Endüstriyel mikrobiyoloji-6

Transkript

1 Endüstriyel mikrobiyoloji-6 ETİL ALKOL ÜRETİMİ FERMENTASYON m.o ların metabolizmasında substrat parçalanması ilk planda enerji kazanılmasını hedeflemektedir. Enerji kazanılmasını mümkün kılan reaksiyonlar ise oksidasyonlardır. Karbonhidratlarda bulunan C, okside olarak hücreyi CO 2 şeklinde terk etmektedir. Substrat dehidrogenasyonları sonucunda zorunlu olarak ortaya çıkan (NADH 2) ortamdan uzaklaştırılması (yani piridinnükleotitlerin tekrar rejenere olarak işlevlerini sürdürebilmesi) için çeşitli m.o larda değişik yollar bulunmaktadır. Hidrojenleri üzerine alabilecek akseptörlere göre sistemden bahsedilir. Akseptör olarak terminal H- alıcısına (elektron alıcısı) göre: Solunum Fermentasyon Anaerob solunum bulunmaktadır. Buna göre fermentasyon şu şekilde tanımlanabilir: Fermentasyon: enerji kazanılması amaçlanan katabolik yollarda substratlardan kopan hidrojenler sonuçta organik H- akseptörleri üzerine alınıyorsa bu olaylar fermentasyondur. Bu durumda oksijen fermentasyon olayına kesinlikle karışmamaktadır. Solunumda son elektron akseptörü oksijendir. Anaerobik solunumda ise inorganik bileşikleridir (nitrat, sülfat gibi) Fermentasyonda H leri üzerine alarak redükte olan organik bileşikler ortama salgılanarak besiyerinde birikmektedir. Salgılanan bu ürünlerin karakteristik olanına veya miktarca en fazla üretilene göre fermentasyonlar isimlendirilir. Örneğin, Etil alkol fermentasyonu Laktik asit fermentasyonu Propiyonik asit fermentasyonu Formik asit fermentasyonu Bütirik asit fermentasyonu Asetik asit fermentasyonu Metan oluşumu Maya ve bakterilerde alkol fermentasyonu M.o lar ile şekerler fermente edildiğinde en yaygın olarak oluşan ürünlerden biri alkoldür. Bütün mikroorganizmalar içinde mayalar özellikle Saccharomyces cerevisiae alkol üreticisi olarak bilinmektedir. Mayalar aerobik mikroorganizmalardır. Ancak, ortamda oksijen bulunmazsa şekerleri alkol ve CO 2 e kadar fermente ederler. Mayaların dışında anaerob veya fakültatif anaerob birçok bakteri de hegzosları veya pentozları fermente edebilme yeteneğindedir. Son ürün alkol bazen esas ürün bazen de yan ürün olarak meydana getirilmektedir. Bakterilerden Zymomonasmobilis en iyi etanol üreticisi m.o dır. 1

2 Mayalarda etanol fermentasyonu Glukozun mayalar tarafından fermentasyonu FDP (Fruktoz difosfat) yolu üzerinden olmaktadır. FDP yolunda 1 mol glukozdan 2 mol pirüvat oluşur. GLUKOZ 2 PİRUVAT Pirüvatın etanole dönüşümünde iki kademe bulunmaktadır: 1. Pirüvat ilk önce pirüvat dekarboksilaz enzimi TPP nin de reaksiyona katılmasıyla asetaldehite dekarboksile olur 2. Sonra asetaldehit alkol dehidrogenaz enzimi ve NADH 2 nin koenzim olarak vazife görmesiyle etil aloke redükte olur. AEROBİK SOLUNUM (Sitrik asit cevrimi) FERMENTASTON Etil alkolün endüstriyel önemi Etanol hem enerji kaynağı (biyoyakıt) hem de çeşitli kimyasal maddelerin üretiminde hammadde olarak kullanılması nedeniyle önemlidir. Etanol biyoyakıt olarak petrolün yerini alabilecek önemli bir endüstriyel üründür. Ayrıca, çevreye olan zararlı etkisi çok az olduğundan, büyük önem taşımaktadır. Biyolojik yolla etanol üretimi daha çok tarımsal esaslı ürünlerden yapıldığı için atmosferik karbon döngüsünü de arttırmaktadır. Günümüzde petrol rezervleri yeterli olmayan bazı ülkeler alternatif enerji kaynağı veya katkısı olarak fermentasyon endüstrilerini geliştirmişlerdir. Örneğin, Brezilya da %95 etanol ve %5 su karışımıyla çalışan araçlar bulunmaktadır. Endüstriyel boyutlarda etanol üretimi birçok Avrupa ülkesinde daha ortaçağda başlamış iken ülkemizde ancak son yüzyılda başlamıştır. Ülkemizde üretimde olduğu gibi, bu konuda yapılan araştırmalarda da geç kalınmış ve alkol üretimi ile ilgili araştırmalar sınırlı kalmıştır. Endüstriyel etanol üretiminde S. cereviciae ve Z. mobilis kullanılmaktadır. Etil alkol üretiminde kullanılan substratlar Alkol üretiminde substrat olarak şekerli ürünler, nişasta ve selüloz içeren ürünler kullanılır. Polisakkarit bazlı substratların ön işlemden geçirilerek asit, amilaz ve selülaz enzimleri ile hidroliz edilmeleri gerekmektedir. Ülkemizde çoğunlukla alkol üretiminde kuru üzüm ve melas, ABD de mısır, Brezilya da ise şeker kamışı kullanılmaktadır. Son yıllarda özellikle selüloz bazlı atıklardan etil alkol üretimi üzerine yoğun çalışmalar bulunmaktadır. Bunların dışında, patates, pancar, odun şekeri, sülfit şurubu, çeşitli meyveler ve peynir altı suyu da alkol üretiminde kullanılmaktadır. S. cereviciae ile etanol üretimi Fermentasyon koşulları ph: alkol fermentasyonunda kullanılan mayalar genellikle ph arasında gelişip etkinlik göstermektedirler. Çok düşük ve yüksek ph dan olumsuz etkilenirler. Maya üretimi sırasında ortam ph sı arasında olacak şekilde asitlendirilir. Ferm. sırasında ph e çıkabilir. ph ayarı H 2 SO 4 ile yapılır. Sıcaklık: en iyi alkol verimi C de elde edilir. 2

