Endüstriyel Mikrobiyoloji
advertisement
Süleyman YILMAZ Süleyman YILMAZ Kişisel web sayfası http://slymnylmz.com Endüstriyel Mikrobiyoloji -1 Date : 3 Mayıs 2014 ENDÜSTRİYEL MİKROBİYOLOJİ GİRİŞ Bazı temel besin maddelerinin hazırlanmasından başlayarak fermentasyon yoluyla antibiyotik, vitamin, alkol, enzim ve diğer bazı kimyasal maddelerin elde edilmesine, atık maddelerin değerlendirilmesine, mikrobiyal gübrelemeye, çevre kirliliğinin çözümüne kadar geniş bir alanı ilgilendiren “endüstriyel mikrobiyoloji” son yıllarda mikrobiyoloji anabilim dalının en çok ve hızlı gelişen konusu olmuştur. Mikroorganizmalar kullanılarak yapılan çalışmalar ve elde edilen ürünler ekonomi, endüstri, tarım, beslenme ve sağlık konularını ilgilendirmektedir. Mikroorganizmalar yüzyılımızın ortalarına kadar yalnızca yaptıkları enfeksiyon hastalıkları yönünden incelenmişler, daha sonraları bazı yararlı biyokimyasal aktiviteleri saptanmış ve bu konudaki araştırmalara büyük önem verilmiştir. Böylece Mikrobiyoloji bilim dalında “Tıbbi Mikrobiyoloji” ve “Endüstriyel Mikrobiyoloji” ana konularında birçok araştırma ve keşif yapılmıştır. İnsanlar çok eski çağlardan beri ekmek, peynir, şarap, bira gibi besin ürünlerinin eldesinde bilinçsizde olsa mikroorganizmalardan yararalanmışlardır. Bugün, Endüstriyel Mikrobiyolojinin çalışma alanı çok geniş boyutlara ulaşarak fermentasyon yolu ile çeşitli antibiyotikler, vitaminler, aminoasitler, organik asitler, besinler, alkoller, enzimler elde edilebilmektedir. Ayrıca atık maddelerden yararlı ürünlerin elde edilmesinde, çevre kirliliğinin önlenmesinde de mikroorganizmalardan yararlanılmaktadır. Endüstriyel mikrobiyolojide başarı, yüksek verimli mikroorganizmaların kullanılması ile mümkün olduğundan, tesadüfen veya genetik çalışmalarla elde edilen verimli mikroorganizmalar kültür koleksiyonlarında muhafaza edilmektedir. Yüksek verimli, pahalı olmayan ürün eldesi, ancak biyomühendislik bilgileriyle yürütülen ve kültür koleksiyonlarından sağlanan standart mikroorganizmaların kullanıldığı fermentasyon çalışmaları ile mümkün olmaktadır. Mikroorganizma kültür koleksiyonları ile endüstriyel mikrobiyoloji ve biyomühendislik çalışmaları birlikte yürütülmektedir. Bu çalışmalar sonucunda çok yararlı ürünler elde etmek mümkündür. Ülkemizin bu tip çalışmalara ihtiyacı vardır ve son yıllarda bu konuya eğilerek, çalışmalar yoğunlaşmıştır. Üniversitelerde biyoteknoloji anabilim dalları açılmıştır. Örneğin çevre mikrobiyolojisi laboratuvarında çeşitli atıkların mikroorganizmalar aracılığıyla arıtılması çalışmaları, çeşitli üretim laboratuvarında farklı mikrobiyal kaynaklardan çeşitli enzimlerin ve hormanların üretimi çalışmaları gerçekleşmiştir. Dünyamızda yaşayan mikroorganizmalarda yaşayan diğer canlılar gibi canlı veya cansız ortamlarda yaşamlarını sürdürürler. Mikrobiyoloji, mikroorganizmaların bulundukları ortam ve metabolik aktiviteleri gözönüne alınarak çeşitli bölümlere ayrılır. Bunlar, • Tıbbi mikrobiyoloji • Veteriner mikrobiyolojisi • Tarım mikrobiyolojisi • Besin mikrobiyolojisi • Deniz mikrobiyolojisi • Endüstriyel mikrobiyolojidir. Mikroorganizmaların insanlarla ilişkisi ve insanlara verdiği zarardan Tıbbi mikrobiyoloji; hayvanlarla ilişkisi ve hayvanlara verdiği zarardan Veteriner mikrobiyolojisi; bitkilerle ilişkisi ve bitkilere verdiği zarardan Tarım mikrobiyolojisi bahseder. Endüstriyel mikrobiyoloji ise, mikroorganizmaların ve ürünlerinin endüstriyel alanlarda kullanılarak, insanlara yararlı hale getirilmesi ile ilgili konulardan bahseder. Çok geniş çalışma alanı olan endüstriyel mikrobiyoloji mikrobiyolojinin ekonomik yönü olan her konuyla ilgilenir. Endüstriyel mikrobiyolojinin uygulaması ve kavramalarının anlaşılması mikrobiyolojinin diğer konularıyla yakın ilişkisi ile mümkün olmaktadır. Mikrobiyal fizyoloji, sitoloji, genetik, enzimoloji, besin ve süt mikrobiyolojisi, immünoloji endüstriyel mikrobiyolojinin çalışma alanlarına girer. Mikrobiyoloji içinde olmayan organik ve anorganik kimya, fizikokimya, biyokimya, mühendislik, ekonomi, pazarlama ve patent hukuku endüstriyel mikrobiyoloji için önemli diğer konulardır. Endüstriyel mikrobiyolojinin tarihçesinden bahsedersek, çok eski çağlara kadar gitmeliyiz. Alkollü içeceklerin elde edilmesi bu konudaki ilk buluşlardır. Yine ekmek, peynir, yoğurt yapımı hep bu tarihçeye girmektedir. 1 / 11 Süleyman YILMAZ Süleyman YILMAZ Kişisel web sayfası http://slymnylmz.com Fermentasyon endüstriyel mikrobiyolojinin tarihçesi için önemlidir. Pasteur fermentasyonu mikroorganizmaların oksijen yokluğunda üremeleri için gerekli enerjiyi sağlayan anaerop reaksiyonlar olarak tanımlamıştır. 1675 Yılında Anton van Leeuwenhoek kendi tasarladığı mikroskopla mikroorganizmaları keşfetmesiyle mikrobiyoloji bilim dalı başlamış oldu. Endüstriyel mikrobiyolojinin başlangıcıda esas bu tarihte olmuştur. Belki Leeuwenhoek üzümlerin nasıl şarap olduğunu veya sütün nasıl peynire dönüştüğünü mikroorganizmalara bağlayamadı ama çıplak gözle görülemeyecek kadar küçük canlıların olduğunu keşfetti. 1684 Yılında asetik asidin bazı bakteriler üzerinde zararlı etkisi olduğu ve bazılarına ise etki etmediği bulunmuştur. 1837 Yılında Theodore schwan alkolik fermentasyon ile şekerin alkol ve CO2’e dönüşmesinin canlı organizmalarla (mayalarla) olabileceğini sunmuştur. 1860 Yılında Pasteur laktik asit fermentasyonunu canlı mikroorganizmaların yaptığını bildirmiştir. 1897 Yılında Buchner parçalanmış maya hücrelerinin sıvısından koyarak baklettiği şeker çöeltisinin fermentasyon sonunda alkole dönüştüğünü saptayarak fermentasyonda bir enzimin rol oynadığını göstermiştir. Ayrıca bu enzime zimaz adını vermiştir. 