Mikrobiyal büYÜme kinetiĞİ Mİkroorganizmalarin geliŞme şartlari



Yüklə 101,21 Kb.
tarix17.01.2018
ölçüsü101,21 Kb.

MİKROBİYAL BÜYÜME KİNETİĞİ
1.MİKROORGANİZMALARIN GELİŞME ŞARTLARI

 

Mikroorganizmaların Besin İhtiyaçları



Organizmaların enerji sağlayabilmesi, hücre bileşenlerini yapabilmesi, gelişmesi, çoğalması ve yaşayabilmesi için beslenmesi ve bu nedenle de çeşitli gıda maddelerini alması gereklidir. Bu maddelerin bir bölümü doğrudan ortamlardan sağlanmasına karşın bir kısmı da hücre içinde sentezlenir. Böylece yaşam için gerekli olan mikro ve makro moleküller hazırlanır ve gerekli yerlerde kullanılır.

Mikroorganizmaların yapıları incelendiğinde, kuru ağırlıklarının %95'inden fazla bir kısmını bazı temel elementlerin (karbon, oksijen, hidrojen, azot, sülfür, fosfor; potasyum, kalsiyum, magnezyum ve demir) oluşturduğu görülür. Bunlara, aynı zamanda, fazla ihtiyaç duyulur ve bulundukları ortamdan fazla miktarlarda alınırlar. Bu maddelere, makro element (makro nütrient) adı da verilmektedir. Bunlardan ilk 6 tanesi (major elementler), protein, karbonhidrat, lipid, nükleik asit, vs. yapısında da yer almaktadırlar. Geri kalan 4 tanesi de (mikro elementler), hücre içinde katyon olarak kalırlar ve çeşitli biyokimyasal işlemlerde görev alırlar.

Tabiatta, çok çeşitli beslenme özelliği olan mikroorganizmalar bulunmaktadır. Bazıları, içinde çok az miktarlarda besin maddeleri bulunan minimal ortamlarda gelişebilmekte ve yaşayabilmektedir (prototrof). Buna karşın bir kısmı da özellikle, mutant suşlar, daha komplike ve zenginleştirilmiş besi yerlerinde yaşayabilmektedirler (oksotrof).

Mikroorganizmaların ihtiyaç duyduğu gıda maddelerini incelemede bir kolaylık olması bakımından iki gruba ayırmada yarar bulunmaktadır. Bunlar da:

A- İnorganik maddeler    B- Organik maddeler

A. İnorganik Maddeler

Oksijen (O2)

Mikroorganizmalar oksijene olan ihtiyaç durumlarına göre; Aerobik, fakültatif, mikroaerofilik ve anaerobik olmak üzere 4 bölüme ayrılırlar.  Aerobiklerin, üremeleri için havada bulunan oksijene (moleküler O2) gerek vardır. (B. anthracis, B. subtilis, P. multocidae, M. tuberculosis, vs.). Bunlar oksijensiz ortamlarda gelişmezler veya üremeleri çok zayıf olur. Fakültatif mikroorganizmalar, kendilerinde bulunan özel enzimatik yapı nedeniyle, hem aerobik ve hem de anaerobik koşullarda gelişebilir ve üreyebilirler (enterobakteriler gibi).

Mikroaerofiliklerin üremesi için ortamdaki oksijenin azaltılması gereklidir. Laboratuvarlarda bu amaç için %5-10 CO2 kullanılır. Brucella abortus ve Campylobacter fetus 'un ilk izolasyonları için ekilmiş besi yerlerinin konulduğu etüv veya kavanozun havasına %10 CO2 ilave edilir. Anaerobik mikroorganizmalar, oksijenin toksit etkisi nedeniyle oksijeni çıkarılmış besi yerlerinde veya oksijen bulunmayan yerlerde gelişebilirler (klostridiumlar, S. necrophorus, vs.).  Besiyerinin yüzeyi hava ile temas ettiği için, oksijen buradan içeri diffusyonla girerek erir ve üst kısımları, dip kısımlara oranla oksijenden zengin hale gelir. Bu nedenle de, sıvı besi yerlerinin yüzeyi, diplerinden, daha fazla oksijene sahiptir. Aerobik mikroorganizmaların sıvı kültürün her tarafında aynı tarzda ve iyi üremesi için, besi yerinin belli aralıklarla hafifçe çalkalanması (aerasyon) gereklidir. Bu işlem, ya elle veya otomatik aletler yardımı ile sağlanır. Katı ortamlarda üreyen mikroorganizmalar, havadaki, oksijenden yararlanırlar.

Karbondioksit (CO2):

Mikroorganizmaların çoğu, havada bulunan kadar (%16; %0.4), karbondioksite gereksinme duyarlar ve fazlası genellikle gelişme ve üreme üzerine olumsuz etkide bulunur. Ancak, bazı mikroorganizmalar, oksijenin az, buna karşılık karbondioksitin, normal havadakinden fazla olması durumlarında izole edilebilmektedirler (PPLO, brusella, vibriola vs.) Bunlar, ilk ayrılmalarından sonra, normal laboratuar koşullarında (aerobik) üreyebilmektedirler.

