5.11.2015

1

ENDÜSTRİYEL MİKROBİYOLOJİ

BİYOPROSESLER

1

Endüstriyel biyoprosesler

• Hücre içerisinde enzimlerin katalizörlüğünde binlerce reaksiyongerçekleşir. Bunların çok azından endüstride yararlanılmaktadır.Endüstriyel mikrobiyolojik üretimlerde amaç m.o’lar veya onlarınenzimleri ile değerli ticari ürünleri büyük ölçekte üretmektir

• Biyoproses: Biyolojik elemanlar kullanılarak endüstriyelboyutlarda gerçekleştirilen üretimlere biyoproses (biyoişlem)denir.

• Biyoproseslerde m.o’ların normalde gerçekleştirebildiğimetabolik reaksiyonlarla, ilgilenilen ürünün büyük ölçeklerdeaşırı üretimi gerçekleştirilir.

2

• Biyoprosesler substratın m.o’lar tarafından ürünedönüştürülmesi veya veya enzimlerle (biyokatalist) kimyasalreaksiyonların gerçekleştirilmesi şeklinde olabilir

3

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)

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

4

İki temel tipte metabolit vardır

Primer metabolitler

Sekonder metabolitler

M.o’ların metabolik ürünleri

• Sekonder metabolit: üreme fazının sonuna yakın (çoğunlukla üremenin durağan fazında oluşan üründür.

• En iyi bilinen sekonder metabolitler antibiyotiklerdir.

• toksinler, alkaloidler, bitki büyüme faktörleri de sekondermetabolitlerdir

5

• 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.

6

5.11.2015

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

5) Ürünün gelişme ortamından ayrılması ve saflaştırılması

7

Endüstriyel üretim prosesinin akım şeması

8

SUBSTRAT

BİYOKüTLE VE KÜLTÜR SIVISININ AYRILMASI (filtrasyon,seperasyon)

ÜRÜN SAFLAŞTIRILMASI, AMBALAJLAMA

STERİLİZASYON

FERMENTASYON ORTAMININ HAZIRLANMASI

FERMENTASYON

ÜRÜN ATIK YOKEDİLMESİ

Analitik testler

Üretim suşununçoğaltılması

Ölçme ve ayarlama

pH ayarlaması

P, N kaynağı ilavesi

Su

Havalandırma

Karıştırma

CO2 ve diğer gazlarEnerji

Isı

Fermentasyon atığı

Fermentasyon atığı

Aşılama

Besiyeri formülasyonu

• Besiyeri formülasyonu fermentasyon teknolojilerindebüyük öneme sahiptir.

• Ekonomik bir üretim gerçekleştirebilmek için kültürortamı formülasyonunun çok iyi tasarlanmış olmasıgerekmektedir.

• M.o için gerekli besin maddelerini yeterli miktardauygun formlarda içeren bir besiyeri başarılı birüretimin ilk adımıdır.

9

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

10

• Mikrobiyal gelişme için hücrenin elementel bileşimi temel alınır

Bir m.o hücresinin tipik elementel bileşimi

11

Element Hücre kuru ağırlığına göre (%)

Karbon 50

Azot 7-12

Fosfor 1-3

Kükürt 0.5-1.0

Mg 0.5

Mikrobiyal gelişme amacıyla kullanılacak herhangi bir ortam en

azından bu elementleri uygun oranlarda içermelidir.

C, H, ve O hariç bu değerler esas alınarak hesaplama yapılabilir.

• M.o lar dışarıdan aldıkları besin maddelerini kendilerine özgübileşiklere dönüştürürler. Aşağıdaki çizelgede bakteri vemayaların sentezledikleri materyallerin yaklaşık değerlerierilmiştir.

12

% Bakteriler Mayalar

Protein ve amino asitler

52.4 39

karbonhidrat 16.6 39.1

RNA 15.7 10.8

DNA 3.2 10.8

Lipid 9.4 7.0

Kül 3.5 4.1

5.11.2015

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.

13

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.

14

Bir endüstriyel üretimde kültür ortamının temel bileşenleri :

su,

karbon kaynakları

azot kaynakları

İnorganik maddeler

Vitaminler

Oksijen

Köpük kırıcılar

15

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.

16

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.

17

• 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.

18

5.11.2015

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.

