MİKROBİYAL ENZİMLER TİCARİ ÜRÜNLER HAZIRLAYANLAR; ENZİMLER-AZİME NURSAÇ KÖKMEN -GÜLŞEN MERVE KAYIR AMİNO ASİTLER-AYSU ERTÜRK KİMYASALLAR-SEZER ŞENSOY MAKALE-SELİM KUL -İLKER GÖZÜKARA İÇİNDEKİLER 1)MİKROBİYAL ENZİMLER 2)TİCARİ MİKROBİYAL ENZİM ÜRETİMİ 3)DETERJAN ENZİMLERİ 4)PEYNİR ÜRETİMİNDE KULLANILAN ENZİMLER 5) MEYVE SUYU ÜRETİMİNDE KULLANILAN ENZİMLER 7)DERİ İMALATINDA KULLANILAN ENZİMLER 8) KAĞIT HAMURUNUN İŞLENMESİNDE KULLANILAN ENZİMLER 9)ORGANİK SENTEZLERDE KULLANILAN ENZİMLER 10)AMİNO ASİTLER NELERDİR? 11)L-GLUTAMİK ASİT 12)AMİNO ASİTLERİ YÜKSEK MİKTARDA ÜRETMEK İÇİN TEKNİKLER İÇİNDEKİLER 13)L-GTUTAMİK ASİTLERİN ENDÜSTRİYEL ÜRETİMİ 14) LİSİN 15)KİMYASAL MADDE NEDİR? 16)KİMYASAL MADDE ÖZELLİKLERİ 17)ALKANLAR 18)ALKAN ÜRETİMİ 19)BÜTANOL 20)BÜTANOL ÜRETİMİ 21)3 ANA FERMANTASYON YÖNTEMİ 22)ENDÜSTRİYEL ETANOL 23)ETANOL ÜRETİM POLİTİKASI 24)LİGNOSELÜLOZİK MATERYALLERİN BİYODÖNÜŞÜMÜ 25)LİGNOSELÜLOZ POLİMERLERİ MİKROBİYAL ENZİMLER Pek çok endüstriyel enzim için kullanılan konvansiyonel kimyasal katalizörlerin yerini artan oranlarda ticari mikrobiyal enzimler almaktadır. Enzim kullanımı daha az enerji tüketimi sağlar ve genellikle korozyona dayanıklı ekipman kullanımına gerek kalmamaktadır. Enzimler istenmeyen yan ürünlerin oluşumuna neden olmayan spesifik ve çoğu zamanda stereospesifik katalizörlerdir. Bu sayede hedef ürünün kapsamlı şekilde rafinasyonuna ve saflaştırılmasına daha az ihtiyaç duyulmaktadır. Enzimlerin sınıflandırılması ilk olarak Uluslararası Biyokimya Birliği’nin enzimlerle ilgili komisyonu tarafından oluşturulan bir sisteme dayanmaktadır(1979).Kataliz edilen tepkime tipine bağlı olarak gerçekleştirilen gruplandırmada 6 temel sınıf bulundurmaktadır. 1-Oksidaredüktazlar • Oksidasyon/Redüksiyon tepkimelerini hidrojen atomlarının,oksijen atomlarının veya elektronların transferini katalizler. 2-Transferazlar • Bir bileşikteki kimyasal grubun başka bir bileşiğe transferini katalizler. 3-Hidrolazlar • Hidrolizin,bir su molekülünün katılmasıyla kimyasal bağın kırılmasını katalizler. 4-Liyazlar • Hidroliz veya oksidasyon dışında yollarla bağların kırılmasını katalizler 5-İzomerazlar • Bileşiklerin yapısal yeniden düzenlenmesini katalizler. 6-Ligazlar ve Sentatazlar • Yeni bağların oluşumunu katalizler. Örneğin; ATP’nin parçalanarak C-N,C-O,C-C ve C-S bağlarının oluşturulması. Bazı endüstriyel biyodönüşümler için, özellikle de koenzimlerin gerekli olduğu hallerde biyokatalizör olarak biyosüspanse halde veya immobilize edilmiş(tutuklanmış) mikrobiyal hücreler ve sporlar kullanılabilir. Ancak, bir çok durumda bunun kısıtları vardır. Çünkü; 1-Hücreler enerjiyi ve gelişmeyi veya idame için gerekli kaynakları ‘israf’ eder. 2-Yan tepkimeler hedeflenen ürünün potansiyel veriminde düşüşe sebep olabilir. 3-Zorunlu olduğunda, mikrobiyal gelişim koşulları optimum ürün oluşumu için gerekli koşullardan farklı olabilir. 4-Ürünün hücrelerden veya tükenmiş fermantasyon ortamından izolasyonunda veya saflaştırılmasında güçlükler yaşanılabilir. Günümüzde her yıl tonlarca ticari enzim üretilmektedir ve bunların değeri 1500 milyon ABD dolarının üzerindedir .Birkaç hayvan veya bitki kökenli enzim kullanılmakta olsa da çoğu ticari enzim artık mikrobiyal kaynaklardan elde edilmektedir. Bunların pek çoğu hücre dışı enzimlerdir ve ekseriyetle çeşitli Bacillus türlerinden sağlanmaktadır. En yüksek oranda ticari enzim tüketimi %34 ile deterjan enzimleridir ve bunu %14 ile süt endüstrisi,%12 ile nişasta sanayi ve %11 ile tekstil uygulamalarında kullanılan enzimler