Karbon (C):

Karbon, bakterilerde bulunan mikro-ve makro-moleküllerin yapısına girdiğinden ihtiyaç duyulan önemli bir maddedir. Ototrof mikroorganizmalar karbon kaynağı için, inorganik bileşiklerden ve heterotroflar da organik bileşiklerden yararlanırlar. Gerek inorganik ve gerekse organik karbonlu bileşiklerin ayrışmasından kendilerine lüzumlu olan enerjiyi de sağlarlar. Bazı mikroorganizmalar da, enzim yetersizliği veya kendilerindeki mutasyonlar sonu, ortamdaki karbonlu bileşiklerden yararlanamazlar ve bunu ancak özel kaynaklardan sağlarlar (paratroflar).

Azot (N):

Azot, bakterilerdeki çeşitli moleküllerin yapısına girmesi yanı sıra, aynı zamanda enzimler, üretme faktörleri, nükleik asitlerdeki pürin ve pirimidin bazlarında da bulunurlar. Bu nedenle çok önemli bir elementtir ve bakteriler bunu çeşitli kaynaklardan temin ederler (amonyum tuzları, organik asitler, amino asitler, vs.).  Bakterilerin azota olan ihtiyaçları genellikle değişiklik gösterir. Bazı mikroorganizmalar, havadaki gaz halinde bulunan azotu fikse ederek bundan organik moleküller yapabilmektedirler. (Azotobakterler, Rhizobium türleri, vs.). Nitrat ve nitritler de azot kaynağı olarak kullanılan maddeler arasındadır. Besi yerlerinde inorganik azotun kullanılması pH üzerine etkili olabilir. Nitratlar ayrışınca pH, genellikle yükselir.

Su (H2O):

Bakteri metabolizması ve hücrelerin gelişmesi su ile çok yakından ilişkilidir. Su olmayan veya yeterince bulunmayan ortamlarda, gıda alışverişi, bakteri içinde sentezlenen enzimlerin ve oluşan metabolitlerin dışarı çıkması güçleşir ve hatta durabilir. Bu durum da bakterinin ölümüne neden teşkil edebilir. Katı ortamlarda bulunan gıdanın koloni içinde bulunan mikroorganizmalara ulaşması difuzyonla olur. Bu gıda girişi de su ile mümkün olduğundan, suyun beslenmedeki önemi belirgin olarak ortaya çıkar. Bu nedenle, suyu fazla ve yarı katı olan ortamlar, suyu az olanlardan daha çok geliştirme özelliğine sahiptirler. Sıvı besi yerleri de bu bakımdan katı besi yerlerinden daha iyidir.

Bakterilerin kurumaları sonu, içlerindeki suyun azalması da aynı şekilde beslenme üzerine etkilidir. Bakteri hücresi içindeki suyun düzeyi dış ortamla yakından ilişkilidir. Bakteri yapısında %70-90 kadar su bulunur ve bu miktarın sabit tutulması ve devam ettirilmesi gereklidir. Bakteri içinden fazla suyun çıkması bazı hallerde ölmelerine sebep olur. Bakterilerin kuruluğa dayanıklılığı türler arasında değişiklikler gösterir. Bazıları çok kısa zamanda ölebilir (spiroketler, streptokoklar, meningokoklar, vs.). Bazıları daha dayanıklıdır (E. coli, P. vulgaris, B. anthracis, vs.).

 B. Organik Maddeler

Vitaminler:

Vitaminler, koenzimlerin yapısına giren ve bunların öncülü olan maddelerdir. Bakteriler genellikle vitaminleri sentez edemezler ve bunları ihtiyaçlarına göre ortamdan alırlar. Ancak, mayaların B-vitaminlerini sentez kabiliyetleri vardır. Bu nedenle mayalar, üremeyi teşvik etmek için, besi yerlerine katılırlar.

Pantotenik asit:

Pantotenik asit, pantotenat olarak koenzim-A'nın bir parçasıdır. Koenzim-A, özellikle, karbonhidrat, amino asit ve lipid metabolizması ile yakından ilişkilidir. Bazı bakteriler, pantotenik asite, bir kısmı da pantoik asit ve beta-alanin'e ihtiyaç gösterirler.

Nikotin amid:

Pirimidin nukleotidlerin (DNA, NADP) bir parçası olan nikotin amid, oksidasyon ve redüksiyon olaylarında görev yapar. Folik asit'in bir parçası olan paraaminobenzoik asit (PABA), tertrahidrofolik asitin (koenzim) bir öncülüdür.

Üreme faktörleri: İnositol, mantar, maya ve actinomyces'ler; kolin, pnömokok ve mikoplasmalar; sterol, glutamin, asparagin, spermidin, putresin ve permin bazı bakteriler tarafından ihtiyaç duyulur..

