Fermentasyonda mikroorganizmalar
Mikroorganizmalar:
Protista aleminde sınıflandırılırlar.
Genel özellikleri:
¨Basit bir yapısal organizasyon gösterirler.
¨Genellikle tek hücreli, bazen de çok hücrelidirler.
¨Doku, organ oluşumu gibi hayvan ve bitkilerde görülen oluşumlar görülmez.
Protistalar
Prokaryotlar Ökaryotlar
Bakteri Mavi yeşil alg Funguslar Algler Protozolar
Küf Maya
Biyoteknolojik çalışmalarda en önemli mikroorganizmalar bakteri, maya ve küflerdir.
Bakteriler:
Büyüklükleri 1-10μm arasındadır.
Çok geniş bir yüksek moleküllü kimyasal maddeleri parçalama yetenekleri vardır. Bu nedenle metabolizmalarının ara ve son ürünlerini elde edebilmek için yaygın olarak endüstriyel alanda kullanılmaktadır.
Ayrıca enzim üretimi açısından da zengin bir kaynaktır.
Aerobik veya anaerobik olarak gelişebilirler.
Gelişimleri için önemli faktörler:
¨Sıcaklık: Psikrofil, mezofil, termofil
¨pH: Gelişim aralığı pH 4-9
¨Oksijendir: aerob, anaerob, fakültatif anaerob, mikroaerofil
Mikrobiyal beslenme:
Su
Karbon kaynağı
Enerji kaynağı
Azot kaynağı
Mineral maddeler
NOT: bir mikroorganizmanın üremesi için gerekli optimum şartlar, o organizmanın istenen dönüşümü gerçekleştirmesi için gerekli en uygun şart olmayabilir.
Mikroorganizmaların büyük çoğunluğu organik substratların katabolik parçalanmasıyla enerjilerini sağlarlar.
Mikroorganizmaların çoğu gelişimleri için gerekli karbon kaynağını organik karbon kaynaklarının parçalanmasından veya şekil değiştirmesinden sağlarlar. Bu kaynaklar nişasta, şeker, organik asitler, yağ ve karbonhidratlardır.
Bu karbon kaynaklarının parçalanmış şekilleri mikroorganizmadan mikroorganizmaya değişiklik gösterir.
Örn: mayalar nişastayı parçalayamadıkları veya çok yavaş parçaladıkları halde; şekerleri hızla parçalarlar.
Azot kaynağı olarak çoğunlukla NH+4 ve NO-3 gibi anorganik azotlu maddeler ile amino asit, pepton, maya ekstraktı ve protein gibi maddeler, organik azotlu maddeler kullanılırlar.
Mikroorganizma faaliyeti için
¨element halinde O, H, P, S, K, Ca, Mg, Fe ve
¨iz element olarak Mn, Cu, Zn, Mo, Co, Ni, Bo, Na, Si gereklidir.
Endüstriyel Fermentasyonlarda Kullanılan Substratlar:
Laboratuvarlarda herhangi bir mikroorganizmanın geliştirilmesi için kullanılacak besiyerlerinin, hücre materyallerinin sentezlenmesi ve metabolik ürünlerin üretimi için, gerekli bütün elementleri uygun formda, bileşiminde bulundurması esastır.
Laboratuvarlarda araştırma amacı ile herhangi bir mikroorganizma üretilirken bilinen saf kimyasal maddelerden oluşan bir besiyeri kullanılır.
Buna karşılık endüstriyel fermentasyonlarda ekonomik nedenlerle kompleks yapıda, tam tanımlanamayan bileşimde, bir çok substrat sıkça kullanılır. Prosesin özelliğine de bağlı olarak fermentasyon maliyetlerinin %25-70 kadarını karbonhidrat kaynaklı substratlar oluşturur.