izlemektedir. Kalan %29 luk kısım çok çeşitli uygulamalarda değerlendirir. Geleneksel işlemlerde yardımcı görevini üstlenmelerinin yanı sıra yığın enzimler pek çok yeni geliştirilmiş işlemin merkezindedir ve biyoteknolojik yenilikler enzimlerin uygulama alanlarını genişletmeye devam etmektedir. Yığın enzimler normalde aktivite değeri ve stabilite açısından sadece tüketicinin gereksinimlerini karşılayacak düzeyde saflaştırılmış olan oldukça ham karışımlardır. Bunlar çoğunlukla bazı durumlarda genel uygulama performansı için faydalı olan başka enzimleride içermektedirler. Çok sayıda uygulama içinse daha düşük miktarlarda yüksek saflıkta enzim preparatları gerekli olmaktadır. Bu tip enzimlerin üstlendikleri roller arasında günümüzde pek çoğu rekombinant ürünler olan terapötik ajanlar, gıda ve tıbbi amaçlı test kitlerinin bileşenleri, biyosensörler,araştırma araçları ve daha pek çok amaçla yapılan uygulamalar sayılabilir. Moleküler biyoloji alanında kullanılan kaliteli enzimlere, özellikle de kesim endonükleazlarına ve DNA polimerazlarına, örneğin Thermus aquaticus ve Pyrococcus friosus kaynaklı (Taq ve Pfu) DNA polimerazlarına artan bir talep vardır. Bu enzimler DNA’nın çoğaltılması amacıyla PCR’da kullanılmaktadır. Endüstriyel proseslerde immobilizasyon, işlemin sınırlandırılmasını ve geri kazanımını kolaylaştırır. Bu enzimlerin birkaç faydalı özellikleri vardır. Bunlar; 1-Tekrar Kullanılabilirlik. 2-Sürekli işlemlerde kullanıma uygunluk. 3-Ürünün enzim içermemesi, yani enzimin sistemden ayrılması için ileri işlemlere gerek kalmaması. 4-Geliştirilmiş enzim kararlılığı. 5-Sıvı atıklar ile ilgili imha sorunlarının azaltılması. TİCARİ MİKROBİYAL ENZİM ÜRETİMİ Mikrobiyal enzimler ağırlıklı olarak sıvı kültür fermantasyonu ile üretilir, ancak, özellikle hücre dışı fungal enzimlerin üretiminde bazı katı-substrat fermantasyonlarında kullanılmaktadır. İlk ticari mikrobiyal enzim preparatı da katı-substrat fermantasyonu yoluyla üretilmiştir. Bir fungal amilaz olan bu enzim ‘Takadiastaz’ adıyla bilinmektedir. Nemli pirinç veya kepek üzerinde Aspergillus oryzae kültüre alınarak üretilmiştir. Çoğu endüstriyel enzim kesikli yöntemle üretilen ürünlerdir ve pek azı günümüzde sürekli fermantasyon yoluyla üretilmektedir. Pek çok fermantasyon işlemi geliştirilirken olduğu gibi, enzim üretim işlemleri de geleneksel olarak,uygun üretici organizmanın arayışı ile başlamaktadır. Tıp veya gıda uygulamalarında kullanılacak enzimler için GRAS (genel olarak güvenilir olduğu kabul edilen) olarak listelenmiş organizmların kullanımının göz önünde bulundurulması önemlidir. Mikroorganizma taraması ve seçimi enzimin optimum pH’sı ve ısıl direnç gibi özelliklerinin belirlenmesi ile organizmanın hedef enzimi salgılama yeteneği incelenilerek gerçekleştirilmelidir. Nişatsa işlemede kullanılan enzimler ve ilgili karbonhidrazlar • Nişastanın işlenmesinde Amiloz ve Amilopektin muazzam öneme sahip olduğu kanıtlanmıştır. • α-Amilaz bu endüstriyel enzimlerin en önemlilerinden bir tanesidir. • Amilazlar diğer endüstri dallarında , özellikle de biracılık ve fırın ürünleri üretimi alanlarında nişastanın sıvılaştırılması ve dekstrinlerin hidrolizi gerekli olduğunda kullanılmaktadır. • Glukoz izomeraz da niaşsta endüstrisi için dikkate değer başarı sağlamıştır. • İnvertaz endüstriyel ölçekte kullanıma yönelik immobilize formda üretilen ilk enzim olmuştur. • Laktaz sütte bulunan laktozun hidrolizini gerektiren birkaç endüstriyel işlemde kullanılır. DETERJAN ENZİMLERİ Deterjanlara enzimlerin ilave