MİKROBİYAL GELİŞME ÜZERİNE ÇEVRENİN ETKİSİ:

Mikroorganizmalar çevredeki kimyasal ve fiziksel durumlardan etkilenirler. Çevre şartları mikroorganizmaların metabolik reaksiyonlarını ve büyümelerini etkiler. Sıcaklık, pH, su mevcudiyeti ve oksijen mikroorganizmaların gelişmesini etkileyen çevre faktörüdür.

 

Sıcaklık:



Her organizmanın gelişebildiği minimum sıcaklık (gelişebildiği en düşük sıcaklık), optimum sıcaklık (en hızlı gelişebildiği sıcaklık), maksimum sıcaklık ( gelişebildiği en yüksek sıcaklık) vardır. Optimum sıcaklık her zaman maksimuma daha yakındır. Bu üç sıcaklığa ana (cardinal) sıcaklıklar denir. Bu sıcaklıklar mikroorganizmanın çeşidine göre değişir. Maksimum sıcaklığın üzerinde mikroorganizmanın içindeki proteinler denatüre olur. Minimum sıcaklığın altında mikroorganizmaların neden yaşayamadığı kesin olarak belli değildir. Belki de sitoplazmik membran donar ve besin taşıma ve proton yükü (gradienti) oluşturamaz.

 

Sıcaklığa Göre Mikroorganizma Sınıfları:



 

l. Psikrofilik mikroorganizmalar.

Optimal sıcaklık 15 °C veya altı; maksimum 20 °C ve minimum 0 °C veya altındadır. Clamydomonas nivalis, psikırofiliklere örnek olarak verilebilir. Bu bir algdir ve parlak kırmızı renkli sporlar oluşturur. Kar üzerinde kırmızı renkli bölgelerde bu alg bulunur. Bu alg genel olarak yazın başında veya ortasında erimeye başlayan karlı bölgelerde görülür. Güneşli, kuru  alanlarda da oldukça  yaygındır.   Soğuğa karşı  toleranslı   mikroorganizmalar  0  °C gelişebilir fakat optimum sıcaklıkları 20-40 °C dir. Topraktan, sudan ve buzdolabında saklanan süt ürünlerinden sirkeden, sebzelerden ve meyvelerden izole edilebilir.

 

Psikrofillerin Molekül Adaptasyonu:



Enzimleri soğukta aktiftir. Soğukta aktif olan enzimler fazlaca alfa-helix yapısı ve az miktarda da beta-sheet (tabakalı) sekonder yapı vardır. Beta (Sheet) sekonder yapı daha sert bir yapı oluşturur alfa-heliks yapısı ise soğukta bu enzimlere daha esnek yapı özelliği verir. Soğukta aktif olan enzimler daha fazla polar ve daha az hidrofobik aminoasit içerirler. Bu da proteini esnek yapar ve böylece daha kolay bükülebilir şekle girebilir.

 

Aktif taşıma bunlarda düşük ısılarda olur. Sitoplazmik membranlarda doymamış yağ asitleri miktarı daha fazladır. Bu yapı sayesinde membran düşük ısılarda bile sıvıdır. Doymuş yağ asitleri olsa idi membran soğukta yapışkan yapıda olacak ve fonksiyon görmeyecekti. Bazı psikrofiliklerde doymamış yağ asitleri ve katmerli çift bağlardan oluşan uzun zincirli hidrokarbonları vardır. Antartik bakterilerden dokuz çift bağlı hidrokarbon yapısı sitoplazmik membranda görülmüştür.



 

Donma:


Donma mikroorganizmaların gelişmesini önlemesine rağmen mikroorganizmaların ölümüne her zaman sebep olmaz. Suyla karıştırılabilen sıvılar ( gliserol ve dimethylsulfoxde; DMSO) %10 oranında mikroorganizma bulunan ortama konduğunda bunlar bakteri içine geçer ve dehidrasyonun şiddetini azaltarak onları korur. Bu maddeler koruyucu (cryoptotectants) olarak adlandırılır. Bu yöntemle mikroorganizmalar. -70 °C ile -190 °C de uzun yıllar korunur.

 

Yüksek sıcaklıklarda mikroorganizmaların gelişimi:


Optimal ısıları 45 °C üstünde olan organizmalara termofılik mikroorganizmalar denir. 80 °C olanlara ise hipertermofiller denir. Kaplıcalarda suların ısısı 100 °C ye yakındır. Volkanik duman püskürten küçük deliklerde bu ısı 150 °C - 500 °C dedir. Okyanusun derinliklerindeki hidrotermal deliklerde ısı 350 °C den daha fazladır. Bu alanlar Amerika, Yeni Zelanda, Japonya, İtalya, Endonezya ve Orta Afrika'da yaygındır. Dünyada en büyük ve yoğun sıcak su kaplıcası Yellowstone National Park Wyoming'de dir (92-93 °C). Buradaki mikroorganizmaların generasyon süresi bir saat gibi kısadır. Yani bunlar hızlıca bölünürler.