1929 Yılında Alexander Fleming’in Penisilini bulması daha sonra streptomisin, kloramfenikol, tetrasiklin grubu antibiyotiklerin bulunması ve 1942’den sonraki yıllarda fermentasyon yoluyla antibiyotik elde edilmesi büyük bir ilaç endüstrisinin kurulmasına yol açmıştır. Türkiye’de 1886 yılında Abdülhamit döneminde Avrupaya öğrenci gönderilerek oradaki çalışmaların öğrenilmesi sağlanmıştır. 1891-93 yıllarında ilk bakteriyoloji dersleri Türkiye’de verilmeye başlanmıştır. 1893 yılında ilk bakteriyoloji laboratuvarı kutrularak inceleme ve araştırmalara başlandı. MİKROORGANİZMALAR Yunanca mikros:küçük ve organismos:canlıdan gelmektedir. Çıplak gözle görülemiyecek kadar küçük canlı anlamındadır. 1675 Yılında Anton Van Leewenhoek(layvenhuk)’un mikroskobu keşfiyle, mikroorganizmalar bulunmuştur. Mikroorganizmalar ancak bu keşiften sonra incelenmeye başlanabilmiştir. Mikroorganizmaların incelendiği bilim dalına “mikrobiyoloji” denir. Yaklaşık 200 yıl sonra Louis Pasteur fermentasyon prosesi üzerinde çalışarak, şaraplarda istenmeyen lezzet oluşumunda mikroorganizmaların rolleri olduğunu kanıtlamış ve ısıl işlem uygulamasının istenmeyen mikroorganizmaların inaktivasyonunda etkili olduğunu saptamıştır. Pastörizasyon olarak adlandırılan bu uygulama günümüzde de geçerliliğini korumaktadır. Aynı dönemde Rober Koch Antraks basili (1877), tüberküloz basili (1882)!, kolera basili (1883) nin keşfi ve Koch postülatlarını geliştirilmesi çalışmaları da mikrobiyoloji bilimine önemli katkıları olmuştur. Bu çalışmalar günümüze kadar hızlı bir gelişme kaydetmiştir. Şarbon, veba, kolera, çiçek gibi hastalıkların etkenleri saf kültür halinde elde edilmiş ve bunlarla hastalıklara karşı koruyucu aşılar hazırlanmıştır. Diğer taraftan mikroorganizmaların peynir, yoğurt, ekmek, sirke, bira, şarap gibi besin maddelerinin ve içeceklerinin elde edilmesinde gerekli oldukları gösterilmiştir. Gıdalar uygun koşullarda üretilmedikleri takdirde içerdikleri besin elementleri mikrobiyal gelişmeyi teşvik ederek gıda kaynaklı hastalıklara ve gıda bozulmalarına neden olur. Günümüzde gıda kaynaklı hastalık ve zehirlenmelerde mikroorganizmaların ilk sıralarda yer aldıkları belirtilmektedir. Öte yandan mikroorganizmalar doğada çok yararlı roller de üstlenmişlerdir. Kompleks organik maddelerin parçalanmasında rol oynayarak, toprağa tekrar besin elementi olarak dönüşümlerini sağlarlar. Ayrıca yukarıda belirtildiği gibi ekmek, yoğurt, peynir ve bunun gibi fermente gıdalar, alkollü içecekler ile çeşitli gıda katkı ve ingrediyentleri(farklı maddeler), protein, yağ ve probiyotik ürün eldesinde de kullanılmaktadır. Bunların yanında genetik modifikasyon uygulamalarında da mikroorganizmalardan yararlanılmaktadır. Gıda kaynaklı başlıca mikroorganizma grupları bakteriler, mayalar, küfler ve virüslerdir. Bunların dışında bazı algler, protozoerler ve makro parazitler de gıda mikrobiyolojisinin inceleme alanı içinde yer alan diğer organizma gruplardır. Küfler üzerinde geliştirdikleri gıdalarda ürettikleri mikotoksinlerle(en önemlisi aflatoksin-mantarlar tarfından sentezlenen toksik metabolitlerdir), algler (su ortamında yaşayan tek hücreli canlı) ise su ürünleri kanalıyla dolaylı olarak gıda güvenliğini etkilemektedir. Bakteri, maya ve küfler (bitki veya hayvanlar üzerinde yaşayan mikroskobik mantarlar) aynı zamanda gıda bozulma etkenleridir. Öte yandan, bazı bakteri, küf, maya, alg türlerinden çeşitli gıdaların , gıda katkılarının, sağlıklı beslenme ürünlerinin eldesinde yararlanılmaktadır. Sonuçta tabiyatta bulunan çok sayıda mikroorganizmadan sadece birkaç yüzü insanlar için faydalı ürün üretirler. Ancak faydalılık veya zararlılığın kesin bir sınırı yoktur. Mikroorganizmaların Sınıflandırılması ve İsimlendirilmesi Dünyada yaklaşık 10 milyon canlı türü olduğunu tahmin ederek, bunların binlercesini de mikroorganizmaların oluşturduğunu düşünürsek, canlıları iyi tanıyabilmek için bir sınıflandırmaya ihtiyacımız olduğumuzu görürüz. Bu 2 / 11 Süleyman YILMAZ Süleyman YILMAZ Kişisel web sayfası http://slymnylmz.com yüzden bilim adamları canlıları benzerliklerine göre sınıflandırmışlardır. Daha açık bir ifade ile mikroorganizmalar, doğal benzerliklerin ortaya çıkarılması, çeşitli organizmaların ne tip bir gelişme izlediklerinin belirlenmesi ve tanımlanma işlemlerinin kolaylaştırılması amaçları ile sınıflandırılmaktadırlar. Mikroorganizmaların keşfinden önce, doğadaki bütün canlı yaratıkların hayvan ya da bitki orijinli olduğu ve başka ara türlerin olmayacağı düşünülürdü. Mikroskobun keşfi ve bunun yardımı ile mikroorganizmaların bulunması, durumu tamamıyla değiştirmiş ve gözle görülmeyen başka bir Mikroskobik canlılar aleminin varlığını ortaya koymuştur. Mikroorganizmaları belli, geçerli ve devamlı bir klasifikasyona tabi tutma fikri eskiden başlamış olmasına karşın, yeni mikropların bulunması ve bunların değişik karakterlere sahip olmaları nedeniyle yapılan sistematikler devamlı değişmekte ve yerlerine yeni bulgulara uygun olanları hazırlanmakta ve konulmaktadır. Ayrıca mikroorganizmaların gözle görülmemeleri ve küçük olmaları bunların birçok özelliğinin saptanamamasına da yol açmaktadır. Bu durum da sistematiğin geçerliğini ve devamlılığını olumsuz yönde etkilemektedir. Mikrobiyolojik teknikler ilerledikçe, mikroorganizmaların karakterlerinin büyük bir bölümü açığa kavuşmakta ve sistematikteki yerleri de daha sağlam, belirgin ve değişik olmaktadır. Mikropları ilk bulan, şekillerini çizen ve hareketlerini izleyen A. van Leeuwenhoek'dan sonra, İsveçli bir botanist olan Carolus Linneaus bakterileri kendi yaptığı bir sınıflamaya dahil etmiş ve ilk defa binomial sistem içinde klasifikasyona çalışmıştır. Bu sistemde, bir mikroorganizma iki bilimsel adla belirlenmektedir. Bunlardan biri cins (genus) ve diğeri de tür (species) ismidir. Danimarkalı bir doğa bilimcisi olan Otto Frederich Müller, kendi sistematiğinde bakteri içeren iki cinse yer vermiştir. 