Endüstriyel Fermantasyon Nedir?

Endüstriyel fermantasyon, ürünleri insanlara faydalı hale getirmek için bakteriler ve mantarlar gibi mikroorganizmaların yanı sıra CHO hücreleri ve böcek hücreleri gibi ökaryotik hücreler tarafından yapılan fermantasyon işlemidir. Fermente ürünler genel olarak endüstride kullanılsa da gıda uygulamaları da vardır. Asetik asit , sitrik asit ve etanol gibi bazı ticari kimyasallar fermantasyon ile üretilir. Fermantasyon hızı; mikroorganizmaların, hücrelerin, hücresel bileşenlerin ve enzimlerin konsantrasyonunun yanı sıra sıcaklık, pH ve aerobik fermantasyon oksijenine de bağlıdır. Ürün geri kazanımı genellikle seyreltik çözeltinin konsantrasyonundan elde edilir. Lipaz, invertaz ve peynir mayası gibi ticari olarak üretilen hemen hemen tüm enzimler genetiği değiştirilmiş mikroorganizmaların fermantasyonu ile elde edilir. Fermantasyonlar genel olarak dört türe ayrılır;

Biyokütle üretimi (canlı hücresel malzeme)
Hücre dışı metabolitlerin (kimyasal bileşikler) üretimi
Hücre içi bileşenlerin üretimi (enzimler ve diğer proteinler)
Substratın dönüşümü (dönüştürülmüş substratın kendisi üründür)

Kullanılan organizmalar; bakteriler, mayalar, küfler, algler, hayvan hücreleri veya bitki hücreleridir. Çözünmüş oksijen seviyesi, besin seviyeleri ve sıcaklık gibi faktörler fermentasyon yapan bazı organizmalar için gereklidir.

Genel Bilgiler

Çoğu endüstriyel fermentasyonda, organizmalar veya ökaryotik hücreler sıvı bir ortama batırılır. Kakao çekirdeği, kahve kirazı ve miso fermantasyonu nemli yüzeylerde gerçekleşir. Fermantasyon süreciyle ilgili endüstriyel adımlar vardır. Örneğin biyolojik kontaminasyonu önlemek için fermantasyon ortamı, hava ve ekipman sterilize edilir. Köpük kontrolü mekanik köpük imhası veya kimyasal köpük önleyici maddeler ile sağlanabilir. Basınç, sıcaklık, karıştırıcı şaft gücü ve viskozite gibi faktörler de ölçülmeli ve kontrol edilmelidir. Endüstriyel fermantasyonlar için önemli olan ölçek büyütmedir. Bu durum bir laboratuvar prosedürünün endüstriyel bir sürece dönüştürülmesidir. Endüstriyel mikrobiyoloji alanında laboratuvar ölçeğinde verimli olan bir proje büyük ölçekte ilk kez denendiğinde düşük verimde olabilir veya hiç çalışmayabilir. Laboratuvar ölçekli fermantasyon koşullarını endüstriyel ölçekli ekipmanlara körü körüne uygulamak genellikle mümkün değildir. Ölçek büyütme kriteri olarak birçok parametre test edilmiş olmasına rağmen, fermentasyon proseslerindeki çeşitlilik nedeni ile genel bir formül yoktur.

Faz Büyümesi

Fermantasyon, büyüme ortamı ilgili organizma ile aşılandığında başlar. Aşı büyümesi hemen gerçekleşmez. Bu, gecikme aşaması olarak adlandırılan adaptasyon dönemidir. Gecikme aşamasından sonra organizmanın büyüme hızı istikrarlı bir şekilde artar, belirli bir süre için bu aşama üssel faz aşaması olarak adlandırılır.

Üstel büyüme aşamasından sonra sürekli olarak düşen besin konsantrasyonları ve sürekli biriken toksik madde konsantrasyonları nedeniyle büyüme hızı yavaşlar. Büyüme hızındaki artışın kontrol edildiği bu aşama yavaşlama aşaması olarak adlandırılır. Yavaşlama aşamasından sonra büyüme durur ve kültür kararlı bir duruma geçer. Kültürde biriken bazı kimyasalların hücreleri parçalaması (kemoliz) haricinde biyokütle sabit kalır. Diğer mikroorganizmalar kültürü kontamine etmedikçe kimyasal yapı değişmeden kalır. Ortamdaki tüm besinler tüketilirse veya toksin konsantrasyonu çok fazlaysa hücreler ölmeye başlayabilir. Toplam biyokütle miktarı azalmasa da canlı organizma sayısı azalır.

Fermantasyon Ortamı

Fermantasyon için kullanılan mikroplar veya ökaryotik hücreler, organizmalar veya hücreler tarafından ihtiyaç duyulan besinleri sağlayan özel olarak tasarlanmış büyüme ortamında (veya üzerinde) büyür. Çeşitli büyüme ortamları vardır ancak her ortamda mutlaka; bir karbon kaynağı, bir nitrojen kaynağı, su, tuzlar ve mikro besinler bulunur. Şarap üretiminde ortam üzüm şırasıdır. Biyoetanol üretiminde ortam çoğunlukla ucuz karbon kaynağıdır.

Karbon kaynakları genel olarak şekerler veya diğer karbonhidratlardır ancak substrat dönüşümlerinde (sirke üretimi gibi) karbon kaynağı bir alkol veya tamamen başka bir şey olabilir. Etanol üretimi için kullanılan büyük ölçekli fermantasyonlarda maliyetleri en aza indirmek için melas, mısır likörü, şeker kamışı suyu veya şeker pancarı suyu gibi ucuz karbonhidrat kaynakları kullanılır. Daha hassas fermentasyonlarda, saflaştırılmış glikoz, sukroz, gliserol veya diğer şekerleri kullanılır. Bu durum varyasyonu azaltır ve son ürünün saflığını sağlamaya yardımcı olur. Beta galaktosidaz, invertaz veya diğer amilazlar gibi enzimleri üretmesi amaçlanan organizmalar nişasta ile beslenebilir.