3 Substrat konsantrasyonu: ferm sıvısı içinde yüksek şeker konsantrasyonu sebep olacağı yüksek ozmotik basınç nedeniyle mayaların etkinliğini olumsuz yönde etkileyebilir. %20 nin üzerindeki şeker konsantrasyonunda mayanın çoğalması ve fermentasyon gücü zayıflamaktadır. Fermentasyon sırasında oluşan alkol de belirli bir konsantrasyonunun üzerinde maya hücrelerin inhibe etmektedir. Eğer fermentasyon sıvısındaki alkol konsantrasyonu ortamdaki tüm şeker kullanılmadan maya üzerinde olumsuz etki gösterecek düzeye ulaşırsa maya kalan şekeri tüketemez. Ortamda fermente olmamış şeker kalır. Melastan etil alkol üretimi Ülkemizde alkol melastan üretilmektedir. Mayşenin hazırlanması: melas %60 km ye sulandırılır. H2SO4 ile ph 4.5 e ayarlanır ve kaynatılır. Kaynatmada çamur ve kirlilikler dibe çöker. Üst kısımdaki melas kullanılır. Daha sonra %25-30km ye sulandırılır. Önceden %15 km li mayşede çoğaltılmış maya fermentasyon tanklarına alınır. Üzerine kabın 1/3 veya ¼ ü oranında %hazırlanmış mayşe ilave edilir. Fermentasyon köpürme aşamasına gelince üzerine aynı oranda mayşe ilave edilir. Bu işleme kabarma payı hariç kap dolana kadar devam edilir. Fermentasyon 10-12saat sonra tamamlanır ve km %6-7 ye kadar düşer. Ferm 30-32C de tutulur. Kültür ortamından etanolün kazanılması Fermentasyon tamamlandıktan sonra etanolün kazanılması distilasyon ile sağlanır. Distilasyonda ⁰C de kaynayan fraksiyonun yoğunlaştırılmasıyla elde edilen ürün %96 oranında alkol içermektedir. LAKTİK ASİT ÜRETİMİ Laktik asit Fermentasyon atığının değerlendirilmesi Mayanın ve etanolün ayrılmasından sonra geri kalan atıkta protein, yağ, mineraller vb. maddeler bulunur. Bunlar hayvan yemi üretiminde kullanılır. LA gıda, tekstil ve eczacılıkta kullanılan olan bir organik asittir. Fermente süt ürünlerinde LA bulunmaktadır. Atıktan biyogaz üretimi de mümkündür. Laktik asit bakterileri zorunlu fermentatiftirler Ürün oluşum profillerine göre 2 ye ayrılır 1. Homofermentatif laktik asit bakterileri Glukozdan yaklaşık %90 veya %100 oranında LA üretirler. Lactobacillus thermophilus L. bulgaricus, L. delbrucki L. casei L. plantarum. 2. Heterofermentatiflaktik asit bakterileri Laktik asitin yanında önemli miktarda etil alkol, asetik asit, CO 2 ve gliserin oluştururlar. L. brevis L. buchneri Streptococcus lactis Leoconostos 3

