproses: Biyolojik elemanlar kullanılarak endüstriyel boyutlarda gerçekleştirilen üretimlere biyoproses (biyoişlem) denir. Biyoproseslerde m.o ların normalde gerçekleştirebildiği metabolik reaksiyonlarla, ilgilenilen ürünün büyük ölçeklerde aşırı üretimi gerçekleştirilir. 1 2 Biyoprosesler substratın m.o lar tarafından ürüne dönüştürülmesi veya veya enzimlerle (biyokatalist) kimyasal reaksiyonların gerçekleştirilmesi şeklinde olabilir Substrat + Mikroorganizma Ürün Substrat + Enzim Ürün ÜRÜN: m.o ların metabolik ürünü (alkol, aminoasit, vitamin, antibiyotik vb) m.o ları kendisi (biyokütle) (ekmek mayası, THP, Starter kültür) Biyotransformasyon ürünü olabilir (YFMŞ vb) M.o ların metabolik ürünleri İki temel tipte metabolit vardır Primer metabolitler Sekonder metabolitler Primer metabolit: m.o nın üreme fazı sırasında oluşan üründür. Alkol tipik bir primer metabolittir. Etanol, mayalar ve bazı bakterilerin anaerobik metabolizmasının ürünüdür ve enerji metabolizmasının bir parçası olarak oluşur. Üreme yalnızca enerji üretimi gerçekleşebildiğinde oluştuğundan etanol oluşumu da üremeyle paralel gerçekleşir. Aminoasitler, nükleotitler, vitaminler, organik asitler 3 4 Sekonder metabolit: üreme fazının sonuna yakın (çoğunlukla üremenin durağan fazında oluşan üründür. En iyi bilinen sekonder metabolitler antibiyotiklerdir. toksinler, alkaloidler, bitki büyüme faktörleri de sekonder metabolitlerdir Sekonder metabolitler üreme ve çoğalma için gerekli değildirler. Sekonder metabolitlerin oluşumu özellikle ortamın kompozisyonu olmak üzere üreme koşullarına bağımlıdır. Pekçok sekonder metabolit sentez için önemli sayıda özgül enzimatik reaksiyona ihtiyac duyar. Örn, tetrasiklin antibiyotiği yaklaşık 72 enzimatik basamağı bulunmaktadır

2 Endüstriyel proseslerde üretim aşamaları 1 Uygun endüstriyel m.o nın sağlanması 2) m.o nın geliştirilmesi ve çoğaltılması 3) Uygun substrat seçimi ve besiyeri formülasyonu 4) Uygun koşullarda biyosentez Endüstriyel üretim prosesinin akım şeması Su P, N kaynağı ilavesi Enerji Havalandırma Ölçme ve ayarlama SUBSTRAT FERMENTASYON ORTAMININ HAZIRLANMASI STERİLİZASYON FERMENTASYON BİYOKüTLE VE KÜLTÜR SIVISININ AYRILMASI (filtrasyon,seperasyon) Analitik testler ph ayarlaması Karıştırma Aşılama CO2 ve diğer gazlar Isı Fermentasyon atığı Üretim suşunun çoğaltılması 5) Ürünün gelişme ortamından ayrılması ve saflaştırılması ÜRÜN SAFLAŞTIRILMASI, AMBALAJLAMA Fermentasyon atığı 7 ÜRÜN ATIK YOKEDİLMESİ 8 Besiyeri formülasyonu Besiyeri formülasyonu fermentasyon teknolojilerinde büyük öneme sahiptir. Ekonomik bir üretim gerçekleştirebilmek için kültür ortamı formülasyonunun çok iyi tasarlanmış olması gerekmektedir. M.o için gerekli besin maddelerini yeterli miktarda uygun formlarda içeren bir besiyeri başarılı bir üretimin ilk adımıdır. Besiyerini sahip olması gereken temel özellikler: Kullanılabilir birim miktar besin maddesine karşılık gelen ürün bazında maksimum verimi sağlamalıdır Maksimum ürün ve biyokütle konsantrasyonunu sağlamalıdır. Maksimum ürün oluşum hızına imkan vermelidir. Sürekli bir kaliteye sahip olmalı ve her zaman kolayca elde edilebilmelidir Sterilizasyon sırasında bir soruna neden olmamalıdır. Havalandırma, karıştırma, ürün saflaştırma, ve atık arıtımı sırasında sorun yaratmamalı 9 10 Mikrobiyal gelişme için hücrenin elementel bileşimi temel