Endüstriyel mikrobiyoloji-5

22.12.2015
EKMEK MAYASI ÜRETİMİ
• Mayaların ekmek yapımında kullanımı MÖ 2600 yılına kadar uzanmaktadır.
Endüstriyel mikrobiyoloji-5
Bazı endüstriyel mikrobiyolojik prosesler
• Ekmek yapımında mayalanmış hamur kullanımının ilk defa Mısırlılar tarafından
gerçekleştirildiği belirtilmektedir.
• Ekmek yapım prosesinin eski Mısırdan diğer Akdeniz ülkelerine MÖ 13. yy dan
itibaren yayıldığı tahmin edilmektedir.
• Bira üretimi ekmek üretimine göre daha eski olduğu için ilk mayalı hamur
eldesinde biradan yararlanılmıştır.
• 19. yy ın başlarına kadar bira ve şarap imalatının yan ürünü olarak maya kazanılıyordu.
• Yine bu yüzyılda fabrika düzeyinde ekmek mayası üretimine başlanmış. Ekmek mayası üretiminde ilk
teknik Hollanda metodudur (Dutch prosesi, 1800).
• Hammadde veriminin çok düşük olduğu bu proses 1846 yılında Avusturyalılar tarafından
değiştirilmiş ve Mautner firması «Viyana» prosesini geliştirmiştir.
• Dutch prosesinde %4-6 olan melasın mayaya dönüşüm oranı, Viyana prosesi ile %14’e yükseltilmiştir.
• 1879 yılında ilk havalı üretim prosesine geçilmiş ve melasın mayaya dönüşüm oranı %50-60
seviyelerine çıkmıştır.
• 1919 da yarı kesikli besleme yöntemine geçilmiş; fermentasyon ortamında alkol oluşumu önlenmiş
ve melasın mayaya dönüşüm oranı %90 seviyelerine ulaşmıştır.
• Günümüzde ekmek mayası üretiminde temelde yarı kesikli proses
kullanılmaktadır.
• 20. yy ın başlarında karbonhidrat kaynağı olarak tahıl yerine melas
kullanılmaya başlamıştır. Fermentasyon verimi %100 seviyesine
çıkmıştır.
Ekmek mayasının besin gereksinimleri
Ekmek mayası üretiminde amaç biyokütle üretimidir.
Biyokütle üretimi kimyasal olarak kabaca şu şekilde formüllendirilebilir:
CHO + O2 + NH3 + Mineraller → CHNO + CO2 + H2O + ΔH
C- kaynağı
biyokütle
1
22.12.2015
Karbon kaynağı: Endüstriyel maya üretiminde karbon kaynağı olarak şeker
pancarı veya şeker kamışı melası kullanılmaktadır.
Biyokütle
(biyomas)
• Her iki melasın da şeker içeriği genelde %45-55 arasında olup sakkaroz,
glukoz ve früktoz ortamdaki temel şekerlerdir.
Proteinler
-Enzimler
Lipidler
Nükleik asitler
-Gliseridler
- DNA
-yağlar
- RNA
-bazı vitaminler
- nükleotitler
-Beslenme
proteinleri
-fonksiyonel
proteinlr
Mineraller
-hücrenin normal
mineralleri
- Pb, Hg vb toksik
metaller
• Kullanılacak melas tipi konusunda üreticiler kolay ulaşılabilen ve ekonomik
Karbonhidrat
lar
Sakkaritler
emülgatörler
-fosfolipidler
olan melas türünü seçmektedirler.
• Genellikle pancar melasının işlenmesi ve fermentasyonda kullanılması, kamış
melasına oranla daha kolaydır ve daha açık renkli maya elde
Genel biyokütle bileşenler
• Şeker kamışı melası koyu renkli ürün oluşumundan dolayı bir dezavantaj gibi görülse de
bu melasta bulunan yüksek orandaki biotin hücre gelişiminde gerekli olan biotin
ihtiyacını karşılamaktadır. Bu nedenle bu melaslar ayrı ayrı kullanılabileceği gibi belirli
oranlarda karıştırılarak da kullanılabilmektedir.
edilebilmektedir.