4 Laktik asit üretiminde kullanılan substratlar Melas, laktoz içeren hammaddeler (peynir altı suyu), odun şekerleri, turunçgil-meyve suyu atıkları, nişastalı hammaddeler Sıcaklık: Termofiller için C, mezofiller için C. ph: Şeker konsantrasyonu: en uygun şeker konsantrasyonu %5-20 arasındadır. Anaerob veya fakültatif anaerob oldukları için havalandırma gerekli değildir. Fermentasyon anaerobik derin kültür tekniği ile 2-8 günde gerçekleştirilir. Fermentasyon sırasında oluşan asitin nötralleştirilmesinde CaC0 3 veya MgCO 3 kullanılır. M.o türü ve fermentasyon koşulları ayarlanarak L-laktik asit veya D- laktik asitin istenileni üretilebilir. İnsan organizması L-laktik asiti kullanabilmektedir. fermentasyon sona erdiğinde sıvı fazda bulunan Ca-laktat, H 2 SO 4 ile serbest hale dönüştürülür. Filtrasyon deriştirme ve saflaştırma işlemlerinden sonra laktik asit elde edilir. SİTRİK ASİT ÜRETİMİ Fermentasyonla sitrik asit üretimi yüzey kültür tekniğinin en önemli uygulamalarından biridir. Bununla birlikte günümüzde derin kültür tekniği de yaygın olarak kullanılmaktadır. Sitrik asit gıda ve ilaç endüstrisinde, boyacılık ve matbaacılıkta ve ayrıca sentetik polimerlerin üretiminde kullanılmaktadır. Yıllık üretim 1.6 milyon ton kadardır. Bunun %50 si içecek sanayiinde asit düzenleyici olarak kullanılmaktadır. Ticari olarak sitrik asit önceleri tümüyle olgunlaşmamış limondan ve ananastan üretilmekteydi. 20. yy ın ilk yarısından sonra m.o lar tarafından fermentasyon yoluyla elde edilmeye başlanmıştır. İlk üretim 1924 yılında gerçekleşmiştir. Fermentatif sitrik asit üretiminde pratikte yalnız Aspergillus türü küfler kullanılmaktadır. Biyokimyası Glukoz glikoliz (HMP yolu) ile pirüvata dönüşmektedir. Oluşan pirüvataın dekarboksilasyonu ile asetil KoA oluşmaktadır. Aerobik mikroorganizmalarda Asetil KoA sitrat çevrimi (Krebs) ile organizma için gerekli olan enerji sağlanmaktadır. Organizmanın enerji gereksinimi varsa çevrim tamamlanır ve 2CO2, 3NADH, FADH2 ve GTP açığa çıkar. Eğer organizmanın enerji gereksinimi yoksa sitrat sitoplazmaya geçerek yağ asidi ve yağ sentezinde kullanılır. O halde biz sitrik asit üretmek istiyorsak çevrimde sitratın cisakonitat üzerinden izositrata dönüşümünü ve sitratın yağ asidi sentezinde kullanılmasını engellememiz gerekir. Sitratın cis-akonitata dönüşümünü katalizleyen akonitat hidrataz enzimi inhibe edilmelidir (Floroasetat ile). Aspergillus türlerinde bu enzimin aktivitesi düşüktür. İzositrat-dehidrogenaz aktivitesinin de düşük olması istenir. Bunun için potasyum ferrosiyanür kullanılır. Üretim tekniği Substrat olarak nişasta hidrolizatı veya melas kullanılır. Ağır metal iyonları enzim inhibisyonu sebebiyle verimi düşürdüğünden melastan uzaklaştırılmaları zorunludur. İzositrat dehidrogenaz inaktivasyonu için ortama katılan potasyum ferrosiyanür aynı zamanda ağır metal iyonlarını çöktürse de en iyisi seyreltilmiş melası iyon değiştirici kolondan geçirmektir. 4

5 Sitrik asit hem yüzey kültür tekniği hem de derin kültür tekniği ile üretilir. Yüzey kültür tekniği: üretim tepsileri ph sı 2.2 ye ayarlanmış ve aşılanmış seyreltik melas ile doldurulur. Sıcaklık C de tutularak fermentasyona 8-10 gün devam edilir. Verim %60-80 arasındadır. Derin kültür tekniği: Aspergillus miselleri ipliksi değil küresel yapılı olduğundan derin kültür tekniği ile sitrik asit üretimi mümkündür. Fermentasyon süresi kısa ve hücre çoğalması daha az olduğundan bu tekniğin verimi daha yüksektir. ph yükselirse yan ürün olarak okzalik asit ve glukonik asit oluşur. Bu nedenle ph 2.2 de sabit tutulmalıdır. 5