edilmesinin birkaç faydası bulunmaktadır. Daha düşük sıcaklıklarda yıkama işlemleri yapılarak enerji tasarrufu sağlanması ve az kullanılması istenen deterjan kimyasalların oranlarının azaltılması verilebilir. Diğer deterjan bileşenlerinden farklı olarak,evsel atık su arıtımı işlemleri üzerinde enzimlerin olumsuz bir etkisi söz konusu değildir. Bunlar zararalı kalıntılara yol açmaksızın biyolojik olarak tamamen ve hızla bozunmaktadır. Dolayısıyla,çevreye zarar vermezler ve suda yaşayan canlılar açısından risk oluşturmazlar. Deterjanlarda mikrobiyal enzimlerin ilk ticari kullanımı 1958 yılında olmuştur.Gebruder Schnyder şirketi adına çalışan bir İsveçli kimyager olan Jaag,daha önceleri bu tür deterjan ürünleri bileşiminde kullanılan hayvansal kökenli tripsin yerine bakteriyel proteaz içeren yeni bir ürün geliştirmiştir.Bu noktadan itibaren deterjanlarda mikrobiyal enzim kullanımı artmıştır. Deterjanlarda kullanılan yegane enzimler proteazlar değildir; 1980’lerden itibaren amilazlar ve lipazlarda bileşimlere katılmak üzere piyasaya sunulmuştur. Örneğin Novo Nordisk firmasının ürünü lipolase rekombinant DNA teknolojisiyle üretilen ilk deterjan enzimi olmuştur. Lipaz geni,bir küf türü olan Humicola’dan izole edilerek sıvı kültür fermantasyonunda üretim için daha uygun olan Aspercillus oryzae’ye aktarılmıştır. Günümüzde,Vusarium solani kaynaklı kütünaz gibi bitki yaprak üst zarlarını teşkil eden yağ asitlerini doğal olarak parçalayan ve daha üstün yağ asidi parçalama yeteneği olan yeni enzimler keşfedilmektedir.Bu enzimin geni Saccharomyces cerevisia’ye aktarılmıştır. Ticari üretim olanakları halen incelenmektedir. PEYNİR ÜRETİMİNDE KULLANILAN ENZİMLER • Peynir üretiminde binlerce yıldır buzağı, kuzu ve oğlakların midelerinden elde edilen peynir mayası(rennet) kullanılmıştır. • Bu peynir mayalarında rennin enzimi bulunur. • Sütte bulunan proteini kısmi proteolize uğratarak peynir yapımının ilk aşamasında pıhtı oluşumunu sağlar. • Bir proteolitik enzim olan fisini içeren incir sapı da bazen aynı amaçla kullanılmıştır. • Proteazlar gereğinden fazla proteolize sebep olurlar. • Bu durum eksiği gidermeye yetmiş ve ‘vejeteryan’ tabir edilen tipte peynirlerin üretimine olanak sağlanmıştır. • Ayrıca bazı mikrobiyal enzim preparatları buzağı mayalarına göre ısıya daha duyarlıdır. • Bu özellik bazı peynir yapım işlemleri için kullanışlı olmaktadır. • Hayvansal ve mikrobiyal kimozinlerin toplam dünya satış değeri 75 milyon ABD dolarını geçmektedir. • Süt ürünlerinde, özellikle de peynirlerde, yağ asitlerinin hidrolizini sağlayarak aromanın geliştirilmesi amacıyla mikrobiyal lipazlar da kullanılmaktadır. MEYVE SUYU ÜRETİMİNDE KULLANILAN ENZİMLER • En önemli enzim pektinazlardır. • Bu işlem yardımcıları genellikle A.niger veya Penicillium türleri ile gerçekleştirilen katı-substrat fermantasyonları ile elde edilmektedir. • Meyve suyu üretiminde bu pektinin bir kısmı presleme esnasında suya geçmektedir. • Bu da meyve suyu viskozitesinin artmasına sebep olur. • Dolayısıyla optimum meyve suyu verimine ulaşılmasında ve meyve suyunun berraklaştırılmasında ve filtrasyonunda bir takım zorluklar açığa çıkar. • Presleme öncesinde meyve pulpuna pektinaz preparatları ilave edilerek bu sorunların üstesinden gelinebilir. • Ticari ‘pektinaz’ tek bir enzim değil, karmaşık bir enzim karışımıdır ve aynı çeşitlilikle karşısına gelen farklı pektin moleküllerindeki çeşitli kimyasal bağları kırabilme yeteneğine sahiptir. • Şarap yapımında, ticari enzimler meyve suyunun ekstraksiyonunun yanı