alınır Bir m.o hücresinin tipik elementel bileşimi Element Hücre kuru ağırlığına göre (%) Karbon 50 Azot 7-12 Fosfor 1-3 Kükürt Mg 0.5 Mikrobiyal gelişme amacıyla kullanılacak herhangi bir ortam en azından bu elementleri uygun oranlarda içermelidir. M.o lar dışarıdan aldıkları besin maddelerini kendilerine özgü bileşiklere dönüştürürler. Aşağıdaki çizelgede bakteri ve mayaların sentezledikleri materyallerin yaklaşık değerleri erilmiştir. % Bakteriler Mayalar Protein ve amino asitler karbonhidrat RNA DNA Lipid Kül C, H, ve O hariç bu değerler esas alınarak hesaplama yapılabilir

3 Kültür ortamları Kültür ortamları kullanılan hammaddenin türüne bağlı olarak 2 grup altında toplanır: 1) kompleks (doğal) ortamlar : kimyasal yapıları tam olarak bilinmeyen maddelerden oluşan ortamlar. Ucuz ve kolay bulunabilen hammaddelerdir. Melas, et özütleri, pamuk çekirdeği, mısır unu, soya unu, peynir altı suyu, malt çimi gibi. Endüstriyel üretimlerde kompleks ortamlar tercih edilir. Ancak, elde edilen ürünler arasında farklılık görülebilir. 2) Tanımlı (yapay-sentetik) ortamlar: bileşimleri ve konsantrasyonları bellidir. Tam olarak bilinen miktarlarda ve saf maddeler kullanılarak hazırlanan besiyerleridir. Maliyeti yüksektir. Yapay besiyerleri araştırma amaçlı seçilir. Bunlar araştırıcıya aynı koşullarda çalışmayı yineleme olanağı sağlarlar. Endüstriyel ortamlarda tercih edilmez. Endüstriyel üretimlerin ilk aşamasını oluşturan lab dönemlerinde tercih edilir Bir endüstriyel üretimde kültür ortamının temel bileşenleri : su, karbon kaynakları azot kaynakları İnorganik maddeler Vitaminler Oksijen Köpük kırıcılar Su En önemli bileşenlerdendir. Susuz bir ortamda mikrobiyal üreme mümkün değildir. Ancak su aktivitesi belli bir değerin üzerine çıkarsa bu üreme gerçekleşir. Üreme sıvı ya da yarı katı substratların yüzeyinde ya da substrat çözeltisinin içinde olmaktadır. Su, bir transport ortamı görevi üstlenmektedir. Çözünmüş besin maddeleri hücre membranından difüzlenip hücre içindeki biyokimyasal reaksiyonlar sonucu değişikliğe uğratıldıktan sonra metabolik son ürünler hücre dışına salınırlar. Ortam bileşenlerinin çözünürlüğünün sağlanması yanında proseste ısıtma, soğutma temizleme, işlemleri sırasında da kullanılmaktadır. Suyun geri dönüşümlü ve tekrar kullanılması üretim maliyetleri açısından önemlidir Karbon kaynakları M.o gelişmesi, ürün oluşumu hücre onarımındaki bütün biyosentezlerde C kaynağına ihtiyaç vardır. Biyokütle yaklaşık olarak %50 oranında C içerdiğinden karbonhidratlar besiyerinde diğer besin maddelerinden daha yüksek konsantrasyonlarda bulunur. Substrat maliyeti toplam üretim maliyetinin toplam üretim gideri içinde yaklaşık %50 lik bir paya sahiptir. Üretim ortamı m.o nın spesifik isteklerini karşılayabilecek ve olabildiğince ucuz hammaddeler içermelidir. Bazı karbon kaynakları, gelişmeyi hızla arttırırlar, ancak biyosentez hızını yavaşlatabilirler. Karbonhidratların mikroorganizmalar tarafından metabolize edilme kolaylığı heksozlardan polisakkaritlere doğru gittikçe azalır. Böyle durumlarda gelişmeyi arttıran karbonhidrat ile birlikte biyosentez hızını arttıran CHO lar da ortamda bulunmalıdır

