Fermentasyon teknikleri GIDA BİYOTEKNOLOJİSİ Yüzey kültür tekniğinin dezavantajları. Fermentasyon teknikleri ve Biyoreaktörler

Transkript

1 Fermentasyon teknikleri GIDA BİYOTEKNOLOJİSİ Fermentasyon teknikleri ve Biyoreaktörler Enzimler veya hücreler tarafından katalizlenen biyokimyasal reaksiyonların gerçekleştiği biyoreaktörler ile klasik kimyasal reaksiyonların gerçekleştiği reaktörler arasında reaktör verimine etkiyen parametreler açısından önemli farklılıklar vardır. Biyoreaktör hücre çoğalması ve metabolit üretimini garantileyecek koşullara sahip olmalıdır. 1 2 Endüstriyel fermentasyonlarda yüzey kültür tekniği veya derin kültür tekniği kullanılır. 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. 3 4 Katı besi ortamı yüzeyinde üretimi yapılan gıdalar soya sosu ve tempeh gibi ürünlerdir 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 olması. Tempeh 5 6 1

2 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. Derin kültür tekniği Fermentasyon kabı içinde yeterli karıştırma ve havalandırma yapılarak m.o lar sıvı ortamda geliştirilirler. Reaktörler paslanmaz çelikten yapılmış silindirik tanklardır. Bu teknik, sitrik asit, kültür üretimi ve hayvan hücre kültürlerinden aşı üretiminde kullanılır 7 8 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) 1) kesikli yöntem üretim kabı substrat ile doldurulur. Sterilizasyondan sonra inoküle edilir. Ferm sonunda biyoreaktör boşaltılır ve temizlenir ) 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 engellenir. M.o ların spesifik üreme hızları istenilen seviyede tutulabilir

3 Dezavantajları M.o ların verimliliklerinin ve fizyolojilerinin çok iyi bilinmesi gerekir Proses geliştirme ve operasyon için uzmanlık gerektirir. 3) 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. 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

4 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 Biyoreaktörler Gıda endüstrisinde biyoreaktörler proteinlerin, organik asitlerin, aminoasitlerin, antibiyotiklerin, enzimatik veya mikrobiyal biyotransformasyon proseslerinde önemli bir role sahiptir. Amaca uygun çok değişik boyutlarda ve şekillerde biyoreaktörler yapılmakta ve kullanılmaktadır. Ancak prensip olarak biyoreaktör işlemin gerektirdiğinden komplike olmamalıdır. 23 Tüm biyoreaktörlerin sahip olmaları gereken temel özellikler Biyoreaktör steril şartlar altında işletilebilmeli ve uzun süreli reaksiyonlar için güvenilir olmalıdır M.o tarafından gereksinim duyulan havalandırma ve karıştırmayı sağlayabilmelidir Güç sarfiyatı mümkün olduğunca az olmalıdır Sıcaklık ve ph kontrolü sağlanabilmelidir Numune alabilmek için gerekli düzeneğe sahip olmalıdır 24 4

5 İşletme, temizleme ve bakım sırasında mümkün olduğunca az işgücü gerektirmelidir. Genel olarak geniş bir proses çeşitliliğinde çalışılabilmelidir. İç yüzeyi mümkün olduğunca pürüzsüz olmalıdır. Üretim yapılacak olan reaktör, pilot ölçekli reaktörle benzer yapıya sahip olmalıdır. Kullanılan biyoreaktör tipinden bağımsız olarak her biyoreaktörün sahip olması gereken temel parçaları: 1)Gövde : genellikle silindiriktir. Alt ve üst bombeler basınca karşı dayanıklılığın artmasını sağlar. 2) kapak: doldurmaya yarayacağı gibi gövde içinin temizliği için giriş ve çıkışlar da da önemlidir. Kapak substratın sterilizasyonundan önce kapatılır ve işlem sonuna kadar bir daha açılmaz ) aşılama kapağı: inokülasyon amacıyla kullanılır. Bu işlem alev yardımıyla gerçekleştirilir. 4) dalga kıranlar: karıştıcıların oluşturacağı vorteksi engellemek amacıyla kullanılır. 4 tanedir ve genişlikleri çapının 1/10-1/12 si kadardır 5) hava dağıtıcılar 6) steril hava girişi ve ölçüm cihazları: hava filtrelerden geçirilir. Hava debisi flowmetrelerle ölçülür 7) sıcaklık ve kontrol düzeneği: sterilizasyon ve fermentasyon boyunca sıcaklığın ölçümü ve ayarı için çeşitli düzeneklere ihtiyaç vardır. Isıtma işlemi biyoreaktörün dışında bulunan bir ceket yardımıyla veya içinde veya dışında bulunan serpantinler yardımıyla gerçekleştirilebilir. Sıcaklık kontrolü, fermentör içine daldırılmış özel elektrot yardımıyla, ayarlanmış olan sıcaklığın üzerine çıkıldığında veya soğutma suyu vanası otomatik olarak açılıp kapatılarak yapılır ) Basınç kontrol sistemi: fermentör üzerindeki gaz fazı yardımıyla (+) basınç sağlanmalıdır. Böylece dışarıya bağlantı kısımlarından istenmeyen m.o ların içeri girişi önlenebilir. 9) ph kontrol sistemleri: üretim sırasında değişen ph nın ayarı ve kontrolü için sürekli ölçülüp gerektiğinde düzenlenmesi gerekir. ph kontrolü, biyoreaktör içine daldırılan bir ph elektrodu yardımıyla ayarlanmış olan ph nın üzerine çıkıldığında veya düştüğünde sistem otomatik olarak asit veya baz ilave eden bir düzenek yardımıyla gerçekleşir ) steril besin maddeleri katkı düzeneği: üretim sırasında ilave edilmesi gereken katkı maddeleri aseptik koşullarda ortama verilebilmelidir. Bunun uygun debili dozaj pompaları kullanılır veya biyoreaktör basıncından daha yüksek basınç altında tutulan kaplar yardımıyla gerçekleştirilir. 11) örnek alma vanaları 12) Karıştırıcı sistemi: ısı ve oksijen transferini sağlayacak karıştırıcı uygun karıştırmayı sağlayacak şekilde seçilmeli. Karıştırıcı motorlarının gücü de uygun kapasitede seçilmeli 30 5