sıra birden fazla amaca yönelik olarak kullanılabilirler. • Kırmızı şaraplarda, örneğin bir fungus olan Trichoderma reesei’den elde edilen ticari selülazlar, presleme esnasında ortama ilave edilerek üzüm kabuklarından renk maddelerinden geçişi teşvik edilebilmektedir. TEKSTİL İMALATINDA KULLANILAN ENZİMLER • Enzimler kumaşın ve kıyafetlerin terbiye(kullanımına hazır hale getirilmesi) özellikle de haşıl giderme, biyoparlatma ve kot yıkama gibi işlemlerde giderek artan oranlarda kullanılmaktadır. • Haşılın bileşiminde nişasta, nişasta türevleri, bitkisel zamklar ve karboksi metil- ve karboksimetil-selüloz gibi suda çözünebilir selüloz türevleri bulunabilir. • Selülazlar daha pürüzsüz ve parlak görünüme sahip kumaşların üretilmesi amacıyla pamuk ve diğer selüloz liflere uygulanan biyo-parlatma işlemlerinde de kullanılmaktadır. • Kot kumaşından hazırlanan giysilerin satış öncesinde eskitilmiş görünümüne kavuşturulmasına taş yıkama denir. • Şimdilerde aşınmayı artırmak ve indigo boyasının gevşemesine yardımcı olmak için selülazlar kullanılmaktadır. • Bu ‘biyo-taş yıkama‘ işlemi giysilere daha az zarar vermekte makinalardaki aşınmayı azaltmakta ve daha az ponza tozu üretmektedir. DERİ İMALATINDA KULLANILAN ENZİMLER • Günümüzde postların ve derilerin işlenmesinde proteazlar ve lipazlar yaygın şekilde kullanılmaktadır. • Daha önceleri kullanılan ağır kimyasallara göre bu enzimlerin kullanımı çok daha rahat ve güvenlidir. • Deri işlemede birinci önemli işlem ıslatmadır. • Bu işlem, derinin ve postların kan, et, yağ ve dışkı gibi artıklardan arındırılmasının yanı sıra bunların su emmesini sağlar. • Proteazlar kullanıldığında lifleri birleştiren ve suyu nüfuz olmasına mani olan fibriller-arası proteinlerin çözünmesi sağlanarak derinin su emme kapasitesi arttırılmaktadır. KAĞIT HAMURUNUN İŞLENMESİNDE KULLANILAN ENZİMLER • Kağıt imalatı önemli bir dünya endüstrisidir. Geri dönüşüm, hem ağaçları ve çevreyi korur, hem sıvı atıkları azaltır hem de çöp depolama yüklerini hafifletir. • Geleneksel olarak, kağıt hamuru işlenirken fazlaca kimyasal kullanılır ve kağıt imalatında enzim-temelli teknolojilerin sağladığı büyük avantajlar vardır. • Bunlar da sıvı atık ve çevresel kirlenme sorunlarını meydana getirir. • Mikrobiyal enzimlerin kağıt hamuru ve kağıt işlemedeki amaçları: • 1) Hamur sindiriminin arttırılması • 2)Kağıt oluşumu esnasında uzaklaştırılacak suyun süzülme hızının iyileştirilmesi, • 3)Lif esnekliğinin arttırılması • 4)Ksilanın uzaklaştırılması • 5)Reçinelerin uzaklaştırılması • 6)Ağartmanın daha iyi yapılması, • 7) Bulaşanların uzaklaştırılması • 8)Kimyasal hamurda veya otsu liflerde fibrilleşmeyi sağlamak veya fibriller arası bağları arttırmak. • Bu işlemlerde kullanılan mikrobiyal enzimler arasında çok sayıda selülaz, hemiselülaz, pektinaz ve lipaz vardır. • Ancak bunlar henüz bütün mekanik ve kimyasal işlemlerin yerini alamamaktadır. Organik Sentezlerde Kullanılan Enzimler • Kimyasal, gıda ve eczacılık endüstrilerine yönelik yüksek değerli organik bileşiklerin sentezlenmesi amacıyla kullanılan mikrobiyal enzimler için hızla gelişmekte olan bir pazar vardır. • Artan oranda ilgi gören diğer bir alan da kiral bileşiklerin sentezidir. Kiral bileşikler enantiyomerler olarak adlandırılan iki farklı formda bulunur ki bunlar birbirinin ayna görüntüsüne sahip, üst üste çakıştırılamayan, dolayısıyla bakışımsız (simetrik olmayan) bileşiklerdir. • Enantiyomerler fiziksel ve kimyasal olarak hemen her yönden birbiriyle özdeştir. • Ancak, enantiyomerlerden birinin