4 Endüstride kullanılan başlıca karbon kaynakları MELAS Şeker pancarı ve şeker kamışından şeker üretiminde bir yan ürün olarak oluşur. Fermentasyon için oldukça kullanışlı bir kaynaktır. Melasın kompozisyonu bitkinin kaynağına, ürünün yerine, iklim koşullarına ve işlendiği fabrikaya göre değişmektedir. Melas yaklaşık %45-50 oranında sakkaroz ve %2 azotlu bileşikleri içermektedir. Bunun yanında pek çok vitamin ve mineral de içeren melas koyu renkli viskoz bir şuruptur MALT EKSTRAKTI Çimlendirilmiş arpanın sulu ekstraktlarının konsantre edilmesiyle elde edilen şurup özellikle ipliksi mantarların, mayaların geliştirilmesi için uygundur. % oranında dekstrinler % 5 oranında azotlu bileşikler ve vitaminler de içermektedir. Malt ekstraktların kuru madde bazında %90 oranında karbonhidrat içermektedir. Yapısındaki CHO ların %20 si heksozlardan, %55 i ise disakkaritlerden (özellikle maltoz) oluşmaktadır NİŞASTA VE DEKSTRİNLER ATIK SÜLFİT ŞURUBU M.o lar tarafından mono ve disakkaritler kadar kolay kullanılamamaktadır. Ancak amilaz üreten m.o lar tarafından doğrudan kullanılmaktadırlar. Mısırdan elde edilen nişasta fermentasyonda substrat olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Kağıt hamuru endüstrisinde oluşan şeker içeren atık üründür. Özellikler mayaların gelişmesinde kullanılır. İğne yapraklı ağaçlardan elde edilen atıklar %80 heksoz (glukoz, mannoz, galaktoz) ve %20 pentoz (ksiloz, arabiniz) içermektedir. Nişastanın birçok fermentasyonda kullanılabilmesi için genellikle glukoz içeren bir şeker şurubuna dönüştürülmesi gerekmektedir

5 SELÜLOZ Selüloz çoğunlukla bitki hücre duvarlarında lignoselüloz olarak bulunur Lignoselüloz= selüloz+lignin+hemiselüloz Lignoselüloz ziraat, orman, endüstriyel ve evsel atıklardan elde edilebilir. Hidrolizi zor olduğu için çok az sayıda m.o selülozu doğrudan kullanabilmektedir. Selüloz hidroliz edildiğinde oluşan fermente edilebilir şekerler özellikle yakıt olarak kullanılan etanol biyodönüşümü için çok değerli potansiyel bir yenilenebilir kaynaktır. Günümüzde çoğunlukla çeşitli mantarların üretimi için katı kültür fermentasyonlarında kullanılmaktadır PEYNİR ALTI SUYU Süt endüstrisinin sulu formda bir yan ürünüdür. Dünyadaki yıllık üretimi 80 milyon tonun üzerinde olup bunun 1 milyon tonu laktoz, 0.2 milyon tonu da süt proteinidir. Laktoz çok az m.o tarafından metabolize edildiği için sakaroza göre kullanımı azdır. Örn S. Cerevisiae laktozu fermente edemez. Laktoz eskiden pesnisilin üretiminde kullanılmaktaydı. PAS depolamak ve taşımak için pahalı bir materyaldir. Bu nedenle süt proteinleri uzaklaştırıldıktan sonra evaporasyonla konsantre edilir. Günümüzde etanol, tek hücre proteini, laktik asit, ksantan gam, B12 vitamini üretiminde kullanılmaktadır Azot kaynakları Hücre yapısında C ve O den başka en fazla bulunan element N tur. N kaynakları organik veya inorganik olabilir. İnorganik: Endüstriyel m.o ların çoğu moleküler azotu, nitritleri, nitratları, NH3 ı azot kaynağı olarak kullanabilirler NH3 aynı zamanda fermentasyon ph sının düzenleyicisi olarak da kullanılabilir.. Organik azot kaynakları: aminoasitler, bitkisel ve hayvansal proteinler ve üre. gıda ve tarım endüstrisinin yan ürünleri olan proteinler ucuzdur. Aynı zamanda çeşitli vitamin ve mineralleri de içermektedirler. MISIR MASERASYON SIVISI Mısır nişastası ekstraksiyonunun bir yan ürünüdür. Fermentasyonlarda kullanımı ilk olarak 1940 larda penisilin üretimi ile başlamıştır. kompozisyonu mısırın kalitesine ve proses şartlarına bağlı olarak değişir. Konsantre edilmiş ekstractlar çeşitli amino asitleri, vitamin ve mineralleri içermektedir. %4 oranında azot da bulunmaktadır