Karbon kaynağı olarak kullanılan substratlar:
Fermentasyon endüstrisinde karbonhidratlar geleneksel olarak enerji sağlayıcı maddelerdir. Ekonomik nedenlerle saf glikoz veya sakkaroz, nadiren (çok kesin fermentasyon kontrolü söz konusu olduğunda) karbon kaynağı olarak kullanılır.
Melas:
Şeker sanayinin yan ürünü olan melas, en ucuz karbonhidrat kaynaklarından biridir. Kristal şeker üretiminde harcanan emek ve masrafı karşılayacak miktarda içinden kristal şeker elde edilemeyen son şuruptur.
Bileşiminde yüksek miktarda şeker (%50-55) yanında azotlu maddeler, vitaminler ve iz elementler bulunduğu için çok kullanılan bir substrattır.
Melas kalitesinde yer, iklim ve şeker fabrikasının teknolojisine bağlı olarak büyük farklılıklar görülür. Bilinen geleneksel melastan ayrı olarak bir de mısır nişastasından glikoz üretimi prosesinden arta kalan hidrol melası da fermentasyon substratı olarak kullanılır.
Ekmek mayası, etil alkol, sitrik asit, laktik asit, asetik asit, aseton, bütanol üretiminde kullanılır.
Malt ekstraktı:
Maltlanmış arpanın saf ekstraktı bir çok fungus ve aktinomiset için mükemmel bir besiyeridir. Kurutulmuş malt ekstraktının yaklaşık %90-92’si karbonhidratlardan oluşur. Bileşiminde
¨Heksozlar (glikoz, fruktoz),
¨Disakkaritler (maltoz, sakkaroz)
¨Trisakkaritler (maltorioz)
¨Dekstrinler bulunur.
Malt ekstraktında bulunan azotlu maddeler;
Malt ekstraktında proteinler, peptidler, aminoasitler, pürinler, pirimidinler ve vitaminler bulunur.
Besiyeri içerisine malt ekstraktı konuluyorsa sterilizasyon aşamasında dikkatli olunmalıdır. Yüksek sıcaklık ve yüksek şeker içeriği nedeniyle Maillard reaksiyonu meydana gelir. (bu reaksiyonda aminlerin amino grupları, amino asitler veya proteinler; indirgen şekerlerin, aldehitlerin veya ketonların karbonil gruplarıyla reaksiyona girerler ve sonuçta kahverengi reaksiyon ürünleri oluşur).
Maillard reaksiyon ürünleri mikroorganizmalar için uygun değildir. Besiyerine sterilizasyonda zarar veren ve böylece verimi büyük ölçüde düşüren önemli bir faktördür.
Nişasta ve dekstrinler:
Bunlar amilaz enzimi üreten mikroorganizmalar tarafından karbon kaynağı olarak kullanılırlar.
Fermentasyon substratı olarak sıkça kullanılan glikoz şurubuna ilave olarak etanol fermentasyonunda substrat olarak nişasta giderek daha büyük önem kazanmıştır.
Selüloz:
Kolay elde edilebilir ve ucuz olması nedeniyle selüloz, şeker veya alkole dönüştürülebilen substratlar içinde en çok kullanılan ve incelenen maddedir.
Dünyada üretilen selüloz miktarının yılda 1011 ton olduğu tahmin edilmektedir (koçan, ağaç artıkları, atık kağıt dahil).
Selüloz doğrudan karbon kaynağı olarak kullanılmaz, önce kimyasal veya enzimatik yolla hidrolize edilmesi gerekir. Selülozun hidrolizi ile elde edilen şeker şurubu etanol fermentasyonunda kullanılabilir.
Peynir altı suyu (whey):
Süt endüstrisinde bir atık üründür. Üretilen peynirin çeşidine bağlı olarak 100kg sütten ortalama 70-90kg peynir suyu oluşur.
Bileşimi: %93 su, %4 laktoz, %0.9 protein, %0.6 mineral madde, %0.3 yağ,%0.2 laktik asit
Etanol, tek hücre proteini (SCP), vitamin B12, amino asitler (lisin, treonin), metan, organik asit, laktik asit ve ciberellik asit üretiminde kullanılır.