çözeltisi polarize olmuş ışığın düzlemini saat yönünde (+) çevirirken, diğer enantiyomerin çözeltisi aynı açıyla ama saatin ters yönünde (-) çevirir. Bu olay optik aktivite olarak isimlendirilir ve enantiyomerlere ise zaman zaman optik izomer de denir. • Kirallik, biyolojide yaşamsal önem taşır zira çoğu doğal organik bileşik kiraldir. • Aminoasitlerde olduğu gibi, genellikle çoğu biyolojik molekül için enantiyomerlerinden sadece biri enzim substratı, ilaç, besin vb. olarak biyolojik etkiye sahiptir. • Enantiyomerlerden ikincisi faydasız olabileceği gibi sağlığa zararlı nitelikte de olabilir. • Karşıt kirallikte olan özdeş moleküllerin bu şekilde, farklı etki gösteriyor olmasının sebebi, proteinlerin, bilhassa enzimlerin ve nükleik asitlerin kendilerinin kiral oluşudur. Dolayısıyla belirli kiral özellikteki bir protein ile etkileşime girecek herhangi bir besinin veya ilacın da uygun kiral özelliği taşıması şarttır. • Böyle bileşiklerin endüstriyel sentezinde sadece istenilen enantiyomerin, çoğunlukla da %99’un üzerinde bir saflıkla üretildiğini garanti eden kontroller bulunmalıdır. AMİNO ASİTLER Bazı amino asitler, aşırı üretim yapan suşlar kullanılarak direkt olarak fermantasyon prosesleri aracılığıyla veya mikrobiyal biotransformasyon yoluyla ticari boyutlarda üretilmektedir. Bu amino asitler çoğunlukla gıda , hayvan yemi katkısı ve tatlandırıcı olarak kullanılırlar. Bununla birlikte, birçok amino asit de ilaç, kozmetik ve kimya endüstrisinde polimer üretimi için kullanılmaktadır. L -Glutamik Asit Amino asit üretim proseslerinin içerisinde, miktar bakımından muhtemelen en önemlisi L-glutamik asittir. Bu amino asidin başlıca kullanım alanı lezzet artırıcı olan monosodyum L-glutamat (MSG) üretimidir. Bu bileşik kendi lezzetini katmadan gıdaların lezzetini çoğaltarak yoğunlaştırmaktır. MSG doğal olarak bazı gıdalarda bulunur ve Uzak Doğu yemeklerinde geleneksel lezzet artırıcı olarak kullanılan deniz yosunu stoklarının etken bileşeni olduğu keşfedilmiştir. Bu bileşik ilk olarak, 1908 yılında, Laminaria japonica isimli deniz yosunundan izole edilmiştir. Bulunuşunun hemen ardından Japonya’da soya proteininden ve buğday glüteninden ticari üretimi başlamıştır. • 1960’ların başından itibaren, bitkisel kaynaklar kullanılarak yapılan klasik üretim yöntemlerinin yerini, yılda 400 000 tondan fazla üretim yapabilen fermantasyon prosesleri almıştır. MSG’nin doğu yemeklerinde çok fazla kullanılmasının dışında, değişik gıda ürünlerine, özellikle çorbalara, et suyuna, soslara ve atıştırmalık gıdalara eklenmektedir. • Glutamik asit üreten mikroorganizmalar, Arthrobacter, Brevibacterium, Corynebacterium, Microbacterium ve Micrococcus cinslerine yakın türleri içerir. Bunlar, gram-pozitif, biotin gerektiren, hareketsiz ve yoğun olarak glutamat dehidrogenaz aktivitesi olan bakterilerdir. Amino asitlerin yüksek miktarda üretimini sağlamak için stratejiler; 1- Anabolik enzimlerin aktivitesini artırmak 2- Geri besleme kontrol mekanizmalarını gidermek için regülasyonun manipülasyonu 3- İstenmeyen yan ürün üretim metabolik yollarını engelleme 4- Hedeflenen ürünün degredasyonuna sebep olan metabolik yolları engelleme. L-GLUTAMİK ASİDİN ENDÜSTRİYEL ÜRETİMİ • Fermentasyon ortamı genellikle magnezyum, manganez, fosfat, potasyum ve az seviyede biotin sağlayan inorganik tuzları içermektedir. Corynebacteria grubu, besinleri konusunda seçicidirler ve diğer vitaminlere, amino asitlere, pürin ve pirimidinlere de ihtiyaçları olabilmektedir. Tercih edilen karbon kaynakları, glukoz