1-Monas: oval ve yuvarlak bakteri türlerini ve 2- Vibrio: uzun formlu (çomak biçiminde) olanları içine almaktadır. Bir Alman zoolojist olan C.G.Ehrenberg sınıflandırmayı biraz genişletmiş içine bakterilerin yanı sıra protozoonları da katmış, mikroorganizmaları 4 cinse ayırmıştır (Bacterium, Spirillum, Spirochaeta, Spirodiscus). Alman bir biyolojist olan E.H.Haekel, tek hücreli organizmaları, gerçek hayvanlardan ve bitkilerden ayırmak için, bunları üçüncü bir grup olan protista adı altında toplamıştır. Steiner ve ark. 1957'de, protistayı da iki bölüme ayırmıştır. Biri yüksek protistalar (yeşil algler, protozoalar, mantar, mukoid mantarlar, chlorofit, euglonofit, pyrrofit) ve diğeri de basit protistalar (bakteriler ve mavi-yeşil algler). Mikroorganizmaların morfolojik karakterlerini esas alan bir klasifikasyon F.Cohn tarafından yapılmıştır. Bu sınıflamada birçok sporlu mikroplara da yer verilmiştir. Migula, mikropları sadece morfolojilerine göre değil, aynı zamanda renk (koloni) ve bazı fizyolojik karakterlerini dikkate alan (nitrogen fiksasyonu gibi) bir sistem geliştirmiştir. Orla-Jensen 1909'da, bakterilerin fizyolojik özelliklerini içine alan bir sistematik hazırlamış ve bu klasifikasyon sonrakilere örnek teşkil etmiştir. Aslında bu iki kelime (prokaryotik ve ökaryotik) daha ziyade nukleuslara göre yapılmış bir tanımlamadır. Prokaryotikler ilkel nukleusa sahip olanlar ve ökaryotikler ise gerçek nukleus'lu olanları ifade eder. Ancak, bu temel görüşlere, daha birçok karakterler de katılarak kapsamları genişletilmiştir. Tarihsel gelişmede de, ilk önce prokaryotiklerin ve sonra da diğer aşamalarda ökaryotiklerin meydana geldiği kabul edilmektedir. Bu tanımlamalar ilk yapıldığı sıralarda bakteriler prokaryotiklere dahil edilmiş, buna karşın mantar, maya, alg, protozoa, bitki ve hayvanlar ise ökaryotikler içinde konulmuştur. Viruslar ise bu iki grubun dışında tutulmuştur. Prokaryotikler ile ökaryotikler arasında temel farklar aşağıda tabloda gösterilmiştir. Karakterler Gruplar Prokaryotik Bakteriler Büyüklük Kromozom sayısı Nükleer membran Nükleolus Histon (kromozomda) Mitozis Mitokondria Sentromer Ribozom Mezozom Kloroplast Golgi aparatı Endoplasmik retikulum Peptidoglikan(hücreduvarında) 1-2X18 m m Tek Yok Yok Yok Yok Yok Yok 70S (30S+50S) Var Yok Yok Yok Var Ökaryotik Maya, mantar, alg, bitki, hayvan, protozoa 5mm birden fazla var var var var var var 80S (40S+60S) yok var var var yok 3 / 11 Süleyman YILMAZ Süleyman YILMAZ Kişisel web sayfası http://slymnylmz.com Mikroorganizmaları sınıflandırmada bazı sıra kurallarına uyulur. Bunlar da aşağıda gösterilmiştir (Bergey's Manual Systematic Bacteriology). Alem (Kingdom): Bölüm (Divisyon): Sınıf (Class): Takım (Order): Familya (Family): Cins (Genus): Tür (Species): Procaryote Gracilicutes Scotobacteria Spirochaetales Leptospiraceae Leptospira Leptospira interrogans Alem: Birbiri ile bağlantılı filumlar grubu. Filum/Bölüm: Birbiri ile bağlantılı sınıflar grubu. Sınıf: Birbiri ile bağlantılı takımlar grubu. Takım: Birbiri ile bağlantılı familyalar grubu. Familya/Aile: Birbiri ile bağlantılı cinsler grubu. Cins: Birbiri ile bağlantılı türler grubu. Tür: Tek bir mikroorganizma. İki mikrooragnizma türü arasında benzerlik %90 olmalıdır. Bakterileri modern anlamda ilk sistematize etmek, 1917 de Buchanan ile başlamıştır. Buchanan, Schizomycetes sınıfını 6 takıma ayırmayı teklif etmiştir. Yukarıda gösterildiği gibi bakteriler, bir çok karakterler esas alınarak sınıflandırmalara tabi tutulmuşlardır. Bunların avantaj ve dezavantajları olduğu gibi zamana göre de değişiklikler göstermektedirler. Ele alınan başlıca kriterler ve bunlara göre yapılan sınıflandırmaların en önemlileri aşağıda bildirilmiştir. 1) Doğal (filojenik) klasifikasyon: Bu sistematiğin esasını, mikroorganizmalardan birbirlerine çok benzeyenleri, muhtemelen aynı orijinden gelenleri, bir araya toplamak ayrı karakter taşıyanları çıkarmak oluşturmaktadır. 2) Numerikal klasifikason: Bu sistemde mikroorganizmaların benzeyen ve benzemeyen yönleri değerlendirmeye tabi tutulur. Böylece, taksonomik uzaklık, ortak olan karakterlerin toplam karakterlere oranından hesaplanır. Benzer karakterlere (+) ve benzemeyenlere de (-) puan verilir. Değerlendirmeler aşağıdaki tarz da yapılır. Örn, iki mikroorganizmanın arasındaki benzerlik ve uygunluk kat sayısının tayininde: Benzerlik indeksi (%S) = (Nsp X 100) / (Nsp + Nd) Benzerlik koefisienti (katsayısı ; %S) = (Nsp X Nsn X 100) / (Nsp + Nsn + nd) Nsp: Her iki suşta da benzer (pozitif) olan karakterler Nsn: Her iki suşta benzer olmayan (negatif) karakterler Nd: Birinde pozitif ve diğerinde negatif olan karakterler Birbirlerine benzer durumlarda S=100 ve hiç benzemeyenler de S=0 olur. Böylece mikroorganizmalar 100 ile 0 arasında benzerlik indeksine göre sıralanırlar. 3) Genetik klasifikasyon: Son yıllarda, mikroorganizmalar arasında genetik materyalleri, özellikle DNA'ları, arasındaki homojenlik durumlarına dayanan daha esaslı ve tutarlı bir klasifikasyona gidilmektedir. 4) Antijenik klasifikasyon: Bazı bakteri familya veya cinslerini kapsayan ve antijenik yapılarını esas alan bir klasifikasyon da yapılmıştır. Ancak, bu genetik sınıflama kadar genellenememektedir. Çünkü, cins veya türler içinde çok fazla antijenik değişmeler ortaya çıkmaktadır. 