6 PEPTONLAR MAYA EKSTRAKTLARI Maya ekstrakları atık ekmek ve bira mayası veya S. cerevisiae nin diğer suşlarından üretilir. Ayrıca Kluyveromyces marxianus, Candida utilis ten de üretilmektedir. Büyük ölçekli endüstriyel fermentasyonlarda kullanılmak için genelde pahalıdırlar. Et, kazein, jelatin, keratin, yer fıstığı, soya unu, pamuk tohumu gibi yüksek proteinli materyallerin enzim veya asitle hidrolizi ile hazırlanırlar. Peptonların a.a kompozisyonu orijinal protein kaynağına göre değişir. Örn. Jelatinden elde edilen peptonlar prolin ve hidroksiprolin açısından zengindir. Keratin peptonu prolin ve sistin açısından zengindir SOYA UNU Soya fasulyesinin yağlı kısımlarının ekstrakte edilmesiyle geriye kalan posa %50 protein, %8 protein dışı azotlu bileşikleri, %30 karbonhidrat ve %1 yağ içermektedir. Antibiyotik fermentasyonunda kullanılabilmektedir. İnorganik bileşikler Biyokütlenin yaklaşık %5-10 u küldür. Külün büyük bir bölümünü de P (%60) ve S (%20) oluşturur. P nükleik asitlerin yapısında S, sistin ve metiyonin aminoasitlerinde bulunur. Ayrıca K, Mg, Na, Ca, Fe, Mn, Co, Zn, Cl gibi elementler de bulunur. Elementlerin çoğu enzimlerin çalışmasında (kofaktor) görev alır Vitaminler Koenzim ve koenzimlerin bileşikleri olarak vitaminlerin hücre içinde önemli katalitik reaksiyonları vardır ve metabolizma için gereklidirler. En çok gereksinim duyulan vitaminler tiamin (B1), biotin (B7), riboflavin (B2), niasin (B3), pantotenik asit (B5), B6 vitaminlerdir. Örn mayalar, en fazla tiamin, biotin ve riboflavine gereksinim duyarlar. Endüstriyel ortamlarda kullanılan C ve azot kaynakları önemli oranda vitamin içermektedir. Diğer katkı maddeleri Ortama çeşitli amaçlara yönelik bazı katkı maddeleri de ilave edilebilir. İnhibitör maddeler: aşırı misel gelişmesini yavaşlatan ve metabolik ürünün biyosentezini artıran maddeler. Örn antibiyotik fermentasyonlarında bu amaçla benziltiyosiyanat kullanılmaktadır. Prekürsor maddeler: Biyosentez kademelerinde reaksiyona giren ve ürün verimini arttıran maddelerdir. Örn: penisilin G fermentasyonunda ortama fenil alanin veya fenilasetik asit ilavesi Diğer maddeler: ph yı istenen düzeyde tutmak amacıyla ilave edilen asit, baz veya tampon karakterindeki maddeler

7 Oksijen Aerobik proseslerde m.o ların faaliyet gösterebilmeleri için yeterli hava oksijeninin sağlanması oldukça önemlidir. Buradaki en önemli problem oksijenin sudaki çözünürlüğünün düşük olmasıdır. Normal koşullarda saf su hava ile doyurulduğunda 8 mg/l (0,25 mmol/l) konsantrasyona ulaşabilir. C6H12O6 + 6 O2 6CO2 + 6H2O Aerobik fermentasyonlarda besi ortamına oksijen transferi en azından biyolojik oksijen tüketimini karşılayacak hızda gerçekleştirilmelidir. 1 mol glikozu oksitleyebilmek için L hava (suda tamamen doyurulmuş) gerekir Birçok m.o yeterince oksijen alamadığında metabolizması değiştirir Köpük kırıcılar Kültür ortamı oksijenin kullanılabilirliğini etkileyebilir. Eğer ortamda kolay metabolize edilen substratlar yüksek oranda bulunuyorsa ortamda kısa sürede oksijen sınırlaması ortaya çıkabilmektedir. Ortam bileşenlerinden bazıları ortamın viskozitesini etkileyerek oksijenin m.o lara ulaşmasını etkileyebilir. Ortama eklenen köpük kırıcılar yüzey aktif maddeler gibi