ve sakkaroz gibi karbonhidratlardır. L-Glutamat üretiminin inhibisyonunu önlemek için, azot kaynakları ortama yavaşça verilir. Ortam pH’sı alkali ilavesi ile 7-8 aralığında tutulur.L-glutamik asit birikimi, fermentasyonun yarısı tamamlanana kadar belirgin hale gelmemektedir. Ürünün geri kazanımı, hücrelerin ortamdan ayrıştırılmasını içerir. Sonrasında, hidroklorik asit kullanılarak izoelektrik nokta olan 3.2 ye kadar ortamın pH’sı azaltılarak, L-glutamik asit kristalize edilir. Bundan sonra, L-glutamik kristalleri filtre edilir ve yıkanır. Kristal haldeki Lglutamik asite sodyum hidroksit solüsyonu eklenir ve ardından yeniden kristalleşmesi sağlanarak MSG elde edilir. L-LİSİN L-lisin insanlar ve diğer memeliler tarafından sentezlenememektedir. Bu esansiyel amino asidin , besinler yoluyla alınması gerekmektedir. Ancak birçok hububat ve sebze lisin yönünden nispeten zayıftır. Bu sebeple, söz konusu kaynaklardan üretilen gıda ürünleri ve hayvan yemleri genellikle bu amino asitle takviye edilmektedir. Günümüzde, bu koşulları yerine getirebilmek için dünyada yıllık L-lisin üretiminin 380 000 tondan fazla olması gerekmektedir. Bu lisin miktarının 90 000 tondan fazlası, şu anda direkt mikrobiyal fermentasyon yoluyla ve biyotransformasyon metotlarıyla üretilmektedir. Geri kalan kısmın üretimi ise kimyasal sentez ile gerçekleştirilmektedir. Fakat, bu yolun en önemli dezavantajı D ve L izomerlerinin karışım halinde üretilmesidir ama insan vücudu sadece L-lisini kullanabilmektedir. L-Lisinin Endüstriyel Üretimi Yabanıl tip C. glutamicum’daki, L-lisin üretiminin metabolik yolun ilk önemli adımı, aspartatın aspartil fosfata dönüşmesidir. Bu basamak aspartokinaz tarafından katalize edilir ve bu kollara ayrılmış yol, iki son ürünün(lisin ve treonin)geri beslemeli inhibisyonu ile denetlenir. Homoserin dehidrogenaz aktivitesi de treonin tarafından geri beslemeli inhibasyona maruz kalır ve metionin tarafından baskılanır. Buna rağmen, lisin birikimi dihidropikolinat sentezini inhibe etmez ve bu metabolik yolun dallanma noktasını takip eden ilk enzimler için alışılmadık bir olaydır. Çoğu ticari L-Lisin üretimi havalandırmalı karıştırmalı tank reaktörlerde kesikli proseslerle gerçekleştirilir. Şeker kamışı melası tercih edilmesine rağmen, genellikle soya fasülyesi hidrolizatı ile takviyelenmiş diğer karbonhidratlar, asetik asit veya etanol de karbon kaynağı olarak kullanılabilmektedir. AMİNO ASİTLERİN ÜRETİMİ İÇİN ALTERNATİF BİYODÖNÜŞÜM METODLARI • L-Amino asit üretimi, aynı zaman da, rasemik öncülerin enansiyoseçici hidrolizi ile gerçekleştirilebilir. Örneğin, L-glutamik asit, kimyasal olarak sentezlenmiş D-L hidantoin 5-propiyonik asitten elde edilebilir. Bu prosesde gerekli hidantoizanı %90’lık verimle üretilen Bacillus brevis kullanılır. • L-lisin, siklohekzandan kimyasal olarak üretilmiş ucuz bir başlangıç materyali olan D-L-a- aminokaprolaktam reaksiyon kabına, Cryptococcus laurentii mayası ve Achromobacter obae bakterisi ile birlikte konsantrasyonu 100 g/L olacak şeklinde eklenir. Bu işlem substratın tam olarak L-lisine dönüşmesiyle sonuçlanır. Kimyasal madde nedir ? • Birbirleri ile veya diğer maddelerle temas ettiklerinde; ısı, ışık, ses,basınç etkilerinin bir veya birkaçını oluşturarak kimyasal reaksiyona giren maddelerdir. Kimyasal Madde Özellikleri 1) Normal görünüş ve kokusu 2) Buhar basıncı 3) Buhar yoğunluğu 4) Suda çözünürlüğü 5) Erime noktası 6)Özgül ağırlığı 7) Hacme göre uçucu yüzdesi 8) Buharlaşma oranı 9) Kaynama noktası 10) Patlama noktaları Önümüzdeki 50-100 yıl içerisinde bazı fosil yakıt kaynaklarının,özellikle petrolün tükenmesi muhtemeldir.Dolayısıyla alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesine acil bir ihtiyaç vardır.