• 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.

19

• Melasın kompozisyonu bitkinin kaynağına, ürünün yerine, iklim koşullarına ve işlendiği fabrikaya göre değişmektedir.

20

MALT EKSTRAKTI

• Çimlendirilmiş arpanın sulu ekstraktlarının konsantre

edilmesiyle elde edilen şurup özellikle ipliksi mantarların,

mayaların geliştirilmesi için uygundur.

• Malt ekstraktların kuru madde bazında %90 oranında

karbonhidrat içermektedir.

• Yapısındaki CHO’ların %20’si heksozlardan, %55 i ise

disakkaritlerden (özellikle maltoz) oluşmaktadır.

21

•% 15-20 oranında dekstrinler

•% 5 oranında azotlu bileşikler ve vitaminler de içermektedir.

22

NİŞASTA VE DEKSTRİNLER

• 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.

• Nişastanın birçok fermentasyonda kullanılabilmesi için genellikle

glukoz içeren bir şeker şurubuna dönüştürülmesi gerekmektedir.

23

ATIK SÜLFİT ŞURUBU

• 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.

24

5.11.2015

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.

• Günümüzde çoğunlukla çeşitli mantarların üretimi için katı kültür

fermentasyonlarında kullanılmaktadır

25

•Selüloz hidroliz edildiğinde oluşan fermente

edilebilir şekerler özellikle yakıt olarak

kullanılan etanol biyodönüşümü için çok

değerli potansiyel bir yenilenebilir kaynaktır.

26

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.

• PAS depolamak ve taşımak için pahalı bir materyaldir. Bu

nedenle süt proteinleri uzaklaştırıldıktan sonra evaporasyonla

konsantre edilir.

27

• Laktoz çok az m.o tarafından metabolize edildiği için

sakaroza göre kullanımı azdır. Örn S. Cerevisiae laktozu

fermente edemez.

• Laktoz eskiden pesnisilin üretiminde kullanılmaktaydı.

• Günümüzde etanol, tek hücre proteini, laktik asit,

ksantan gam, B12 vitamini üretiminde kullanılmaktadır.

28

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.

29

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.

30

5.11.2015

6

MAYA EKSTRAKTLARI

• Maya ekstrakları atık ekmek ve bira mayası veya S.

cerevisiae nin diğer suşlarından üretilir.

• Ayrıca Kluyveromyces marxianus, Candida utilis ten de

üretilmektedir.

31

PEPTONLAR

• 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.

32

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.

33

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

34

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.

35

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.

36

5.11.2015

7

Oksijen

• Aerobik proseslerde m.o’ların faaliyet gösterebilmeleri için yeterli havaoksijeninin sağlanması oldukça önemlidir.

• Buradaki en önemli problem oksijenin sudaki çözünürlüğünün düşükolmasıdır.

• Normal koşullarda saf su hava ile doyurulduğunda 8 mg/L (0,25 mmol/L)konsantrasyona ulaşabilir.

37

C6H12O6 + 6 O2 6CO2 + 6H2O

1 mol glikozu oksitleyebilmek için 24000 L hava (suda tamamen doyurulmuş)

gerekir

•Aerobik fermentasyonlarda besi ortamına

oksijen transferi en azından biyolojik oksijen

tüketimini karşılayacak hızda

gerçekleştirilmelidir.

•Birçok m.o yeterince oksijen alamadığında

metabolizması değiştirir.

38

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.

39

Köpük kırıcılar

• 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

40

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.

41

- 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.

42

5.11.2015

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.

43

• 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.

44

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.

45

• 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.

46

• Isıya dayanıksız olan bileşenlerin degredasyonu:

bazı vitaminler, aminoasitler ve proteinler yüksek

sıcaklıkta bozunabilirler. Bu durumda bu bileşenlerin

filtrasyon yöntemi ile sterilizasyonu yapılabilir.

47

• 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 en uygun yöntem filtrasyondur.

48

5.11.2015

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.

49

Fermentasyon yöntemleri

50

• 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 O2, tuz ve substrat temini gibi).

51

•Endüstriyel fermentasyon yüzey kültür tekniği veyaderin kültür tekniği ile gerçekleştirilir vebiyoreaktörler de uygulanan tekniğe göreşekillenir.