hareket ederek oksijen transferini olumsuz yönde etkileyebilirler. Köpürme mikrobiyal üretim proseslerinde sıklıkla gözlenen bir sorundur. Hücreleri ortamdan köpükle birlikte ayrılmasına, fiziksel değişimlere, reaktördeki çalışma hacminde azalmaya, kütle ve ısı transferinin güçleşmesine ve ortamın sterilitesinin bozulmasına neden olur. Bu amaçla köpük kırıcılar kullanılır. Köpük kırıcılar, bitkisel ve hayvansal yağlar,veya sentetik köpük kırıcılar Sterilizasyon Biyoteknolojik bir üretim ortamında sadece ilgilenilen m.o nın bulunması istenir. Çünkü yabancı m.o lar hem substratı ve ürünü tüketirler, hem de bunların faaliyetleri sonucu istenmeyen yan ürünler oluşur. Ortamda kontaminasyon olması durumunda aşağıda açıklanan istenmeyen durumlar ortaya çıkmaktadır: - ortamdaki besin elementleri hem ürünü üreten m.o hem de kontaminant tarafından tüketilir ve verim kaybına sebep olur. - sürekli proseslerde kontaminant, ürünü üreten m.o lardan daha fazla gelişerek baskın hale geçebilir. - kontaminant m.o son ürünün saflığını etkileyebilir. - kontaminant m.o nın ürettiği metabolitler son adımda ürün saflaştırmayı güçleştirebilir. - Kontaminant m.o son ürünü parçalayabilir. - bakteriyel bir fermentasyon prosesinin faj ile kontamine olması durumunda ise kültürün canlılığını kaybetmesi söz konusudur

8 Bu nedenle üretim öncesi sterilizasyon büyük önem taşımakta olup, bunun yanında proses sırasında da aseptik koşulların sağlanması ve korunumuna dikkat edilmelidir. Bu amaçla: - Fermentasyon mutlaka saf bir kültür ile başlatılmalıdır. - kültür ortamının, biyoreaktör ve aksesuarları ile ortama verilen havanın sterilizasyonu etkin bir şekilde sağlanmalıdır. - Üretim sırasında ortama eklenecek tüm malzemeler sterilize edilmiş olmalıdır. Özellikle melas, soya gibi hammaddeler çok sayıda m.o içerdiklerinden sterilizasyon şarttır. Bir fermentasyon başlamadan önce ilk yapılacak iş fermentör sisteminin temizlenmesidir. Ürün boşaltıldıktan hemen sonra fermentör iç çeperindeki kalıntılar iyice temizlenmelidir. Besiyeri ortamı hazırlandıktan sonra da sterilizasyon yapılmalıdır Kültür ortamı ve biyoreaktör, filtrasyon, radyasyon, kimyasal maddeler veya buhar ile sterilize edilebilir. Buhar ile sterilizasyon en yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Bu yöntem basit güvenilir ve ekonomiktir. Sterilizasyonda ya doğrudan buhar besiyeri ortamına verilir ya da fermentör içinde veya etrafında bulunan spiraller yardımıyla steril edilir. Sterilizasyonda ısının etkisi ile istenmeyen ve kültür ortamının kalitesini bozacak reaksiyonlar oluşabilir. Sterilizasyon prosesinin tasarımında bu husus dikkate alınmalıdır. Sterilizasyon sırasında iki tip reaksiyon kültür ortamının kalitesini etkilemektedir: Ortam bileşenleri arasında gerçekleşen reaksiyonlar: Şekerlerin karbonil grupları ile amino asitlerin amino grupları arasında gerçekleşen esmerleşme reaksiyonlarıdır. Şekerler kültür ortamından ayrı steril edilerek bu durum engellenebilmektedir Isıya dayanıksız olan bileşenlerin degredasyonu: bazı vitaminler, aminoasitler ve proteinler yüksek sıcaklıkta bozunabilirler. Bu durumda bu bileşenlerin filtrasyon yöntemi ile sterilizasyonu yapılabilir. Bir fermentasyon prosesinde kültür ortamının sterilizasyonu kadar ortama verilen havanın sterilizasyonu da büyük önem taşımaktadır. Hava steril hale getirilmezse kirlilik durumuna göre değişik sayıda m.o içerir. Hava sterilizasyonu için enuygun yöntem filtrasyondur