• Seyreltme işlemini takiben melas santrifüjden geçirilir ve ortamda askıda bulunan katı maddeler
(çamur ve katı parçacıklar) ortamdan uzaklaştırılır. Bu işlem klaifikasyon (clarification) olarak
adlandırılır.
• Bu aşamada işlemin etkinliğini artırmak için işletmede melas karışımına asit ilavesi
yapılabilmektedir.
• Şeker fabrikalarından gelen melas ham haliyle maya fermentasyonunda direkt kullanım
• Uygun formülasyonda hazırlanan melas fermentasyon öncesi sterilizasyona tabi tutulmaktadır.
için uygun değildir. Çeşitli ön işlemlerden geçirilmesi gerekmektedir.
Mineraller: Mayanın çoğalabilmesi için melasın belli bazı mineral maddelerle takviye edilmesi
• İlk işlem melasın sulandırılarak alışkan hale getirilmesidir. Bu amaçla her fabrika kendi
pompalama koşullarına uygun bir seyreltme yapmaktadır.
gerekmektedir. Fermentasyon ortamına eklenen Cu, Zn, Fe, Mo ve Mn verim artışı sağlamaktadır.
Ortama ilave edilen iz elementler ve minerallerin miktarları kullanılmakta olan melasın elde edildiği
kaynağa bağlı olarak değişmekte olup her üreticinin konuya yaklaşımı farklı olabilmektedir.
Fosfor kaynağı olarak kolay temin edilebilen ve maliyeti daha düşük olan
mono amonyum fosfat, diamonyum fosfat ve fosforik asit tercih edilir.
Vitaminler de hücre gelişimi ve bileşimi üzerinde etkilidirler.
• Ekmek mayasının bileşimi için biotin, pantotenik asit, inositol, tiamin ve
Azot kaynağı olarak amonyak, amonyum tuzları (fosfat, sülfat) ve üre
piridoksin gibi çeşitli B grubu vitaminlerine ve gelişme faktörlerine
kullanılabilir. Serbest amino asitler de ekmek mayası tarafından azot kaynağı
gereksinim duyulmaktadır.
olarak tüketilebilir, ancak ekonomik nedenlerle bu sektörde uygulaması
yoktur.
• Mayaların üretildiği ortama verilen azotun cins ve miktarı son üründen
• Biotin eksikliği özellikle tek başına pancar melasının karbon kaynağı olarak
kullanıldığı durumlarda ortaya çıkmaktadır. Bu durumda biotin ortama
istenen aktivite ve stabilite değerleri göz önünde bulundurularak üreticiler
dışarıdan ilave edilmekte veya şeker kamışı melası pancar melası ile
tarafından belirlenmektedir.
karıştırılmaktadır.
2
22.12.2015
Ekmek mayası üretiminde etkili diğer faktörler
Fermentörler Kolon kabarcıklı fermentörlerde ayrı bir karıştırıcı
düzeneği yoktur. Fermentördeki sıvı hava kabarcıkları tarafından
Oksijen varlığında alkolik fermentasyon baskılanmakta, maya metabolizması solunuma
karıştırılmaktadır
yönelmekte ve bu sayede bu sayede şeker üzerinde verim kaybı önlenmektedir (Pasteur
çok çeşitli boyutlarda imal edilebilmektedir.
etkisi).
• Gerçekleştirilecek fermentasyon türüne göre 50 m3’ten 350 m3’e
• Teorik olarak 100 g ekmek mayası için 100 g oksijene ihtiyaç vardır.
kadar farklı kapasitelerde fermentörler imal edilmektedir.
• Maya üretiminde oksijen takviyesi fermentasyon ortamına hava akımı verilerek sağlanır.
• Uygulamada ekmek mayası üretimi için çok çeşitli tipte oksijen transferini gerçekleştiren
fermentörler bulunmasına karşın en yaygın kullanılan kabarcık kolon fermentörleridir.
Köpük kırıcılar: reaktör içinde karışmanın da etkisi ile oluşabilecek
köpürmeyi önlemek için gerektiğinde ortama yüzey gerilimini
azaltmak için köpük kırıcı maddeler ilave edilmektedir.