5) Fajla tiplendirme: Türler içi veya türler arası ilişkiyi saptamada fajla tiplendirme de kullanılmaktadır. Aynı türe ait suşlar, kendilerine özgü fajlara göre gruplara ayrılabilmektedirler. 6) Kemotaksonomi: Daha az oranda spesifitesi olan ve bakterilerin kimyasal yapılarını esas alan bu sınıflama da, bakterilerde çok değişken olan yapısal özellikler nedeniyle genetik sınıflama kadar tutarlı bulunmamaktadır. Bakterilerin kimyasal yapıları her ne kadar genetik bir özellik gösterirse de, bunların yetiştiği veya ürediği besi yerinin kimyasal yapısı, osmotik basıncı, pH, vs. gibi çevresel koşullar da fazlaca etkilenmekte ve değişebilmektedir. Mikroorganizmalar biyolojik olarak 5 sınıfa ayrılırlar: 4 / 11 Süleyman YILMAZ Süleyman YILMAZ Kişisel web sayfası http://slymnylmz.com Bakteriler (prokaryot) Protozoerler(ökaryot) Algler(ökaryot) Virüsler Maya ve küfler (ökaryot) Mikroorganizmaların isimlendirilmesi ve bunun belli bir düzen ve kurala bağlanması, pratik yönden büyük yararlar sağlamaktadır. Aksi hallerde, her araştırıcı bulduğu mikroorganizmaya kendine göre bir isim verecek ve böylece aynı mikroorganizmanın bir çok değişik adları olacaktır. Mikroorganizmaların bilimsel adları iki kelimeden oluşmaktadır. İlk kelime cins'i (genus) göstermekte ve büyük harfle başlamakta ve genellikle Latince'den orijin almaktadır. Ancak, bu cins ismi, mikroorganizmayı bulanın adını veya morfolojik, fizyolojik veya diğer karakterlerini gösteren bir kelimeden de oluşabilmektedir. İkinci isim ise, tür (species) adı olup küçük harfle yazılır. Bu son isim, mikroorganizmanın çeşitli karakterlerini yansıtmaktadır (koloni rengi, yerleştiği yer, oluşturduğu hastalık, biçim, vs.). Bu cins ve tür adlarının Latin orijinli olması yanı sıra, Yunanca'dan da yararlanılmaktadır. Her iki isim de italik olarak basılır. Öreğin Bacillus anthracis, Bacillus cereus, Bacillus subtilis, Staphylococus aureus, Proteus vulgaris, Salmonella typhi vs. gibi Cins isimi, ilk veya birkaç harfi yazılarak kısaltılabilir. Metinde ilk kez geçtiğinde açık sonra kısa yazılır. Örneğin, B. anthracis, B. cereus, S. typhi, Staph. aureus (veya S. aureus), Str. equi (S. equi), Str. pyogenes (S. pyogenes), Pr. vulgaris (P. vulgaris), Br. melitensis (B. melitensis) gibi. Ancak, son yıllarda cins isim olarak sadece tek harf kullanma eğilimi yaygın bir duruma gelmiştir. Cins isim, bazen, o mikroorganizmayı bulan kişinin adını taşıyabilir. Örneğin Escherichiacoli, Salmonella abortus ovis, Brucella melitensis, Pasteurellamultocida, Neisseriameningitidis, vs. gibi. Tür ismi, orijinini, genellikle, mikroorganizmanın çeşitli özelliklerinden alırlar. Örn, coli, orijinini colon (barsak) kelimesinden almaktadır, Benzer şekilde aureus, altın sarısı, aerogenes, gaz oluşturan, albus beyaz, pyogenes irin oluşturan, abortus yavru atan gibi. Virüslerin isimlendirilmesinde ise diğer mikroorganizmalar gibi spesifik sistematik isimler kullanılmamaktadır. Virüsler genellikle harflerle alfabetik olarak, numaralama sistemi ile veya oluşturdukları hastalıklara göre tanımlanmaktadır. Gıda biyoteknolojisi mikroorganizma, bitki ve hayvanlar gibi canlı organizmaların, bu organizmalardan izole edilen metabolitlerin (örneğin enzimler) yeni gıda ürünleri ve katkı maddeleri eldesinde kullanımları; gıda işleme tekniklerinin geliştirilmesi, gıdalarda genetik modifikasyon uygulamaları ve gıda güvenliği açısından irdelenmesi, hızlı gıda analiz teknikleri konularını kapsamaktadır. Günümüzde canlı sistemlerin temel kontrol mekanizması ve süreklilikleri için bilgi taşıyıcı molekül olan DNA’nın tanımlanması ve molekül üzerinde değişiklik yapılmasını sağlayan yeni tekniklerin kullanılması, mikroorganizmaların kontrollü koşullarda ve istenilen amaca uygun olarak üretimlerini sağlayan mikrobiyolojik ve biyokimyasal tekniklerdeki gelişmeler sayesinde biyoteknolojik uygulamalar yaygın olarak kullanılmaktadır. Gıdalar uygun koşullarda üretilmedikleri takdirde içerdikleri besin elementleri mikrobiyal gelişmeyi teşvik ederek gıda kaynaklı hastalıklara ve gıda bozulmalarına neden olmaktadır. Günümüzde gıda kaynaklı hastalık ve zehirlenmelerde mikroorganizmalrın ilk sıralarda yer aldıkları belirtilmektedir. Öte yandan mikroorganizmalar doğada çok yararlı roller de üstlenmişlerdir. Kompleks organik maddelerin parçalanmasında rol oynayarak toprağa tekrar besin elementi olrak dönüşümlerini sağladıkları gibi, ekmek, yoğurt, peynir vb. fermente gıdalar, alkollü içecekler ile çeşitli gıda katkıları, protein, yağ ve probiyotik ürün eldesinde de kullanılmaktadır. Bunların yanında genetik modifikasyon uygulamalarında da mikroorganizmalardan yararlanılmaktadır. Gıdalarda bulunan başlıca mikroorganizma grupları bakteriler, mayalar, küfler ve virüslerdir. Bunların dışında bazı algler, protozoerler ve makro parazitler de gıda mikrobiyolojisinin inceleme alanı içinde yer alan diğer organizma gruplardır. Virüsler, bazı bakteriler, protozoerler ve makro parazitler gıda kaynaklı hastalık etkenleridir. Küfler üzerinde geliştikleri gıdalarda ürettikleri mikotoksinlerle, algler ise su ürünleri kanalıyla dolaylı olarak gıda güvenliğini etkilemektedirler. Bakteri, maya ve küfler aynı zamanda gıda bozulma etkenleridir. Öte yandan, bazı bakteri, küf, maya, alg türlerinden çeşitli gıdaların, gıda katkılarının, sağlıklı beslenme ürünlerinin eldesinde yararlanılmaktadır. Bakteriler 5 / 11 Süleyman YILMAZ Süleyman YILMAZ Kişisel web sayfası http://slymnylmz.com Tek hücreli mikroorganizmalar olan bakteriler, yuvarlak (koklar: “cocci”), çubuk şeklinde (basil. “bacilli”) veya virgül (vibrion: “vibrio”) şeklinde olup, uzunlukları 2-10 µm, çapları 0,5-2,5 µm arasında