 

Termofilinin moleküller adaptasyonu:


Enzimleri ve proteinleri yüksek ısılarda fonksiyoneldir. Bu da amino asit sırasındaki farklılıktan kaynaklanmaktadır. Enzimin bir veya bir kaç bölgesinde kritik amino asitler bulunması ile   farklı bir şekilde katlanma olur ve bu da   ısıya dayanabilme (ısı stabilitesi) özelliği enzime kazandırır. Ayrıca artmış sayıda tuz köprüleri (salt bridges ) çeşitli amino asitlerin pozitif ve negatif yükleri arasındaki iyonik bağlar ve proteinlerin hidrofobik iç kısımları yoğun olarak paketlenir. Bunlarda sulu ortamlarda genelde katlanmış olan yapının açılmasına direnir. Ayrıca membranda doymuş yağ asitleri yardır. Böylece membran yüksek ısıda stabil ve fonksiyoneldir. Doymuş yağ asitleri daha kuvvetli hidrofobik ortam oluşturur. Hiper termofılik olan Arkeobakterilerde membrandaki lipid de C40 hidrokarbonları vardır ve bunlarda gliserol ile eter bağı yaparlar. Bu membranların yapısı lipit monolayerdir (tek tabakalı lipit). Bu ısıya karşı daha dayanıklıdır.

 

 Özet olarak; 45 °C ile 80 °C de gelişenler termofılik olarak, 80 °C nin üstündekiler hiper termofılik olarak adlandırılır. Bunlar kaynayan sıcak sularda, denizin dibindeki hidrotermal deliklerde yaşarlar. Bunlar da ısıya dayanıklı makromoleküller vardır. Mezofıller optimum üreme sıcaklığı 25°C-45°C dir. Doğadaki mikroorganizmaların çoğu mezofiliktir..



Böylece mikroorganizmalar sıcaklığa göre ,


  1. Psikrofilik




  1. Termofılik




  1. Hiper termofılik

4) Mezofılik olmak üzere dört gruba ayrılır.

 
(pH) ETKİSİ:
Düşük pH'da yaşayanlar asidofılikler olarak adlandırılır. Thiobacillus sulfide ve Thermoplazma örnek olarak verilebilir. Thiobacillus ferroxidans ve Sulfolobus sulfide (H2S) mineralini okside ederler ve sülfürik asit üretirler. Asidofiliklerde pH nötüre yaklaşınca sitoplazmik membran çözülür ve hücre erir. En asidofilik prokaryot Picrophilus oshimae dir. 60 °C gelişen termofılik bir bakteridir ve pH 0.7 gelişir.
pH 10-11 arasında gelişenler ise alkalofiliklerdir. Soda, göllerde ve yüksek karbonatlı alanlarda bulunurlar. Çoğu Bacillus türüne aittir. Bazı alkalofılikler hidrolitik enzimler, lipazlar üretirler ve ev deterjanlarında kullanılırlar. Alkalofılik Basilluslarda Na+ yükü (gradienti) taşıma ve hareket için enerji üretir (Aslında bunu proton motif kuvvetle diğer bakterilerde yapar). Fakat bu bakterilerde proton motif güç ATP sentezinin sonunda yapılır. Bu bakterilerde iç pH ise nötraldir. Dış pH asidiktir. Hücre içinde makromoleküller ancak nötral pH'da aktiftir. Asit pH'da yapı bozulur. Nötrofılik organizmalar ise pH 6-8 de yaşarlar.

 

Moleküler Oksijenin Etkisi


Mikroorganizmalar O2 ihtiyaçlarına göre aşağıdaki gibi gruplandırılırlar;

l. Aeroblar: %21 0ksijen'de gelişirler ve çoğu daha fazla O2 ortamlarda ( hyperbarik oksijende) gelişirler. 

2. Mikroaerofilikler:   %17 O2 de  gelişenler. Oksijen miktarı  havadakinden   daha   az Olduğunda gelişirler. Oksijenle yapısı bozulan enzimlere sahiptirler.

3. Fakültatifler: Hem aerobik hem de anaerobik koşullar altında gelişenler.

4. Anaeroblar:  Son elektron alıcı  olarak O2’ yi kullanacak solunum sistemi olmayanlar anaerobik organizmalardır.fakat iki tip anaerobik organizma.vardır.
1)Aerotolerant anaeroblar: O2'nin varlığında gelişebilenler ve O2'ye toleranslı olanlar.

2)Zorunlu anaeroblar: O2 ile öldürülenler.

 

Zorunlu anaeroblar oksijen metabolizmasının bazı ürünlerini detoksifiye edemediklerinden ölürler. Oksijen indirgendiğinde hidrojen peroksit (H2O2), superoksit (O2-) ve hidroksil radikalleri (OH-) oluşturulur. Zorunlu anaeroblarda flavin enzimleri vardır. Bu da O2 ile kendiliğinden reaksiyona girerek bu toksit ürünleri üretir. Aeroblarda bu toksin oksijen ürünlerini ortadan kaldıracak enzim sistemleri vardır.