Çoğu enerji ihtiyacı jeotermal,nükleer,güneş,su ve rüzgar kaynaklarından sağlanacaktır.Ancak,biyolojik yakıt üretiminin,özellikle hem sıvı hem de gaz yakıtlarının üretimini sağlayabilmesinden dolayı,giderek daha önemli hale gelmesi beklenmektedir.En önemlisi,bu yakıtlar,öncelikle ekili enerji bitkileri,doğal bitki örtüsü gibi bitki biyokütlesi ve tarımsal,evsel ve endüstriyel atıklar gibi yenilenebilir kaynaklar kullanılarak üretilmektedir.Şu anda bu kaynaklardan elde edilen 2 ana mikrobiyal yakıt ürünü metan ve etanoldür,ancak bunlar üretilebilecek tek yakıt değildir.Hidrojen,propan,metanol ve bütanol, üretilebilecek diğer sıvı ve gaz yakıtları arasındadır.Ayrıca elektrik de mikrobiyolojik sistemler tarafından üretilebilir. ALKANLAR Metan hem günlük hem de endüstriyel yakıt olarak kullanılmaktadır.Söz konusu ürün şu anda daha çok doğal gazdan,petrolden ve kömürün gazlaştırılmasından elde edilmektedir.Bu nedenle,fermantasyon yoluyla metan üretimi sadece sınırlı küçük ölçekli yerel durumlarda çekici olmaktadır.Ancak, 21. Yüzyılın ilerleyen yıllarında yenilenemeyen kaynaklardan üretim gittikçe azalmaya başladığında,fermantasyon yoluyla üretim giderek daha önemli hale gelebilir. ALKAN ÜRETİMİ Organik materyallerden metan üretimi 3 spesifik aşamadan oluşur.İlk olarak,bir grup mikroorganizma,yağlar,proteinler ve polisakkaritleri içeren organik polimerleri çözülebilen monomerlerine hidrolize ederler.Sonrasında bu bileşikler,anerobik asedojenik organizmlar tarafından organik asitlere metabolize edilirler.Son aşamada,organik asitler alkanlara ve karbondioksite çevrilirler.Metanojenik bakteriler asetattan ana ürün olan metanı üretirler.Ancak,metan,propiyonat ve bütirattan elde edilen etan ve propan gibi uzun zincirli alkanlardan daha düşük enerji verimine sahiptir.Normal olarak,bu iki organik asit sadece çok küçük miktarlarda asidojenesis sırasında üretilirler,fakat üretilen miktarları belirli koşullara bağlıdır.Bu sebeple,daha çekici yakıtlar olan etan ve propanı gelecekte daha büyük bir oranda üretebilmek için bu tür fermantasyonların manipüle edilme potansiyeli bulunmaktadır. BÜTANOL Birinci Dünya Savaşı sonrasında, bütanol başlıca ilgi odağı ürün oldu.Bütanol,vernik,suni ipek,plastikleştirici,kaplama,deterjan,fren sıvısı ve sentetik kauçuk imalatı için bütadiyen üretiminde hammadde olarak yaygın bir şekilde kullanılmıştır.Ayrıca bütanol,yağları,mumları,reçineleri,gomalak ve verniği çözmekte ve bunun yanında gıda endüstrisinde değerli bir ekstrakte edici ve çözgen olarak kullanılmıştır.1945 ‘lerde fermantasyon yoluyla üretilen bütanol yılda 20 000 tondan fazla iken,1940’ların sonlarına doğru bu tür üretim batı dünyasında azalmaya başlamıştır.Bunun sebebi olarak fermentasyon hammaddelerinin (melas,şeker kamışı vb.)teminindeki değişimler ve kimyasal sentez yoluyla üretim için gerekli olan petrokimyasal hammaddelerin ucuz olarak temininin artması gösterilebilir. Bütanol günümüzde ağırlık olarak petrol bazlı hammaddelerden üretilmektedir BÜTANOL ÜRETİMİ Aseton,bütanol,bütirik asit ve izopropanol,diğer organik asit ve alkoller ile birlikte,nişasta,melas ve hidrolize edilmiş selülozik materyaller gibi değişik hammaddelerin klostridial fermantasyonu ile elde edilebilir.Her bir fermantasyon ürününü nispi miktarı,kullanılan bakterinin türüne,suşuna be fermantasyon ortam