Ekmek mayası üretim prosesi
1 . Fermentasyon kademeleri (ölçek büyütme)
• Ekmek mayası üretimi stok kültürün saklandığı yatık agardan
• Ticari ekmek mayası üretiminde değişik boy ve özelliklerde birden fazla fermentör kullanılmaktadır.
• Başlangıç aşamalarında genellikle kesikli fermentasyon uygulanmaktadır. Amaç olabiliğince
kontaminasyondan uzak üretim yapabilmektir.
• Bu aşamalarda kullanılan fermentörler genellikle basınç altında sterilize edilebilen ve dışarıdan
herhangi bir beslemenin yapılmadığı kesikli fermentörlerdir.
başlamaktadır. Yatık agardan steril FTS yardımıyla alınan mayalar lab
da kademeli olarak çoğaltılmaktadır.
• Lab da üretim 35 ⁰C de 24-48 saat sürer. Buradan hacmi gittikçe artan
paslanmaz çelik fermentörlerde üretime devam edilir.
• Bu aşamalarda maya hücresinin gereksinim duyacağı bütün besin öğeleri ortamda mevcuttur.
• Bu aşamalarda ortamda maya hücrelerinin tüketebileceğinden daha fazla şeker olduğu için alkol
üretimi kaçınılmazdır.
• Doğal olarak bu kademelerde hammadde verimi de düşük olmaktadır.
• Steril batch fermentasyon kademe sayısı işletmelere göre farklılık
gösterebilmektedir.
• En son aşamada kullanılan ticari fermentörler 100-300 m3 hacme sahiptir. Hacim
• Yaygı olan uygulama 2-3 farklı boyutta steril batch fermentasyonun ardışık olarak
yapılmasıdır.
• Yarı-kesikli fermentasyon 12-20 saat sürdürülür.
• Bu kademelerdeki amaç verimi ihmal ederek olabildiğince fazla miktarda inokulum
eldesidir.
büyük olduğu için gerekli olan inokulum miktarları da dolayısı ile büyüktür.
• Yukarıda açıklanan aşamalar klasik akış pensiplerine göre tasarlanmış geleneksel
bir maya üretim işletmesinde kullanılan yaygın bir uygulamadır. Ancak özellikle son
10-15 yılda modern maya işletmelerinde bağımsız tesislerde steril koşullar altında
• Yeterli miktarda inokulum ürettikten sonra maya hücreleri sürekli santrifüjler
yardımıyla besiyerinden ayrılır, besiyeri kalıntılarının uzaklaştırılması amacıyla su
ile yıkanır; konsantre haldeki elde edilmiş olan bu maya hücreleri ileri
kademelerde kullanılmak üzere soğutmalı tanklarda saklanır.
sadece aşı üretiminin yapılması yaygınlaşmaktadır.
3
22.12.2015
• Maya üretiminde verimi artırmak için fermentasyon ortamındaki
şeker konsantrasyonu limit konsantrasyonu (%0.1 glukoz)
geçmemelidir. Bu durumda maya aerobik ortamda etil alkol üretir.
Buna Crabtree etkisi denir.
• Üretim sırasında pH 4.5 da tutulur. pH ayarı ortama katılan azot
kaynakları ile yapılır (NH3 ve (NH4)2SO4).
• Fermentayon sırasında sıcaklık 26 ⁰C den 33 ⁰C ye çıkar. Sıcaklığın
daha fazla yükselmesine izin verilmez.
2. Proses kontrol
• Yarı kesikli beslemeli fermentasyonlarda maksimum verim elde etmek
için maya üretimi substrat sınırlamalı koşullarda gerçekleştirilir.
• Spesifik gelişme hızı sabit değildir ve fermentasyonun sonuna doğru
azalır.
• Spesifik gelişme hızı başta sıcaklık olmak üzere substrat
konsantrasyonu, PH ve oksijen gibi proses parametrelerine bağlıdır.
• Melas ortama logaritmik olarak arta bir oranda ve mayanın büyüme hızına paralel olarak verilir.