9 Hava sterilizasyonunda kullanılan filtrelerin sahip olması gereken özellikler: Sterilize edilebilir ve dayanıklı olmalıdır Mümkün olduğunca geri basınç yaratmamalıdır Etkin yüzey alanına sahip olmalıdır Ayırma yeteneğine sahip olmalıdır (genellikle 0.22 um gözenek genişliğine sahip olmalıdır. Kolay kullanılabilir ve ekonomik olmalıdır. Fermentasyon yöntemleri Enzimler veya hücreler tarafından katalizlenen biyokimyasal reaksiyonların gerçekleştiği biyoreaktörler ile klasik kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği reaktörler arasında reaktör verimine etkileyen parametreler açısından önemli farklılıklar vardır. Biyoreaktörler hücre çoğalması ve büyümesini ve dolayısıyla metabolit üretimini garantileyecek koşullara sahip olmalıdır (opt ph, yeterli O 2, tuz ve substrat temini gibi). Endüstriyel fermentasyon yüzey kültür tekniği veya derin kültür tekniği ile gerçekleştirilir ve biyoreaktörler de uygulanan tekniğe göre şekillenir. Yüzey kültür tekniği: m.o besi ortamının yüzeyinde çoğalır ve yüzeyde m.o hücreleri ve bunların metabolitlerinden oluşan bir tabaka veya mantarlarda bir misel örtüsü oluşur. Besiortamı sıvı, katı veya yarı katı olabilir Bu yöntemin teknik boyutta ve tanınmış uygulaması 1940 larda 4 litre hacimli balonlarda gerçekleştirilen penisilin üretimidir. Fermentasyon süresi 7-10 gün arasında değişiyordu ve bazı işletmelerde den fazla balon kullanılıyordu

10 Katı besi ortamı yüzeyinde üretim daha çok laboratuvar boyutundadır ve en uygun türün belirlenmesi amacıyla yapılır. Besi ortamının kompozisyonu istenmeyen türlerin üremesini engelleyecek şekilde ayarlanır. Ayrıca gıda olarak tüketilen kültür mantarları da katı besi ortamında üretilirler Yüzey kültür tekniğinin dezavantajları Fermentasyon süresinin uzunluğu Kapasitenin düşüklüğü Operasyonun zorluğu Prosesin otomatik kontrol imkanının düşük oluşu. Günümüzde mayalanma tepsili reaktörleri geliştirilmiş Silindirik ceketli bir tanktır ve içerisinde birbiri üzerine dizilmiş ve değiştirilebilen mayalanma tepsileri bulunmaktadır. Besi ortamı üretim m.o sı ile aşılandıktan sonra reaktöre doldurulur ve nemlendirilmiş hava verilir. Bu teknik, sitrik asit, kültür üretimi ve hayvan hücre kültürlerinden aşı üretiminde kullanılır Derin kültür tekniği Fermentasyon kabı içinde yeterli karıştırma ve havalandırma yapılarak m.o lar sıvı ortamda geliştirilirler. Reaktörler paslanmaz çelikten yapılmış silindirik tanklardır. Üretim yöntemleri üretimin sürekliliğine göre 3 e ayrılır. 1)kesikli yöntem (batch culture) 2) yarı sürekli yöntem (fed-batch culture) 3) sürekli yöntem (continuous culture)

11 1) kesikli yöntem üretim kabı substrat ile doldurulur. Sterilizasyondan sonra inoküle edilir. Ferm sonunda biyoreaktör boşaltılır ve temizlenir. 