değişmektedir.bazı bakteriler sahip oldukları “flagellum”lar (flagella) nedeni ile hareket yeteneğine sahiptirler. Bakteriler gram-boyama reaksiyonlarına göre de Gr(+) ve Gr(-) olmak üzere iki grup altında incelenmektedirler. Mikroskopik incelemelerde Gr(+)’ler koyu mor, Gr(-)’ler açık pembe renklerde görünürler. Gıda mikrobiyolojisinde önemli olan bakteri grupları aşağıdaki çizelgede verilmiştir. Koklar şekil olarak yuvarlak ve homojen büyüklüklerde iken, üremenin başlangıcında genellikle biraz oval görünebilirler. Bölünmeyi takiben tek tek bulunabilecekleri (mikrokoklar), ikili hücreler halinde (diplokok), zincir şeklinde (streptokok), düzensiz ve üzüm salkımı gibi (stafilakok) veya paket biçiminde (sarsina) de bulunabilirler. Mikrokoklar patojen değildirler, ancak gıda bozulmalrına neden olurlar; düşük su aktivitesi ve sıcaklık değişimlerinden nispeten daha az etkilenirler. Gr(+) spor oluşturmayan çubuk şeklindeki bakteriler arasında yer alan laktobasiller gıda endüstrisinde çok önemli rol oynayan bakterilerdir. Öte yanda mikroaerofilik özellikte olmaları nedeniyle vakum ambalajlı ürünlerde bozulma etkeni olan başlıca bakteriler arasında yer alırlar. Spor oluşturan Gr(+) çubuklar aerobik/fakültatif anaerobik bacillus türleri ile obligat anaerobik Clostridium türlerinden oluşurlar. Gıda mikrobiyolojisi açısından önemli diğer bir grup da Gr(-) aerofilik çubuklardır. Yüksek sıcaklık, kurutma, dondurma, düşük pH vb. olumsuz ortam koşullarına Gr(+) çubuklardan daha az dayanıklıdırlar. Mayalar Boyutları bakterilerden daha büyük tek hücreli, ökaryotik mikroorganizmalar olan mayalar, oval, yuvarlak veya silindir şeklindedir. Uzunlukları 10-30 µm, genişlikleri 2-6 µm arasında değişir. Gıdalar açısından önemli maya cinsleri Saccharomyces, Pichia, Rhodotorula, Torulopsis ve Candida dır. Gıda endüstrisinde özellikle ekmek ve alkol üretimi olmak üzere en yaygın kullanılan maya türü Saccharomyces cerevisiae’dır.Mayalardan ekmek, şarap, bira ve diğer alkollü içecekler, etanol, maya ekstraktları, pigmentler, probiyotikler ve çeşitli biyokimyasalların üretiminde yararlanılmaktadır.bakteri ve küflerden farklı olarak gıdalar üzerinde toksik bileşikler oluşturmazlar. Mayalar anaerobik koşullarda karbonhidratları parçalayarak alkol ve CO2 oluşturmaktadırlar (alkol fermentasyonu). Ortamda oksijen mevcudiyetinde ise şekerler daha ileri seviyede parçalanarak CO2 ve suya dönüşürler. Küfler Küfler miselyum olarak adlandırılan yapılardan oluşmuş çok hücreli hareketsiz organizmalardır. Gıda güvenliği ve endüstriyel mikrobiyoloji açısından önemli başlıca küfler Aspergillus, Fusarium,Mucor, Penicillium ve Rhizopus cinsi küflerdir.Küfler gıdalarda oluşturdukları çeşitli olumlu ve olumsuz değişiklikler nedeniyle gıda mikrobiyolojisinde önemli bir yer tutarlar. Düşük pH, su aktivitesi (aw) ve yüksek ozmotik basınca bakterilerden daha dirençlidirler. Küfler ürettikleri bazı enzimlerle protein, yağ ve karbonhidratları küçük moleküllere ayırarak, ortamda yeni bileşikler sentezleyebilmekte, sonuçta lezzet, koku, yapı ve diğer özellikleri ile gıda maddesi olumlu yönde etkilenmektedir. 8örneğin “Roquefort” ve “Camembert” peynirleri). Küfler tarafından üretilen başlıca ürünlere örnek olarak antibiyotikler, sitrik asit başta olmak üzere organik asitler ve enzimler verilebilmektedir. Küflerin gıdalar üzerindeki olumsuz etkileri ise renk bozulmaları, acılık, istenmeyen kokuların oluşumu gibi dıştan gözlenebilen değişimler ile besin elementleri kaybı ve “mikotoksin” olarak adlandırılan toksik metabolitlerin oluşumudur. Mikotoksinlerin canlılar üzerinde alındıkları dozlara bağlı olarak ölümle sonuçlanabilen etkileri olabildiği gibi kanserojen, dermatitik, nörotoksik etkileri de vardır. Küfler toksin etkini özellikle kuruyemiş ve baklagiller üzerinde kanserojen olarak gösterir. Algler Algler tek veya çok hücreli yapılarda olabilen organizmalardır. Genellikle sularda yaşarlar ve gelişmeleri için kompleks organik maddelere gereksinim duymazlar. Alg hücre duvarları selüloz, ksilanlar ve galaktanlar gibi polisakkaritleri içermektedir.Alglerin fotosentez yapmalarına olanak sağlayan klorofil veya benzeri pigmentleri içeren makroskobik formları da vardır. Spirulina, Dunaliella, Chlorella, Scenedesmus başta olamk üzere algler çeşitli sağlık ürünleri ve gıda katkılarının üretiminde kullanılırlar. Toksik algler cins ve türlerine bağlı olarak suda yaşayan bazı canlılara da zarar verebilmektedir. 6 / 11 Süleyman YILMAZ Süleyman YILMAZ Kişisel web sayfası http://slymnylmz.com Virüsler Bakteriyofaj olarak da adlandırılan ve doğada yaygın olarak bulunan virüsler, nükleik asitler (DNA veya RNA) ve çeşitli proetinlerden oluşan, ışık mikroskobu ile görülemeyen küçük partiküllerdir. Boyutları 0,02-0,12 µm olan virüsler ancak elektron mikroskobu ile görülebilmektedir. Obligat parazitler olarak tanımlanan virüsler su ve gıdalarla taşınabilmelerine karşın ancak canlı organizmalarda çoğalabilirler. Virüsler gıdalar üzerinde çoğalamazlar, ancak canlılıklarını koruyabilirler. Gıda kaynaklı hastalık etkeni başlıca virüsler hepatit a (sarılık etkeni) ve Norwalk virüsleridir. Diğer fekal kökenli diğer virüsler ise poliovirüsler (çocuk felci etkeni) Echovirus ve Coxsackievirus’tür. Bakteriyel virüsler olarakta adlandırılan bakteriyofajlar ısıya çoğunlukla dayanıklıdırlar. Bu sebeple pastörizasyonda canlı kalabilirler. Protozoerler Çoğunlukla sularda yaşayan tek hücreli hareketli canlılardır. En yaygın örnek amiplerdir. Büyük bir bölümü patojen değildir. Sadece patojen tiplere sebep olabilirler. İnsanlara içme ve kullanma suları ile, hayvansal gıdalar yoluyla bulaşır. Mikroorganizmalar gıda endüstrisinde ve insan sağlığı üzerinde oynadıkları rollere göre 4 gruba ayrılırlar: 1. 