 

Mikrobiyal kültür ve oksijenin etkisi:

Çoğu aerobların gelişmesi için yoğun havalandırma şarttır. Çünkü oksijen suda çok az çözülür ve organizma tarafından kullanılan oksijen yeniden ortama difüzyonla hızlıca geçemez. Bu sebepten havalandırma şarttır. Anaerobik kültür için ortamdan oksijen çıkartılmalıdır.

 

MİKROBİYAL GELİŞME ÜZERİNE OZMOTİK ETKİLER:


Mikroorganizmaların gelişmesini etkileyen diğer önemli faktör ise su ve su mevcudiyetidir. Su mevcudiyeti çevrede bulunan suyun ve su da çözünmüş olan şeker, tuz gibi erir maddelerin konsantrasyonuna da bağlıdır. Çünkü bu erir maddelerin suya karşı ilgileri fazladır. Su bunlarla birleştiğinden ortamda mikroorganizmanın faydalanacağı su kalmaz.
 

1.Su aktivitesi:

Bir maddedeki suyun nispi mevcudiyetinin ifadesidir. Saf suyun aktivitesi l'dir. Mikroorganizmalar için mevcut olan suyun miktarı ortama şeker ve tuz katıldığında azalır. Yani su aktivitesi gıdanın yüzeyinde mikroorganizmanın kullanabileceği sudur. Bağıl nem ortamın nemidir. 1-100 oranında değişir su aktivitesi ise 0-1 oranında değişir. Su aktivitesi osmo'tik basınçla ters orantılıdır. Eğer ortam yüksek osmotik basınca sahipse ortamın su aktivitesi düşüktür. Mikroorganizmalar düşük su aktiviteli ortamda ancak içlerindeki erir madde konsantrasyonunu arttırarak yani içlerini daha hipertonik yaparak dışarıdan su çekerler. Bu amaçla bakteriler kolin, prolin, glutamik asit ve diğer amino asitleri ya dışarıdan taşır ya da kendisi sentezler. Mantarlar ve algler ise arabitol, gliserol, mannitol gibi poli alkolleri veya sukroz biriktirerek dışarıdan su çekerler. Poli alkoller ve amino asitler hücreye zarar vermezler. Halofilik bakterilerde K+ ve glycine betaine bu rolü görür. Aşırı halofilik bakteride ise ectoine'.dir. Bunlara compatible solute denir(iç yoğunluğu artıran erir madde)

 

2. Osmotik Basıncın Etkisi



Su, su konsantrasyonu çok olan yerden (düşük erir maddeli) daha az konsantrasyonu olan bölgeye gider ( fazla erir madde konsantrasyonlu) bu olaya osmosis denir.

 

Halofiller:



Tuzlu ortamlarda yaşayan bakterilerdir. Tuzsuz ortamlarda gelişemezler. Az derecede halofıllikler (%l-6 NaCl), orta derecede halofılikler (%6-15 NaCl) ve aşın halofılikler( %15-30 NaCl) olmak üzere üç gruba ayrılırlar. Tuza toleranslı olan mikroorganizmalar ise hem tuzlu ortamda hem de tuzsuz ortamda gelişebilen mikroorganizmalardır. Yüksek şeker içeren ortamlarda gelişenler ise “osmofiller” olarak adlandırılır. Kuru ortamlarda gelişenler ise kserofiller dir.

 

MİKROORGANİZMA BÜYÜME KİNETİĞİ


Endüstriyel boyutta bir üretimin planlanması aşamasında üretilecek veya katalizör olarak kullanılacak mikroorganizmanın en uygun tür olduğunun belirlenmesi, mikroorganizmanın fizyolojik özelliklerinin tespiti, ortam faktörlerine bağlı değişimi ve teknolojik açıdan en uygun reaktörün şekillendirilmesi gerekir.
Özellikle saf kültür ve bileşimi iyi bilinen substrat kullanılan bir fermantasyon sisteminde matematiksel modelleme yapmak mümkündür. Halbuki karışık kültür kullanıldığında ve atık su arıtımında olduğu gibi substratın bileşiminin çok karmaşık olması durumlarında pratik tecrübe olayların yorumlanması açısından büyük önem taşır.
Fermantasyon sistemleri kesikli, kesikli beslemeli ve sürekli olmak üzere üç gruba ayrılır.