6 31 32 Biyoreaktör çeşitleri Derin kültür reaktörlerinin uygulanan karıştırma ve havalandırma şekline göre çeşitli tipleri vardır Mekanik karıştırmalı biyoreaktörler karıştırma mekanik olarak gerçekleşir En basiti silindirik bir tank ve karıştırıcıdan oluşur. Birçok reaktörde vorteks oluşumunu engellemek amacıyla kenarlarda dalgakıranlar bulunur. Genellikle tankın uzunluk/çap oranı 3-5 arasındadır. Karıştırıcı şaft üzerindeki pervane sayısı buna bağlı olarak değişir. Reaktöre gaz (hava) karıştırıcının en alt pervanesinin altından verilir. Böylece havanın reaktörün içerine homojen olarak dağılımı sağlanır. Karıştırıcı hızı bu tip reaktörlerde önemli bir parametredir. Karıştırıcı hızı reaksiyonun homojen olarak devam etmesini sağlayacak ancak m.o lara zarar vermeyecek düzeyde olmalıdır

7 Hava kaldırmalı reaktörler Bu tip reaktörlerde reaktörün sıvı hacmi bir seperatör yardımıyla ikiye ayrılmıştır. Bu bölümlerden sadece birinden reaktörün içine hava verilir. Hava verilen kısımdan yükselen sıvı diğer kısımdan aşağıya iner ve reaktör içerisinde karışım sağlanır. Hava kaldırmalı reaktörlerde enerji karıştırmalı tank reaktörlere göre daha etkin kullanılır. Bu tip reaktörler hassas m.o lardan elde edilen farmasötik ürünlerin üretiminde kullanılır. Akışkan yataklı reaktörler Bunlar, sıvı-immobilize enzim gibi askıda katı madde reaksiyonları için uygun reaktörlerdir. Bir akışkan yataklı reaktör sisteminin çalışabilmesi için alttan bir gaz veya hava yardımıyla hareketlendirilmesi gerekir. Yukarı doğru sağlanan akış reaktördeki katıların süspanse edilmesi için kullanılır. Geometrik olarak reaktörün tepe kısmı süspansiyonun hızının yavaşlatılması için genişletilmiştir. Sonuç olarak bu geniş kısma gelen katılar reaktörün içine tekrar dönerler Sabit yataklı kolon reaktörler Bir yatak oluşturacak şekilde sıkıştırılmış ve üzerinde veya içinde biyokatalizör immobilize edilmiş katı partiküller sabit yataklı biyoreaktörü oluşturur. Yatak görevi gören malzeme gözenekli katılardan veya homojen jellerden oluşur. Bu tip reaktörler genel olarak immobilize enzim prosesleri için kullanılırlar ve ph kontrolü mümkün değildir. İmmobilize biyokatalizör için uygun sıvı besiyeri yatağın içinden sürekli olarak akar Metabolitler ve ürünler bu sıvıya salınır ve dışarı alınır. Akış yukarı veya aşağı olabilir ancak aşağı akışlarda yerçekiminden yararlanılacağı için daha yaygındır. Eğer akış yukarı olursa, debi en fazla yatağı harekete geçirmeyecek kadar olabilir