Taşıma ve depolama zorlukları nedeniyle peynir altı suyu doğrudan substrat olarak ekonomik değildir.
Hayvansal ve bitkisel yağlar:
Bazı mikroorganizmalar yağları kullanabilseler de, yağlardan genelde substrat tamamlayıcı olarak yararlanılır. Örn: bazı antibiyotiklerin üretilmesinde soya, palmiye, zeytinyağı kullanımı gibi.
Azot kaynağı olarak kullanılan substratlar:
Endüstriyel üretimlerde genelde N kaynağı olarak amonyum tuzları, üre veya gaz amonyak kullanılır.
Ayrıca mısır ıslatma suyu (şurubu) (corn steep liquor) da sıkça kullanılır. Bu şurup mısırdan nişasta ekstraksiyonu sırasında ortaya çıkan yan üründür.
¨Konsantre ekstrakt (~%4N içerir) çok sayıda amino asit (alanin, arginin, glutamik asit, izolosin, treonin, valin, fenilalanin, metionin, sistin gibi) içerir.
Temelde azotça zengin olmasından ötürü azot kaynağı olarak kullanılmasına rağmen, laktik asit, az miktarda indirgen şeker ve bazı kompleks polisakkaritleri de karbon kaynağı olarak içermektedir.
Mısır ıslatma şurubunda bulunan şeker (%9-20) laktik asit bakterileri tarafından laktik aside dönüştürülür.
Maya ekstraktı:
Birçok mikroorganizma için mükemmel bir substrattır.
Ekmek mayasının 50-55°C’de otolizi veya NaCl varlığında mayanın plazmolizi sonucu elde edilir.
Amino asit, peptid, suda çözünen vitaminler, karbonhidratça zengindir.
Üretiminde maya hücresindeki glikojen ve trehaloz glikoza hidroliz olur.
Proseste kullanılan substratın farklı maya kültürlerinden olması da, maya ekstraktının kalitesine etki eder.
Peptonlar (protein hidrolizatları):
Birçok mikroorganizmanın kullanabildiği bir substrattır. Ancak endüstriyel üretimler için oldukça pahalıdır.
Pepton kaynakları: Et, kazein, jelatin, keratin, yer fıstığı tohumları, soya unu, çiğit, ayçiçeği tohumudur.
Elde edildiği kaynağa göre bileşimi de değişir.
¨Jelatinden elde ediliyorsa prolin ve hidroksiprolince zengin, S’lü aminoasitlerce fakirdir.
¨Keratinden elde edilyorsa yüksek miktarda prolin ve sistin içerir, lisin içermez.
Soya peptonu veya çiğit peptonu gibi bitkisel kaynaklardan elde edilen peptonlar yüksek miktarda karbonhidrat içerirler.
Peptonlar hidroliz tipine bağlı olarak bileşimlerinde farklılık gösterirler.
Örn: kazenden enzimatik yolla elde edilen peptonlarda yüksek miktarda (8.6mg/g) triptofan, asitle hidrolizinden elde edilen peptonlarda ise iz miktarda (0.05mg/g) triptofan bulunur.
Soya unu:
Soya yağı çıkarıldıktan sonra arta kalan kısımdır.
Bileşiminde %50 protein, %30 karbonhidrat (sakkaroz, rafinoz, arabinan, arabinoglukan ve asidik polisakkaritler, %1 yağ, )%1.8 lesitin bulunur.
En çok antibiyotik fermentasyonlarında kullanılır.
Fermentasyon sanayiinde kullanılan azot ve karbon kaynakları:
Azot kaynağı Karbon kaynağı
Soya unu Yulaf unu
Mısır ıslatma suyu Çavdar
Yulaf unu Arpa
Çavdar Soya unu
Arpa Hurda incir
Melas Toz şeker
Peynir suyu tozu Glikoz
Hidrolize nişasta
Laktoz
Peynir suyu tozu
…