Çoğu organizman proteinleri, nükleik asitleri ve diğer hücresel bileşenleri sentezlemek için sabit nitrojen kaynaklarına ihtiyaç duyar. Organizmanın enzim yeteneklerine bağlı olarak, azot, pepton veya tripton gibi önceden sindirilmiş polipeptitler yerine soya küspesi gibi protein yığını veya amonyak yerine nitrat tuzları kullanılabilir. Bir nitrojen kaynağı seçiminde maliyet de önemli bir faktördür. Hücresel zarlarda fosfolipid üretimi ve nükleik asit üretimi için fosfor gereklidir. Eklenmesi gereken fosfat miktarı et suyunun bileşimine, organizmanın ihtiyaçlarına ve fermantasyonun amacına bağlı olarak değişir. Örneğin, bazı kültürler fosfat varlığında ikincil metabolitler üretmez.

Büyüme faktörleri ve üretilmiş besinler ihtiyaç duydukları tüm vitaminleri kendi üretemeyen organizmalar için fermantasyon suyuna dahil edilir. Maya özütü, fermantasyon ortamı için yaygın kullanılan bir mikro besin ve vitamin kaynağıdır. Demir, çinko, bakır, manganez, molibden ve kobalt gibi elementler dahil olmak üzere inorganik besinler genel olarak arıtılmamış karbon ve nitrojen kaynaklarında bulunur. Ancak, saflaştırılmış karbon ve nitrojen kaynakları kullanıldığında dışardan ekleme yapmak gerekebilir. Büyük miktarlarda gaz üreten (veya gaz eklenmesini gerektiren) fermantasyonlar köpük tabakası oluşturma eğilimindedirler çünkü fermentasyon suyu genel olarak çeşitli köpük takviye edici proteinler, peptidler veya nişasta içerir. Bu köpüğün oluşmasını veya birikmesini önlemek için köpük önleyici maddeler eklenebilir. Karbonatlar ve fosfatlar gibi mineral tamponlayıcı tuzlar, pH’ı optimuma yakın stabilize etme amacı ile kullanılabilir. Metal iyonları yüksek konsantrasyonlarda bulunduğu için kenetleyici( bağlayıcı) maddenin kullanılması gerekebilir.

Biyokütle Üretimi

Mikrobiyal hücreler veya biyokütle bazen fermantasyonun amaçlanan ürünüdür. Örneğin, tek hücreli protein, ekmek mayası, lactobacillus, E. Coli. Tek hücreli protein durumunda algler, fotosentezin gerçekleşmesine olanak sağlayan açık büyük havuzlarda büyütülür. Biyokütle diğer fermantasyonların aşılanması amacıyla kullanılacaksa mutasyonların oluşmasını önlemek için dikkat edilmelidir.

Hücre Dışı Metabolitlerin Üretimi

Metabolitler iki gruba ayrılır; organizmanın büyüme aşamasında üretilenler (birincil metabolitler) ve durağan fazda üretilenler (ikincil metabolitler). Bazı birincil metabolit örnekleri; etanol, sitrik asit, glutamik asit, lisin, vitaminler ve polisakkaritlerdir. İkincil metabolit örnekleri; penisilin, siklosporin A, gibberellin ve lovastatindir.

Birincil Metabolitler

Birincil metabolitler, büyüme aşamasında organizmanın normal metabolizması sırasında üretilen bileşiklerdir. En bilinen örneği glikoliz sırasında üretilen etanol veya laktik asittir. Sitrik asit, sitrik asit döngüsünün bir parçası olarak bazı aspergillus niger(mantar türü) türleri tarafından çevrelerini asitleştirmek ve diğer hücreler tarafından ele geçirilmeyi önlemek amacıyla üretilir. Glutamat bazı micrococcus türleri tarafından üretilir ve bazı corynebacterium türleri lizin, treonin, triptofan ve diğer amino asitleri üretir. Tüm bu bileşikler hücrenin normal işleyişi sırasında üretilir ve çevreye salınır. Bu nedenle ürün geri kazanımı için hücrelerin parçalanmasına gerek yoktur.

İkincil Metabolitler

İkincil metabolitler, durağan fazda yapılan bileşiklerdir. Örneğin penisilin, kaynaklar için Penicillium küfleriyle rekabet edebilecek bakterilerin büyümesini engeller. Lactobacillus türleri gibi bazı bakteriler, bakteriyel rakiplerin büyümesini de engelleyen bakteriyosinleri üretir. Bu bileşikler antibiyotikler veya antiseptikler (gramicidin S gibi) olarak bakterilerin büyümesini önlemek isteyen insanlar tarafından kullanılır. Griseofulvin gibi mantar öldürücüler de ikincil metabolitler olarak üretilir. Genel olarak ikincil metabolitler büyümeyi teşvik edecek glikoz veya diğer karbon kaynaklarının varlığında üretilmez. Birincil metabolitler, hücre zarı parçalanmadan ortama salınır.

Substratın Dönüştürülmesi

Substrat transformasyonu, belirli bir bileşiğin fenil asetil karbinol durumundan başka bir bileşiğe dönüştürülmesini, steroid biyotransformasyonunu veya gıda fermantasyonları ve kanalizasyon arıtımı durumundaki hammaddenin bitmiş bir ürüne dönüştürülmesini içerir.

Kaynak: 1 (Erişim: )