2. 3. 4. Patojenler (hastalık yapıcılar): Virüslerin hepsi, bakterilerin bir kısmı bu gruba girer. Bozulma yapan mikroorganizmalar: Mayalar, küfler ve bazı bakteriler Yararlı mikroorganizmalar: Endüstriyel mikrobiyoloji alanında kullanılan mikroorganizmalar İndikatör mikroorganizmalar: Bunların bulunması ürünün hijyenik koşullarda üretilmediğini gösterir.(E.coli). MİKROORGANİZMA KÜLTÜR KOLEKSİYONLARI Daha önceki derslerimizde bahsettiğimiz gibi, Koch ve Pasteur başta olmak üzere bilim adamları mikroorganizmaların saf kültürlerini elde ederek metabolizma işlevlerini incelemişler ve doğadaki çeşitli olaylarda rolleri bulunduğunu vurgulamışlardır. Bir mikroorganizmanın saf şekilde elde edilebilmesi ve üretilmesi, doğadaki çevre şartlarının ve besinlerinin laboratuvarda sağlanabilmesi ile mümkündür. Ancak doğa şartlarının laboratuvarda aynen sağlanabilmesi olası değildir. Bakteri kromozomundaki genlerde doğal olarak mutasyonlar oluşabilir. Bir bakteri hücresinde bulunan plazmitler diğer bir bakteri hücresine girerek genetik değişikliğe sebep olabilir. Bazı bakterilerin laboratuvarda uzun süre kültürleri yapıldığında morfolojileri ya da antijen yapıları değişir. Bazen metobolizma değişikliği olur ve normal metabolizma işlevlerinin başka şekle dönüştüğü görülür. Antijen yapısı değişen bakteri serolojik işlemlerde ya da aşı hazırlanmasında kullanılamaz duruma gelir. Bakterinin faydalı ürün veren metabolizmasında değişme olduğunda ise, artık bu ürünü elde etmek mümkün olmaz. Laboratuvarda suşlarda* böyle değişmeler sıklıkla görüldüğünden suşların değişme olmadan muhafaza edilmesi gerekir. Benzer şekilde mutasyonlar doğada da olduğundan çeşitli yerlerden veya aynı yerden elde edilen suşlar incelendiğinde metabolizmalarında veya verimlerinde farklar olduğu görülmektedir. *Belirli bir kaynaktan üretilerek elde edilen ve tüm özellikleri belirlenmiş olan saf bakteri topluluğudur. Doğada canlı organizmaların bulunduğu tüm bölgeleri kapsayan biyosfer; okyanusları, kıtaların kara yüzeylerini, gölleri ve nehirleri, atmosferin aşağı kısımlarını içerir. Biyosferin her tabakasında mikroorganizmalar bulunur. Doğada fazla miktarda bulunan mikroorganizmalarda geniş bir genetik zenginlik de bulunmaktadır. Genetik farklılığı olan bazı mikrooragnizmalar yüksek verimli ürünler oluşturmaktadır. Seçilen mikroorganizmalar ile yapılan laboratuvar çalışmaları sonucunda yeni mutantlar ve genetik şifresi değişik mikroorganizmalar üretilmektedir. Bunlardan yüksek verimli ürünlerin ve faydalı maddelerin eldesi mümkündür. Besin maddelerinin fermentasyonunda, ilaç ve kimyasal maddelerin fermentasyonla elde edilmesinde, aşı yapımında, azotun bitkilere sağlanmasında, çöp ve gübreden metan gazının elde edilmesinde bu genetik zenginliğe sahip mikroorganizmalardan yararlanılmaktadır. Bu işlemlerde değerli suşlar, ekonomik değeri fazla mutantlar bulunarak kullanılmalıdır. Uygun suşun bulunması oldukça pahalı olduğundan, elde edilen suşlar kaybedilmeden korunarak muhafaza edilmelidir. Değerli suşlar temel ve uygulamalı mikrobiyoloji araştırmalarında etkin yatırımların başlıca dayanağı olmaktadır. Kültür korumanın temel prensibi varyasyon veya mutasyona uğratmadan mikroorganizmayı saf halde ve uzun süre canlı tutmaktır. Kültür koleksiyonunun ilk işlevi gerekli kültürleri alıp antijenliği, toksijenliği, metabolizma 7 / 11 Süleyman YILMAZ Süleyman YILMAZ Kişisel web sayfası http://slymnylmz.com işlevi ile genetik yapısını değişmeden koruyarak muhafaza etmek ve bunları gereken yerlere sağlamaktır. Büyük çaplı endüstriyel kalkınmayı sağlamak üzere güçlü kültürlerin üretilmesi, temel araştırmaların başlatılması, temel bilgilerin oluşturulması ve geliştirilmesi kültür koleksiyonu merkezlerinde yapılabilmektedir. Endüstriyel mikrobiyolojide mikroorganizmaların ve enzimlerin biyokimyasal aktivitelerinden yararlanılır. Bazı bakterilerin 1 gr’ı 14000 gr laktozu 1 saatte parçalayabilir. Mikroorganizmaların çok hızlı büyüme ve üreme güçleri dolayısıyla aktiviteleri çok fazladır. Bir mikroorganizma hücresinde yüzlerce, binlerce çeşit enzim bulunduğu gösterilmiştir. Escherichia coli (E.coli)’de 2000’den fazla çeşitli enzim vardır. Her enzimin özel biyokimyasal aktivitesi bulunduğundan, endüstriyel mikrobiyoloji alanında çok geniş çalışma olanakları bulunabilmektedir. Çeşitli metabolizma ürünleri oluşturan ve enzim sağlayan yüzlerce mikroorganizma türünden çok azı endüstriyel amaçlarla kullanılmaktadır. Çünkü ürünlerden çok azı yararlı ürünlerdir. Yararlı ürün verebilen mikroorganizma suşlarının seçilerek endüstride kullanılmaları gerekir. Endüstride kullanılacak standart mikroorganizmaların özellikleri: 1. 2. 3. 4. Ucuz organik maddeler kullanılarak kolay üretilmelidir. Bol miktarda kültür sağlanmalıdır. Ürün fazla miktarda elde edilebilmelidir. İstenilen dönüşümlerin basit ve hızlı bir şekilde, yüksek verimle ve minimum enerji kullanılarak gerçekleşmesi gerekir. 5. Zaman içinde suşların salgılama özellikleri korunmalıdır. 