3. Seperasyon ve krem maya eldesi
• Havalandırma hızı ve melas debisi, ortamdaki çözünmüş oksijen, glukoz konsantrasyonu veya etil
• Fermentasyon besiyerinden santrifüjler yardımıyla ayrılan ve besiyeri
besi ortamı kalıntılarından uzaklaştırılmak amacıyla yıkanan maya
kosantre bir şekilde işlenen kadar soğutmalı tanklarda saklanır (krem
maya). Krem maya fermentasyon ortamının ¼-1/5 oranında konsantre
edilerek kuru madde oranının %18-20 aralığına ayarlanmış formudur.
alkol miktari göz önünde bulundurularak belirlenen standart değerlere göre ayarlanmalıdır.
• Fermentasyon sırasında kontrol edilen başlıca parametreler, sıcaklık, ph, havalandırma hızı,
çözünmüş oksijen konsantrasyonu, melas besleme hızı, azot kaynağı dozajı, fosfat besleme hızı yer
almaktadır.
• Tüketim miktarı yüksek olan müşteriler için maya bu formu ile de nihai
üründür ve soğutmalı tankerler aracılığıyla sevk edilerek tüketilebilir.
• Bu değişkenlerin kontrolünde son yıllarda gelişen bilgisayar teknolojisinden yararlanılarak ileri
yöntemler kullanılmaktadır.
Krem maya bir veya iki değişik grup ürüne
dönüştürülerek kullanılır.
• Yaş maya
• Aktif kuru maya
Yaş maya: döner vakumlu filtreler yardımıyla
basınç altında krem mayanın fiziksel olarak
suyunun uzaklaştırılması paketlenmesi ile elde
edilir.
Ortalama kuru madde içeriği %30-35 arasında
olan yaş mayalar preslenerek blok formunda veya
ufalanmış formda paketlenir ve soğuk zincirde
müşterilere ulaştırılır.
Raf ömrü 30-49 gündür.
4
22.12.2015
Kuru maya:
Evde kullanıma yönelik olarak kullanım kolaylığı yanında, raf ömrü daha
uzun olan kuru maya üretilmektedir.
Taşıma, depolama ve raf ömrünün uzun olması gibi avantajları nedeniyle
altyapı olanaklarının yetersiz olduğu bölgelerde ve mesafe ve iklim
koşulları nedeniyle yaş mayanın naklinin zor olduğu ülkelerde de tercih
edilen bir üründür.
Kuru maya yaş mayanın akışkan yataklı kurutucularda kurutularak kuru
maddesinin yükseltilmesi ile elde edilir. Bu işlemde bilgisayar destekli
proses kontrol sayesinde hücrelerin canlılıklarını koruması sağlanır.
Mayanın nem miktarı %70 den % 5’e düşürülür.
Elde edilen ürün inert bir gaz verilerek paketlenir.
Bu ürünlerin raf ömrü 2 yıldır
• Organik kirliliğin miktarına ve türüne göre aerobik veya anaerobik
arıtma teknolojilerinden biri seçilebileceği gibi , her ikisinin kombine
olarak da kullanılması ve daha yüksek bir arıtım verimi elde edilmesi
mümkündür.
• Günümüzde fermentasyon endüstrisinde üretilmekte olan atıkların
arıtımı için en ileri teknoloji evaporasyon teknolojisidir.
Atık su arıtım yöntemleri
• Ekmek mayası üretimi sırasında çeşitli noktalarda proses gereği atık su
üretilmektedir.
• Bunlar içinde seperasyon atıkları, filtrasyon suları, ekipman yıkama
suları, evsel atık suları bulunmaktadır.
• Maya fabrikalarındaki suları özellikleri kaynaklarına göre farklılık
gösterir.
• Atık sulardaki çevre kirlenmesine neden olan maddelerin şekil ve
özelliklerine göre tasnif edilmeleri ve arıtılmalarını gerekmektedir.
• Suda çözünmüş olarak bulunan organik kirleticilerin uzaklaştırılması
için en etkin yöntem biyolojik arıtmadır.