koşullarına bağlıdır Üç ana fermantasyon türü vardır; • 1- Aseton-bütanol (Clostridium acetobutylicum),ek üretilen ürünler:bütirik asit,asetik asit,asetoin,etanol,CO2 veH2; • 2- Bütanol-izopropanol (Clostridium butylicum),ek üretilen ürünler:bütirik asit,asetik asit,CO2 ve H2; • 3- Bütirik asit-asetik asit (Clostridium butyricum),ek üretilen ürünler:CO2 ve H2. Endüstriyel Etanol Etanol,tek başına veya ‘gasahol’(benzin ile etanolün hacimce %10-22 arası karıştırılmış hali) gibi diğer yakıtlarla karışım halinde kullanılabiliyor olmasından dolayı,dikkat çekici bir yakıttır.1970’li yıllarda Brezilya ve diğer birkaç ülke petrol ithalatının artan maliyetini dengelemek için yerli yenilenebilir biyokütle kaynaklarından tam ölçekli etanol üretimine başlamıştır.Etanol, Saccharomyces cerevisiae kullanılarak şeker kamışından elde edilen sakarozun fermentasyonu ile üretilmiştir.Brezilya günümüzde 14.5 milyar litre etanol ile yıllık dünya üretiminin %46’dan fazlasını sağlamaktadır.Ancak,bu yakıt için artan talebi karşılamakta yeterli değildir. Etanol üretim politikası ; Dünyanın pek çok bölgesinde lokal olarak mevcut olan substratlardan geleneksel olarak alkollü içecek üretimi bulunmaktadır.Benzer alkol fermentasyonları günümüzde bazı ülkelerde yakıt ve kimyasal hammadde için etanol üretiminde kullanılmaktadır.Dünyada yıllık etanol üretimi 30 milyar litrenin üzerindedir.Bunun yaklaşık %70’i fermentasyon yoluyla,geri kalanı ise çoğunlukla etilenin katelitik hidrasyonu ile üretilmektedir.Fermentasyon ile üretilen etanolün yaklaşık %12’si içeceklerde,%20’si çeşitli endüstriyel amaçlı kullanımlarda ve geri kalan %68 ise yakıt olarak kullanılmaktadır. Lignoselülozik Materyallerin Biyodönüşümü Enerji bitkilerinden farklı olarak (hububat,şeker kamışı ve pancarı vb.),lignoselülozik bitki atıkları (talaş,ağaç parçaları,saman,küspe,atık kağıt vb.) doğrudan gıda olarak kullanılmamaktadır.Bunlar henüz tamamen faydalanılmayan yenilenebilir kaynaklardır.Kimyasal enerjiye veya kullanışlı fermentasyon ürünlerine dönüştürülebilecek olan bu milyarlarca ton selülozik materyal günümüzde her yıl atık olarak açığa çıkmaktadır. Lignoselüloz Polimerleri • 1 Lignin (%10-35,ağırlıkça) selülozun üzerini kaplayan ve üç fenolik alkolden (pkumaril,sinapil ve koniferil alkoller) oluşan bir polimerdir.Bu materyal anaerobik koşullarda mikroorganizmlar tarafından degrade edilemez,ancak kimyasal işlemlerde vanilin,kateşol,dimetilsulfit (DMS) ve dimetil sülfoksit (DMSO) kaynağı olarak kullanılabilir. • 2 Selüloz (%15-55,ağırlıkça),B-1,4 bağlı glukoz birimlerinden oluşan doğrusal bir homopolimerdir.Hidrolize olduğundan elde edilen glukoz direkt olarak bir çok mikroorganizma tarafından fermente edilebilir,ancak sadece birkaç mikroorganizma direkt olarak bu dpğal polimeri (selüloz) substrat olarak kullanabilir. • 3 Hemiselüloz (%25-85,ağırlıkça), çeşitli heksoz (D-glukoz,D-galaktoz,ve D-mannoz) ve pentozu (L-arabinoz ve D-ksiloz) içeren bir hetero-polimer sınıfıdır.Ksiloz,doğada Dglukozdan sonra en çok bulunan ikinci şekerdir ve bazı odunsu ağaçların %25’ini oluşturur.Fakat sadece birkaç mikroorganizma pentozu etanole fermente edebilmektedir.En önemlisi,lignoselülozdan etanol üretiminin ekonomik olarak yapılabilmesi için hem pentoz hem de heksozların fermente edilmesi gerekir. KAYNAKÇA • Endüstriyel Mikrobiyolojiye Giriş, MICHAEL J. WAITES, NEIL L. MORGAN,JOHN S. ROCKEY and GARY HİGTON MAKALE KAYNAKÇA; • https://earsiv.anadolu.edu.tr/xmlui/bitstream/handle/11421/1518/0 3.pdf?sequence=1&isAllowed=y