6. Ürünler kolay izole edilebilmelidir. Topraktan, sudan veya canlı varlıklardan izole edilen bir mikroorganizmanın tanımı yapılır. Bu mikroorganizma hücresinin veya ürünlerinin endüstride yararlı olduğu anlaşılırsa, mikroorganizma fermentör adı verilen büyük üretme kaplarında, hızlı ve yoğun üreme için gerekli şartlar sağlanarak üretilir. Mikroorganizma hücrelerinin, hücre içi ve hücre dışı enzimleri ve fermentasyon ürünü maddeleri elde edilerek aktivitilerinin tanımı ve tayini yapılır. Mikroorganizmaların ucuz hammaddeleri, ekonomik değeri olan organik maddelere dönüştürme yeteneği en önemli kunulardan biridir. Bu işlemlerde yüksek verimli ürünlerin elde edilmesini sağlayan gen değişimine uğramış mikroorganizma suşlarının kullanılması gerekli olmaktadır. Bu konudaki çalışmalar son yıllarda hızla önem kazanmıştır ve Gen Mühendisliği konularına girmiştir. Mikrobiyolojik çalışmalar yapan her laboratuarda bir kültür koleksiyonu olmak zorundadır. Bu koleksiyon, laboratuvarın amacı ve işlevi, teçhizat ve ekipman ile personel durumu, koleksiyona alınacak mikroorganizmaların özellikleri, koleksiyonun hedeflenen süresi vb. gibi bir çok faktöre bağlı olarak değişik şekillerde ve kapasitelerde düzenlenir. Koleksiyonda en azından o laboratuara özgü mikroorganizmalar bulunması gerekir. Mikrobiyolojinin gelişme sürecinde kültür korumaya yönelik daha kolay, daha pratik, daha ucuz ve en önemlisi daha etkin yöntemler gelişmiştir. Bu süreç içinde en eski çalışmanın çiçek aşısı ile yapıldığı sanılmaktadır. 1799 yılında Dr. Carro ipliklere emdirilmiş çiçek aşısını 1 yıl süre ile saklamış ve bu süre sonunda aşının etkinliğini koruduğunu görmüştür. Gelişen bilim ve teknoloji süreci içinde kültür korumaya yönelik pek çok yöntem bugün başarı ile uygulanmaktadır. Ancak, tüm mikroorganizmalar için aynı yüksek başarı düzeyi ile kullanılabilecek tek bir yöntem yoktur. Bu nedenle farklı mikroorganizma grupları için farklı yöntemler veya aynı yöntemin çeşitli modifikasyonları önerilmektedir. Bununla beraber özel mikroorganizma gruplarının da yer aldığı büyük koleksiyonlar hariç tutulur ise bir gıda mikrobiyolojisi laboratuarı için tek bir yöntem ile tatmin edici bir koleksiyon oluşturulabilir. Koruma Yönteminin Seçimi Yukarıda da belirtildiği gibi koleksiyon oluşturulmasında pek çok faktör tarafından etkilenen farklı yöntemler uygulanmaktadır. Uygulanan her yöntemin bu faktörlere bağlı olarak çeşitli avantaj ve dezavantajları vardır. Aşağıda bu faktörler kısaca verilmiştir. Canlılığın korunması: Kültür koleksiyonunun temel amacı mikroorganizma canlılığının korunmasıdır. Canlılık, gerek koruma işlemi (dondurma, kurutma) sırasında, gerek depolama sırasında azalır. Kültürün tümüyle kaybının önlenmesi için belirli sürelerde kültür aktifleştirilip yeniden korumaya alınmalıdır. 8 / 11 Süleyman YILMAZ Süleyman YILMAZ Kişisel web sayfası http://slymnylmz.com Popülasyon değişimi: İşlem sırasında olan ölümler ile uygulanan işleme dirençli olanların lehine popülasyonda bir değişme olur. Bu durumda kültürün ilk durumuna göre orjinalliğinde değişme olur. Bu değişiklik kültür koruma amacına uygun değildir. Kültürün başlangıç konsantrasyonunun yüksek olması ile bu sakınca en aza indirilir. Genetik değişim: Özellikle endüstriyel ve bilimsel önemi olan kültürlr genetik değişmelere uğramayacak şekilde korunmalıdır. Genetik değişimler koruma vaya depolama sürecinde meydana gelebilir. Mutasyon ve plazmidlerin yitirilmesinin en az olduğu yöntemler seçilerek temel karakterlerin kaybedilmemesi ve yeni karakterler kazanılmaması bu tip özel mikroorganizmalar için önemlidir. Saflığın korunması: Koruma işlemi ve aktifleşme sırasında ne kadar fazla işlem basamağı var ise kültür, kontaminasyona o denli açıktır. Saflığın yitirilmesi kültür koleksiyonunda kabul edilemez. Maliyet: Personel giderleri, alet ve ekipman giderleri, sarf malzeme giderleri kültür koleksiyonunda kullanılacak yöntemi en yüksek derecede etkileyen faktörler arasındadır. Koleksiyona alınacak kültür sayısı: Kültür koleksiyonunda korunacak mikroorganizma sayısı koruma yöntemini belirleyen temel faktörlerden birisidir. İlk koruma ve koleksiyonun aktifleştirilmesi için gereken iş gücü bir anlamda koleksiyondaki sayıyı ve dolaylı olarak yöntemi belirler. Bir diğer deyişle koleksiyondaki mikroorganizma sayısı ile seçilecek koruma yöntemi doğrudan ilişkilidir. Küçük bir koleksiyon için uygun bulunan bir yöntem zamanla koleksiyonun büyümesi durumunda elverişsiz kalabilir. Bu nedenle yöntem seçiminde ileride kapasite büyümeleri de dikkate alınmalıdır. Kültürün değeri: Endüstriyel ve bilimsel önemi olan kültürlerde maliyet kuşkusuz önemli bir faktör değildir. Bu tip kültürler için en etkin yöntem seçilmek zorundadır. Koleksiyonda değerli olan kültürler de bulunuyor ise önemlerine göre birden fazla yöntem ile koruma yapılmalıdır. Benzer şekilde maliyetler dikkate alınarak önemli ve daha az önemli kültürler farklı yöntemlerle koleksiyona alınabilir. Kültürlerin kullanım sıklığı: Rutin gıda analizlerinde şahit mikroorganizma veya eğitim gibi koleksiyondaki mikroorganizma sıklıkla kullanılıyor ise orijinal koleksiyona ilaveten bu amaçla kullanılacak yan koleksiyonların da bulunması gerekir. Kültürün dağıtımı: Eğer koleksiyondaki mikroorganizmalar çeşitli nedenlerle diğer laboratuarlara da iletilecek ise yine ana koleksiyon yanında bu amaca uygun bir koruma yöntemi de uygulanmalıdır. Örneğin sıvı azotta korunan kültürlerin bir başka laboratuara iletilmesi çok yüksek maliyetler gerektirir. Buna karşın kurutulmuş kültürler mektupla dahi başka laboratuarlara gönderilebilir. Mikroorganizma türü: Korunacak mikroorganizmanın cins, tür hatta suşu koruma yöntemi üzerinde doğrudan etkilidir. Bazı bakteriler (örneğin koliform grup bakteriler, stafilokok, basiller vb. ) basit ve ucuz yöntemler ile yıllarca korunabilir iken bazı türler (örneğin Leptospira) modifiye yöntemlerle ancak kısa süreler ile korunabilmektedir. Mikroorganizma kültürlerinin korunmasına yönelik olarak uygulanan yöntemler çeşitli şekillerde sınıflandırılabilir. Sınıflandırma genel olarak ya koruma süresine ya da yöntemlerin benzerliğine göre yapılmaktadır. Kavram benzerliklerine göre sınıflandırma şöyledir. 