• Geriye kalan ve ağırlıklı olarak organik madde içeren konsantre atığa
ise vinas adı verilir.
• Vinasın yapısında bol miktarda organik madde ve protein
bulunmaktadır.
• Bu teknoloji atığın fiziksel olarak arıtılması prensibine dayanır.
• Bu şekliyle vinas büyük ve küçük baş hayvanların beslenmesinde
kullanılan değerli bir yem katkı maddesidir.
• Evaporasyon teknolojisi sayesinde atığın içerdiği su buharlaştırılmakta ve
daha sonra yoğuşturularak klasik biyolojik arıtımdan geçirilerek karbon
giderimi, ileri arıtımdan geçirilerek azot giderimi yapılmakta ve
sistemden uzaklaştırılmaktadır.
• Organik kökenli olması nedeniyle birçok yem üreticisi tarafından
tercih edilmektedir.
5
22.12.2015
TEK HÜCRE PROTEİNİ
• İnsanlık klasik gıda proteini kaynaklarına destek olacak yüksek
• İnsan beslenmesinde vazgeçilmez ana besin bileşeni olan proteinler bugünkü beslenme
şekliyle yalnız bitkisel ve hayvansal kaynaklı gıdalardan alınmaktadır.
biyolojik değerli protein kaynakları bulmak zorundadır ki bu da
mikrobiyal protein (biyoprotein)’dir.
• Sentetik gübreler, hibrid tohumlar ve tarımsal savaş ilaçlarına rağmen bitkisel gıda
üretimini toprak, iklim ve hava koşulları önemli derecede sınırlandırdığından tarımsal
üretimin belirli bir değerin üzerine çıkarılabilmesi mümkün değildir.
• Gıda zinciri sebebiyle hayvancılık ve balıkçılık da bitkisel üretimle bağlantılıdır.
• Nüfus artışı devam ettiği sürece günümüzde lokal olarak gözlenen açlık ve yetersiz
beslenme gelecekte daha yaygınlaşacak ve önlem alınmazsa hiç şüphesiz büyük savaşlara
• Tarımsal üretim, hayvancılık ve balıkçılık tarafımızdan kontrol
edilemeyen bir takım parametrelere bağlı iken mikrobiyal üretimde
koşulları biz belirlemekteyiz.
neden olacaktır.
Alglerin,
bakterilerin, mayaların,
küflerin büyük çapta
THP üretiminin klasik protein kaynakları üretimine avantajları
üretilmesinden sonra, canlı hücrelerin kurutulması sonucu
• Yüksek oranda protein içerirler
oluşan ürüne biyomas, biyoprotein, mikrobiyal protein gibi
• M.o ların ağırlıkları daha sürede iki katına çıkar
isimler verilse de bugün bu yolla elde edilen ürüne Tek Hücre
• Üretim koşulları iklime bağlı olmadan ve hassas bir şekilde kontrol edilebilir
Proteini (THP) adı verilmektedir.
• Mikrobiyal proteinler dengeli bir protein olup, biyolojik değerleri yüksektir.
• Üretimleri için oldukça küçük alanlar yeterlidir
• Substrat olarak çeşitli maddeler kullanılabilir
THP üretmindekullanılacak m.o larda aranan özellikler
• Toksik olmamalı
THP üretiminde kullanılan mikroorganizmalar
• Değişik substratları kolayca kullanabilmeli
• Üreme hızı yüksek olmalı
• İnorganik azot kaynaklarını kullanabilmeli
• Yüksek karbon-biyomas dönüşümü sağlayabilmeli
• Geniş pH aralığında üreyebilmeli
• Fermentasyon ortamından kolayca ayrılabilmeli
• Besin değeri ve protein içeriği yüksek, güzel koku ve tatta biyomass verebilmeli
• Bakteriler: Rhodopseudomanas capsula, Lactobacillus fermentas,
Alcaligenes viscosus
• Mayalar: Saccharomyces cereviciae, Candida utilis (Torula), Pishia
pastoris
• Funguslar: Aspergillus oryzae, Fusarium venenatum, Trichoderma
6
22.12.2015
THP üretiminde kullanılan substratlar ve diğer hammaddeler
C- içeren substratlar THP maliyetinde büyük paya sahip olduklarından ucuz substrat sağlanması
önemlidir.