Yüzey kültür tekniği: m.o besi ortamının yüzeyindeçoğalır ve yüzeyde m.o hücreleri ve bunlarınmetabolitlerinden oluşan bir tabaka veyamantarlarda bir misel örtüsü oluşur.

•Besiortamı sıvı, katı veya yarı katı olabilir.

52

•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 750.000

den fazla balon kullanılıyordu.

53 54

5.11.2015

10

55

• 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.

56

Yüzey kültür tekniğinin dezavantajları

•Fermentasyon süresinin uzunluğu

•Kapasitenin düşüklüğü

•Operasyonun zorluğu

•Prosesin otomatik kontrol imkanının düşük

oluşu.

57

• Günümüzde mayalanma tepsili reaktörleri geliştirilmiş

• Silindirik ceketli bir tanktır ve içerisinde birbiri üzerine dizilmişve değiştirilebilen mayalanma tepsileri bulunmaktadır.

• Besi ortamı üretim m.o’sı ile aşılandıktan sonra reaktöredoldurulur ve nemlendirilmiş hava verilir.

58

Bu teknik, sitrik asit, kültürüretimi ve hayvan hücrekültürlerinden aşı üretimindekullanılır

Derin kültür tekniği

•Fermentasyon kabı içinde yeterli karıştırma ve

havalandırma yapılarak m.o lar sıvı ortamda

geliştirilirler. Reaktörler paslanmaz çelikten

yapılmış silindirik tanklardır.

59

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)

60

5.11.2015

11

1) kesikli yöntem

üretim kabı substrat ile doldurulur.

Sterilizasyondan sonra inoküle edilir. Ferm

sonunda biyoreaktör boşaltılır ve

temizlenir.

61

2) yarı sürekli yöntem

• Substrat beslemesi sürekli yapılan kesikliyöntemlerdir.

• Kesikli ve sürekli fermentasyon arasındabir yöntemdir.

• Fermentasyon boyunca ürün ortamdakalır. Bu nedenle hacim artar.

• Endüstriyel üretimlerde genellikle buyöntem tercih edilir

62

Avantajları

• Fermentasyon süresi uzatılarak yüksek oranlarda ürün eldeedilebilir.

• Substrat ortama kontrollü olarak verildiği için ürünündekontrollü üretimi sağlanır.

• Yan ürün oluşumu ve katabolit represyonu engellenir.

• M.o’ların spesifik üreme hızları istenilen seviyede tutulabilir.

63

Dezavantajları

•M.o’ların verimliliklerinin ve fizyolojilerininçok iyi bilinmesi gerekir

•Proses geliştirme ve operasyon için uzmanlıkgerektirir.

64

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.

65

• 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.

66

5.11.2015

12

• Kesikli ve yarı sürekli yöntemlerde fermentasyon süresisonunda doldurma boşaltma, temizleme, sterilizasyon gibiişlemler için oldukça fazla zaman harcanmaktadır. Süreklisistemler ara vermeden günlerce hatta aylarca devam eder.

• Sürekli yöntemlerde kontasminasyon riski yüksektir. Bu nedenlekontaminasyon riskinin düşük olduğu üretimlerde tercihedilmelidir.

• Günümüzde uygulamaları laboratuvar ölçeğindedir.

• Atık su arıtma sistemlerinde sürekli yöntem kullanılır

67

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.

68

• 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.

69

•Endüstriyel işlemlerde zengin kültür ortamlarıkullanılmasına bağlı olarak yüksek oksijenihtiyacına yol açan yüksek düzeyde biyokitleelde edilir.

•Havalandırma kısa bir zaman için bileazaltılacak olursa kültür ciddi metaboliksonuçlar ve ürün veriminde azalmaya yolaçabilir.

70

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 erlenindebaşlar.

• 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

71

• Lab fermentöründeki testler başarılı olunca işlemgenellikle 300-3000 L boyutunda pilot fabrikabasamağına taşınır.

• Burada koşullar ticari ölçeğe daha çok yaklaşır.Bununla beraber maliyet hala ana faktör değildir.

• Daha sonra işlem 10.000-500.000 L hacminde ticarifermentöre taşınır

• Bütün basamaklarda havalandırma çok sıkı şekildeizlenir

72

5.11.2015

13

73