1.Kesikli Sistemde Mikroorganizma Büyüme Kinetiği
Mikroorganizmaların büyümesi belirli kurallara uyar. Bu nedenle, bazı koşullar altında inkübasyon sonunda beklenen hücre sayısı ve biyokütle miktarı önceden belirlenebilir. Mikroorganizma büyümesi değişik evrelerde gerçekleşmektedir.
A. Hazırlık evresi: Hücre bölünmesinin görülmediği bu evre ilk hücre

bölünmesi gerçekleşinceye kadar devam eder. Aşılanan hücre sayısında hiçbir

değişiklik olmaz. Besi ortamından alınan su ve substratlar RNA, ribozom ve protein

biyosentezinde (özellikle enzim sentezinde) kullanılır. Bu nedenle, hücre çoğalması

olmadığı halde biyokütle artar.
B. Hızlanma evresi: Bu evrede hücre çoğalması başlar ama yavaş yürür,

artış üssel (logaritmik) değildir. DNA miktarı artar, enzim sentezi devam eder ve

hücrelerdeki RNA miktarında önemli artış olur. Bazı bakımlardan benzerlik

gösterdiklerinden çoğu kez A ve B evreleri birlikte değerlendirilir ve lag fazı adını alır.


Lag fazı aşağıdaki durumlarda görülür;

 

l. Eğer kültür durma fazından veya eski kültüründen alınmış ise lag fazı görülür.


2. Hücreler ısı, radyasyon veya toksik kimyasallarla muamele gördükten sonra aynı taze bir

ortama ekilirlerse lag fazı görülür. Çünkü bu hücrelerin kendisini tamir etmesi için zaman

gerekir.
3. Zengin bir besiyerinden alınan mikroorganizma az içerikli bir besiyerine ekilirse lag fazı

görülür.


 

Logaritmik üreme fazından mikroorganizmalar alınıp aynı içerikli taze bir ortama ekilirse lag fazı görülmez.



Şekil 1.Mikroorganizmaların büyüme eğrisi
C. Logaritmik evre: Büyüme hızı pratik olarak sabittir ve maksimuma ulaşmıştır. RNA’ya oranla DNA sentezi daha fazladır. Hücreler diğer evrelere göre daha küçük olup hücrelerin kuru kütlesinin, hücre sayısına oranı diğer evrelerden daha düşüktür. Bu evredeki hücre çoğalması kolayca hesaplanabilir.
D. Yavaslama evresi: Bu evrede hücre çoğalma hızı sürekli azalır. Fakat hücre

sayısı ve biyokütle artısı devem eder


E. Durgunluk evresi: Bu evrede yeni oluşan hücre sayısı ile ölen hücre sayısı

dengelenmistir. Toplam hücre sayısı sabit kalır.


F.Ölüm evresi: Ölen hücrelerin sayısı yeni oluşanlardan daha fazladır. Otoliz

sebebiyle ortamın yoğunluğu ve viskozitesi azalır.


Kemostat:

Hücreler uzun süre sabit çevrede tutulmak istendiğinde devamlı kültür tekniği kullanılır. Burada sabit bir hacimde taze besiyeri ortama sürekli olarak ilave edilir. Yine aynı hacimde besiyeri ortamdan devamlı uzaklaştırılır. Böyle bir sistem dengededir. Bu sistemde hücre sayısı ve besin durumu sabittir. Sistem ise sabit sistem( sfceady system) denir. Devamlı kültür aletine kemostat denir. Bu alet hem kültürün populasyon yoğunluğu hem de kültürdeki büyüme oranını kontrol eder. Dilüsyon oranı, karbon ve azot kaynağı gibi sınırlı besin konsantrasyonu kemostat kontrolünde kullanılır.

 

Bu alette populasyon yoğunluğu reservuarlarda bulunan sınırlı besinin konsantrasyonu ile kontrol edilir. Büyüme oranı ise akış oranı ile kontrol edilir. Bu akış oranı (besiyerine ilave edilen taze besiyeri oranı ) ve besiyerindeki madde miktarı ayarlanabilir. Kemostatdaki hücre yoğunluğu (hücre/ ml) ortamdaki sınırlı besin seviyesi ile kontrol edilir.



 

Spesifik Büyüme Hızı


Hücrelerin spesifik büyüme hızı, büyüme eğrisinin birinci türevinden bulunur. Spesifik büyüme hızı, birim zamanda toplam hücre sayısına kıyasla hücre sayısındaki artıştır.




Şekil 2.Kesikli kültürde hücrelerin çeşitli fazlardaki spesifik büyüme hızları


Sekil 2.’den de görüldüğü gibi hazırlık evresinde üreme hızı sıfır olup başlangıç evresinde sürekli artar ve logaritmik evrede maksimuma ulaşır. Yavaşlama evresinde hızla azalmaya baslar ve durgunluk evresinde sıfıra yaklaşır. Nihayet ölüm evresinde negatif değerlerle, azalmaya baslar. Logaritmik evrede spesifik üreme hızı sabittir ve maksimumdur.
ile zaman arasında çizilen grafik eksponansiyel bir egridir. Zaman skalasını ortalama generasyon süresi cinsinden dilimlersek her dilim hücre sayısının bir kat artması durumuna karşılık gelir ve yazılabilir. Burada ‘n’ söz konusu zaman diliminde hücrelerin kaç kez bölündüklerini gösterir.