Tarım, orman, balıkçılık ve gıda endüstrisi atıkları substrt olarak kullanılabilmektedir. Bunlara örnek
olarak:
• Mandra atıkları
Azot kaynakları
N2 : azot bağlayan m.o lar tarafından havadan alınır
NO3 çoğu m.o larca NH3 e indirgenebilir.
NH3 ve NH4+ tuzları en ucuz ve en çok kullanılan N kaynakları
Proteinler, amino asitler, pepton ve üre pahalı N-kaynaklarıdır
• Melas
• Hayvan kesimi atıkları ve kan
• Tahıl atıkları
Oksijen
Hava veya saf formda steril edilerek ortama verilir.
• Ahır hayvanlarının gübresi
• Odun atıkları
• Gıda endüstrisi atıkları verilebilir.
Mineraller
Ca, P, K, Na, Fe Mg gibi
Bunların dışında hidrokarbonlar ve alkol üretimi atıkları da kullanılabilir.
Üretim tekniği
Genel olarak aşağıdaki işlemleri kapsar
• Substratın hazırlanması
• Fermentasyon
• Deriştirme
• Kurutma
• Ürünün işlenmesi
• Mayalar santrifüjlenerek
• Küfler filtrasyon ile
• Bakteriler için ise ısıtma, pH ve iyon şiddetinin değiştirilmesi, flokulant
ilavesi gibi bazı ek işlemler gerektirebilir.
• Biyomasın kurutulmasında kullanılan aletlerin de kesintisiz çalışması,
hijyenik açıdan güvenilir olması ve sıcaklık profilinin de dar olması
istenir.
• Ham biyomasın komponentlerinin birbirinden ayrılması istenirse
ekstraksiyon, çöktürme ve kristalizasyon gibi çeşitli işlemlere
başvurulabilir.
THP nin kullanım alanları
a) Hayvan beslenmesi (büyükbaş hayvanlar, kümes hayvanları, ev hayvanları ve domuz)
b) İnsan gıdası olarak kullanımı
• Aroma kaynağı
• Vitamin kaynağı
• Emülgatör destekleyicisi
• Çorba katkı maddesi
• Hazır yemekler
• Diyet yiyecekler
c) Teknikteki uygulama alanları
• Kağıt üretimi
• Dericilik
• Köpük stabilizasyonu
7
22.12.2015
Spirulina
• SPİRULİNA :
• Spirulina, bir çok bilimsel çevrece asrın besini olarak adlandırılmaktadır. Nedeni
ise; İçeriğinde zengin besin özleri içermesiyle bir çok hastalığın tedavisinde destek
olarak kullanılabilmesinden kaynaklanmaktadır. Aynı zamanda bağışıklık sistemini
güçlendirici, vücudun enerji seviyesini artırıcı, saç ve cilt sağlığını olumlu etkileyici,
yaşlanmayı geciktirici vb birçok olumlu özelliği bulunmaktadır.
• Havuzlarda yetiştirilen spirulina yaprakları, hiç bir kimyasal işleme tabi tutulmadan
toz haline getirilir ve üretici firmanın insiyifiyatifi doğrultusunda pratik olarak
kullanımı için, spirulina tableti yada spirulina kapsülü haline getirilir. Ispanak,
lahana gibi bir bitkidir gıdadır.
• Spirulina faydaları saymakla bitmez denilse yeridir; insan vücudunun inhityacı olan
besinleri (vitaminler,minerallar, protein ve amino asitler) neredeyse tamamını
içinde barındırmaktadır, ki bu nedenle şeker (diabet), tansiyon, kolesterol, sindirim
problemi, kemik erimesi vb bir çok rahatsızlıkta olumlu etkileri vardır ve bilimsel
olarak kanıtlanmıştır.
• Spirulinanın zengin besin içermesi nedeniyle ilk olarak astronotlara gıda olarak
yapılmıştır.
8