2) yarı sürekli yöntem Substrat beslemesi sürekli yapılan kesikli yöntemlerdir. Kesikli ve sürekli fermentasyon arasında bir yöntemdir. Fermentasyon boyunca ürün ortamda kalır. Bu nedenle hacim artar. Endüstriyel üretimlerde genellikle bu yöntem tercih edilir Avantajları Fermentasyon süresi uzatılarak yüksek oranlarda ürün elde edilebilir. Substrat ortama kontrollü olarak verildiği için ürününde kontrollü üretimi sağlanır. Yan ürün oluşumu ve katabolit represyonu engellenir. M.o ların spesifik üreme hızları istenilen seviyede tutulabilir. Dezavantajları M.o ların verimliliklerinin ve fizyolojilerinin çok iyi bilinmesi gerekir Proses geliştirme ve operasyon için uzmanlık gerektirir ) Sürekli yöntem fermentöre sürekli olarak taze substrat verilir, aynı zamanda hücre ve ürün içeren ortam fermentörden uzaklaştırılarak işleme süreklilik kazandırılır. Bu yöntemde kesikli yöntemde olduğu gibi işlem başlatılır. M.o ların logaritmik gelişme fazlarının sonlarına doğru ortama taze substrat verilir ve sürekli olarak yeni verilen substrata eşit miktarda fermente olmuş ortam biyoreaktörden uzaklaştırılır. Sürekli kültürde mikrobiyal gelişme uzun süre korunabilir. Ayrıca hücre konsantrasyonu, substrat konsantrasyonu, ürün kons., ve özgül gelişme hızı gibi kültür koşulların zamana bağlı olarak değişmediği yatışkın durum (steady state) kazanılabilir. Kemostat (kimyasal olarak stabil): sürekli kültürde substrat besleme hızı kültür ortamının kimyasal bileşimine göre ayarlanıyorsa, buna kemostat denir Türbidiostat: kültür ortamının optik yoğunluğu ölçülerek biyoreaktör içinde hücre konsantrasyonu esas alınıyorsa, bu sisteme türbiostat denir

12 Kesikli ve yarı sürekli yöntemlerde fermentasyon süresi sonunda doldurma boşaltma, temizleme, sterilizasyon gibi işlemler için oldukça fazla zaman harcanmaktadır. Sürekli sistemler ara vermeden günlerce hatta aylarca devam eder. Sürekli yöntemlerde kontasminasyon riski yüksektir. Bu nedenle kontaminasyon riskinin düşük olduğu üretimlerde tercih edilmelidir. Günümüzde uygulamaları laboratuvar ölçeğindedir. Atık su arıtma sistemlerinde sürekli yöntem kullanılır Fermentasyonda ölçek büyütme Endüstriyel üretimlerde önemli aşamalarından biri de küçük ölçekli laboratuvar ekipmanından büyük ölçekli ticari ölçeğe transferdir. Ölçekleme yalnızca üretici m.o nın değil aynı zamanda fermentör dizaynı ve çalışmasının da bilinmesini gerektirir Ölçeklemede problemlerin çoğu uygun havalandırma ve karıştırmayı içermektedir. Küçük laboratuvar ölçeğinde bu kolaydır, ancak büyük fermentörlerde özellikle özellikle oksijen transferinin sağlanması çok daha zordur ve pek çok endüstriyel fermentasyon aerobik olduğundan etkili oksijen transferi gereklidir. Endüstriyel işlemlerde zengin kültür ortamları kullanılmasına bağlı olarak yüksek oksijen ihtiyacına yol açan yüksek düzeyde biyokitle elde edilir. Havalandırma kısa bir zaman için bile azaltılacak olursa kültür ciddi metabolik sonuçlar ve ürün veriminde azalmaya yol açabilir Ölçekleme işlemi Endüstriyel bir işlemin laboratuvardan ticari fermentöre transferi çeşitli basamaklar içerir. Uygulamalar, çok küçük ölçekli uygulama olan, fakat ticari bir işlemin mümkün olduğunun tipik olarak ilk delili olan laboratuvar erleninde başlar. Buradan ölçeklendirmede ilk çalışmaların yapıldığı genellikle cam ve 1-10 litre büyüklüğünde küçük ölçekli lab fermentörüne transfer edilir. Lab fermentöründe ortam sıcaklığı, ph ve bunun gibi değişimler ucuz bir şekilde kontrol edilebilir Lab fermentöründeki testler başarılı olunca işlem genellikle L boyutunda pilot fabrika basamağına taşınır. Burada koşullar ticari ölçeğe daha çok yaklaşır. Bununla beraber maliyet hala ana faktör değildir. Daha sonra işlem L hacminde ticari fermentöre taşınır Bütün basamaklarda havalandırma çok sıkı şekilde izlenir

13 73 13