Şekil 3. Mikroorganizmaların logaritmik fazda çoğalmaları









μ; hücrelerin spesifik büyüme hızı olup hücre kütlesinin toplam biyokütleye göre birim zamandaki artısıdır.


Generasyon süresi (g) ortamdaki tek bir hücrenin bir kez bölünmesi için gerekli zamandır, μ ise kültürdeki tüm hücreleri kapsar.
Spesifik büyüme hızı (μ) substrat konsantrasyonu (S) nun fonksiyonudur.
image26

Şekil 7. Substrat konsantrasyonunun büyüme hız sabitine etkisi

Mikroorganizma büyüme hızı asagıdaki formül ile ifade edilir:

biyokütlenin zamana baglı değişimi;



Bu eşitliklerde;


Spesifik büyüme hızı µ, şu üç parametrenin bir fonksiyonu olarak bulunabilir:

S: sınırlayıcı substrat konsantrasyonu,

µmax: Maksimum büyüme hızı,

Ks: Substrat spesifik sabiti.

Buna göre aşağıdaki eşitlik çıkarılabilir.




Monod eşitliğinde, ortamda bol miktarda substrat varsa µ=µ m olacaktır. Ve Kültür log fazında maksimum büyüme oranına sahip olacaktır. Eğer substrat bileşenlerinden her hangi biri tükenirse ve diğer bileşenler hala mevcutsa bu durumda mikroorganizma kalan substratlara göre ikinci bir log fazı yaşayacak ve buna bağlı ikinci bir µ değerine sahip olacaktır. Bu durumda monod eşitliğini genişletmek gerekir.

Ks değeri genellikle çok düşüktür. Örneğin E. coli’de glikoz için 1,0mg/l, triptofan için1,1 mg/l olarak ölçülmüştür. Maksimum spesifik büyüme hız sabitinin endüstriyel önemi çok büyüktür. µ m organizmaya ve fermantasyon koşullarına bağlı bir sabittir. Aşağıdaki tabloda bazı funguslara ait µ m değerleri verilmiştir.

Tablo 1. Bazı fungusların glikozda maksimum büyüme hızı değerleri


Organizma

T°C

µ m (h-1)

Jenerasyon zamanı(h)

Aspergillus niger

30

0,20

3,46

Geotricum candidum

25

0,41

1,7

Geotricum candidum

30

0,61

1,1

Neurospora sitophila

30

0,40

1,73

Aspergillus nidulans

20

0,090

7,72

Aspergillus nidulans

25

0,148

4,68

Aspergillus nidulans

30

0,215

3,23

Monod denkleminin geçerli olmadığı durumlar da vardır. Örneğin mikroorganizma kompleks besin ortamlarında çoğaltılırsa genellikle birden fazla log fazı görülebilir. Bu fazların ayrımı mikroorganizmanın katabolik represyonu na dayanır. Mikroorganizma kolay kullanabileceği (genellikle glikoz) şekeri parçalamak için enzimlerini sentezlerken diğer kaynağı kullanacak enzimlerin üretimini baskılar.

Tablo 2. Kinetik Modeller







2.Kesikli Beslemeli (Fed-Batch) Sistemde Mikroorganizma Büyüme Kinetiği:

Kesikli beslemeli fermantörler kesikli ve sürekli sistemlerin avantajlarını beraberce taşıdığı için endüstride yaygın olarak kullanılırlar. (Penisilin üretiminde) Katabolik represyona açık olan substratların sisteme kontrollü verilmesine olanak tanıyan bir yöntemdir.

Proses başlangıçta kesikli olarak başlar. Besin elementleri tükenmeye başlayınca substrat, fermantasyon sırasında çeşitli zamanlarda azar azar ortama ilave edilir. İlave besin eklenmesi hem logaritmik hem de durgun faz sırasında yapılır. Bu hem biyomas hem de sekonder metabolit miktarının artmasına neden olur. Özellikle rekombinant mikrorganizmalardan protein üretiminde kesikli beslemeli fermantasyon tipi benimsenmektedir. Ancak kritik öneme sahip besin elementinin konsantrasyonu çok iyi takip edilmelidir. Başlangıçta fermantöre konan substratın mümkün olduğu kadar konsantre olması istenir. Böylece reaktör hacminin neden oluğu problemler de aşılmış olur. Kesikli beslemeli fermantasyonun en önemli avantajı hem reaksiyon oranının hem de metabolik reaksiyon hızının substratın ilave oranına göre kontrol edilebilmesidir. Oksijen transferi ve soğutma gibi fermantasyona etki eden parametreler reaksiyon oranı kontrol edilerek kontrol altında tutulabilir.

3.Sürekli Sistemde Mikroorganizma Büyüme Kinetiği

Mikroorganizmaların kesikli sistemde büyümeleri ile ilgili belirlenen kinetik parametreler, sürekli kültürün logaritmik evresindeki mikroorganizmalar için yapılacak hesaplamalarda çok önemlidir.