1. 2. 3. 4. Transfer Kurutma Liyofilizasyon Dondurma İlk iki yöntem Basit Yöntemler, diğer ikisi Modern Yöntemler olarak bilinir. FERMENTASYON VE FERMENTÖRLER Fermentasyon kelimesi, «biyolojik değişim» anlamıyla tanınmakta ve yaygın şekilde kullanılmaktadır. Endüstriyel uygulamadaki özelliklerine göre belirlersek, «Tek mikroorganizma ile ve belirli optimum koşullarda gerçekleştirilen biyolojik değişimler yoluyla üretim teknolojisi» olarak tanımlayabiliriz. Fermentasyon işlemlerinin gerçekleştirildiği kaplara «fermentör» denir. Fermentasyon amacına göre yapılan Fermentörler Çok değişik boyut ve biçimlerde fermentörler yapılmakta ve kullanılmaktadır. Örneğin, steroit biyotransferleri, 50- 100- 150 litrelik fermentörlerde gerçekleştirilirken antibiyotik fermentörleri 200 - 250 m3 boyutlarına ulaşabilmekte, tek hücre proteini üretimi için 1000 lt nin üzerinde fermentörler tercih edilmektedir. Basınç gerektirmeyen bazı uygulamalarda (genellikle anaerobik fermentasyonlarda) tahta malzeme kullanılabilir. Büyük çoğunlukla metal fermentörler yaygındır. İlk zamanlar fermentörler bakır yada demir 9 / 11 Süleyman YILMAZ Süleyman YILMAZ Kişisel web sayfası http://slymnylmz.com malzemeden yapılmaktaydı. Günümüzde genellikle paslanmaz çelik malzeme kullanılmaktadır. Aerobik fermentasyonların çok büyük kısmı, karıştırıcılı derin fermentasyon uygulamasıdır. Bu sebeple, fermentör kavramı, genellikle böyle uygulamanın yapıldığı (derin = submerged) fermentörleri anımsatmaktadır. Fermentörlerin temel özellikleri Farklı büyüklüklerine karşın, fermentörler aşağıdaki temel özelliklere sahip olmalıdır: a) Steril çalışmaya elverişli gövde ve kısımları olmalıdır. b) Uygun karıştırma (O2 ve ısı transferi) sağlanmalıdır. c) Steril katkılara elverişli girişler ve katkı sistemleri içermelidir. d) Kontrol aletleri ile komple olmalıdır (Sıcaklık, pH, O2 vs.) Resim 1: Laboratuvar boyutlu üniversal amaçlı Resim 2: Büyük ölçekli derin fermentör fermentör (2‐10 litre) Yukarıdaki özellikleri taşıyan fermentörler, 2-3 litrelik laboratuvar tiplerinden 20 - 250 m3’lük endüstriyel modellere kadar çeşitli boyutlarda olabilmektedir. Boy farklılıklarına rağmen, fermentörlerin biçimleri genellikle benzerlik gösterir. Derin Karıştırıcılı Fermentörün genel yapısı aşağıdaki gibidir. Fermentör ana elemanları aşağıda sıralanmıştır 1) Gövde Genellikle silindiriktir. Alt ve üstteki bombeler basınca karşı dayanırlığın artmasına yarar. Çoğunlukla dıştan serpantinle sarılıdır. Dış serpantinler soğutma yada ısıtma dışında, basınca karşı mukavemeti artırıcı oluşuyla tercih edilir. Fermentör boyu genellikle çapın 3-5 katıdır. 2) Kapak (Giriş menholü) Besiyeri doldurmaya yarayacağı gibi, gövde içinin temizliğinde giriş için gereklidir. Kapak, besiyeri sterilizasyonu öncesi kapanır ve fermentasyon sonuna kadar kesinlikle açılmaz. 3) Ekim kapağı Balon veya erlenmayer boyutunda geliştirilen inokulumun steril besiyerine katılması için kullanılır. İşlem alev yardımıyla gerçekleştirilir. 4) Dalgakıranlar Paletlerin karıştırmasının kitleyi dairesel çevirmesini kırar. Böylece çalkalamaya, dolayısıyla O2 ve ısı transferine yardımcıdır. Genellikle dört tanedir ve genişlikleri fermentör çapının 1/10 yada 1/12’si kadardır. 5) Hava giriş simidi (Sparger) Fermentöre giren havanın iyi dağılması amacına hizmet eder. Hava çeşitli büyüklükte yüzlerce delikten çıkarak yayılır. 6) Mil girişi ve salmastra sistemi Fermentör yapımının en önemli noktalarından biridir. Fermentasyon sterilliğinin korunabilmesi için, bu noktadaki sızdırmazlığını mükemmel olması gerekir. 7) Steril hava girişi ve ölçüm aparatları 10 / 11 Süleyman YILMAZ Süleyman YILMAZ Kişisel web sayfası http://slymnylmz.com Fermentasyonda kullanılan hava belirli özelliklerde olmalıdır. Bu konu, sterillik kısmında ayrıca incelenecektir. Hava miktarı flowmetreler yardımıyla ölçülür. 8) Sıcaklık kontrol sistemi Sterilizasyon ve fermentasyon süresince sıcaklığın ölçüm ve ayarı için özel aparatlar gereklidir. 9) Basınç kontrol sistemi Fermentörlerin üstündeki gaz (hava) fazı yardımıyla artı basınç sağlanmalıdır. Böylece dışla bağlantılı kısımlardan istenmeyen mikroorganizmaların girişi önlenebilir. Artı basıncın 0.3 – 0.5 atmosfer kadar olması yeterlidir. 10) pH kontrol sistemi Fermentasyon esnasında değişen pH nın kontrol ve ayarı, dolayısıyla uygun pH metreler gerekir. 11) Steril besiyeri katkı düzeni Fermentasyon esnasında alınan örneklerin analiziyle, konsantrasyonu azalan besin katkıları (azotlu yada karbonhidratlı katkılar) steril şartlarda fermentöre aktarılabilmelidir. Keza biyosenteze yardımcı prekürsörler veya pH düzeltme çözeltileri (NH4OH yada H2SO4 gibi) uygun biçimde ortama aktarılmalıdır. Steril şartlarda transfer, uygun debili dozaj pompalarıyla yada fermentör basıncından fazla basınç altında tutulan özel kaplar yardımıyla sağlanır. 12) Örnek alma vanaları ve steril emniyet sistemi Fermentasyonlarda, çok sıkı kapatılmış vanalar dahi sterilliğin sağlanmasına yeterli sayılmaz. Bu sebeple bütün giriş çıkış vanaları özel buhar düzeniyle korunur. 13) Karıştırıcı mil ve palet sistemi Fermentasyonların ısı ve özellikle oksijen transferi için mükemmel bir karıştırma gereklidir. Karıştırma palet sistemleri, gücün optimum değerlendirilmesine ve optimum çalkalamaya hizmet edecek şekil ve büyüklüklerde seçilir. 14) Güç ve güç nakil sistemi (Motor redüktör ve mil) Fermentörlerde karıştırmalar, uygun kapasitede motorlar yardımıyla sağlanan güç kullanılarak, uygun redüktörlerle ideal karıştırma hızıyla paletler döndürülerek sağlanır. 11 / 11 Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