Sürekli sistemde substrat çözeltisi sabit bir akıs hızı (F) ile sisteme verilir ve sistemdeki sıvı hacminin değişmemesi için sistemde bulunan sıvı aynı akıs hızı ile dışarı alınır. Fermentördeki sıvı hacminin değişmediği koşullarda denge koşullarına ulaşılır ve böyle bir sistem matematiksel olarak;


Burada;

V: sistemde bulunan sıvı hacmi (l),


F: substrat çözeltisinin sisteme akıs hızı (L/saat)
D: ise seyreltme hızı (bir saatte reaktör içinden dısarı alınan sıvı miktarı)’dır















Şekil 8.

Kritik seyreltme hızının üzerine çıkıldığı zaman reaktörde kararlı halin oluşması mümkün değildir. Eğer akış oranı kritik seyreltme hızının hemen altında olursa sistem dış etkilere karşı çok hassas bir duruma gelir ve hücre veya sistemden ayrılan kültür üzerinde hafif bir değişiklik biyomas üzerinde çok büyük değişiklikler meydana getirebilir.

Maksimum büyüme hız sabiti endüstriyel üretimlerde en çok verim ve en küçük fermantör hacmini karşılayacak şekilde ayarlanmalıdır. Sürekli fermantasyon sistemlerinde akış hızı çok yavaş veya çok hızlı olursa monod denklemi uygulanamaz.

Sürekli fermantasyon çok çeşitli şekillerde uygulanabilir. Sadece tek bir fermantörün kullanıldığı sistemler, geri beslemeli sürekli fermantörler (sistemden uzaklaştırılan kütlenin bir kısmı sisteme yeniden verilir), ve iki veya daha fazla fermantörün beraberce kullanıldığı sürekli sistemler gibi. Asetik asit, etanol, glukonik asit, laktik asit, bütanol, subtilin, ekmek mayası, bira gibi ürünler bu sistemle ticari olarak üretilmektedir.
Endüstriyel fermantasyonlarda temel konu maliyetlerin minimuma, ürün veriminin maksimuma çıkarılmasıdır. Bu amaç için her proses için en etkili fermantasyon yöntemlerinin belirlenmesi gerekmektedir. Sürekli kültürlerde elde edilen hücre biyomasının üretim maliyeti, kesikli fermantasyona göre daha düşüktür. Ticari olarak aynı miktardaki ürünü üretmek için, sürekli kültürlerde, kesikli kültürlere göre daha küçük ölçekli biyoreaktörler gerekmektedir.

Büyük ölçekli kesikli fermantasyonlar tamamlandıktan sonra hücrelerin hasadı, parçalanması, veya metabolitlerin izolasyon ve saflaştırılması için büyük ölçekli ekipmana ihtiyaç vardır. Sürekli kültürde ise ürün ortama azar azar alındığı için bu işlemler için daha az ekipman gerekmektedir.

Sürekli fermantasyonda kesikli kültürlerdeki gibi biyoreaktörün yeniden kullanımı için hazırlanması gibi bir zaman kaybı yoktur. Endüstride karşılaşılan en önemli problem biyoreaktörlerin temizliği ve sterilizasyonudur. Bu zaman kaybına yol açmakta sürekli fermantasyonda ise fermantasyon daha uzun süre gerçekleştirildiği için temizlik vs. için daha az zaman gerekmektedir.

Sürekli fermantasyonda hücrelerin fizyolojik durumu uniform olduğundan ürün verimi daha tutarlıdır. Sürekli fermantasyon yöntemi ile ticari olarak bazı antibiyotiklerin, bazı solventlerin üretildiğini görüyoruz. Sürekli fermantasyon süresi 500-1000 saat arasında değişmektedir. Bu sürenin uzun olması rekombinant teknolojisi ile protein üretiminde dezavantaj oluşturur. Çünkü rekombinant organizmaya yeni gen ilavesi hücrenin enerji ihtiyacını artırır. Bu yüzden organizma belli bir süre sonra plazmitlerini atma eğilimi göstermektedir. Buda ürün veriminin azalmasına yol açabilir. Endüstriyel ölçekte uzun zaman boyunca sterilitenin korunması, ayrıca kültür ortamının hep aynı kalitede sağlanması güçtür ve verimliliği etkiler.



Farklı Sıcaklık ve pH Değerlerinde Sodyum laktatın Bacillus cereus’un

Büyüme Kinetiği Üzerindeki Etkisi

 

Bacillus cereus çubuk şeklinde, Gram-positif, spor oluşturan aerobik bir bakteridir. Yaygın olarak süt ve süt ürünleri, et, baharatlar, kurutulmuş gıdalar, tahıllar, pirinç ve yumurtada bulunur. B. cereus, gıdalarda normal olarak bulunduğu düşük seviyelerde bir tehlike oluşturmaz. Ancak, özellikle 10-50°C sıcaklık aralığında muhafaza edilen pişmiş gıdarda kısa sürede toksin üretir ve çok yüksek seviyelere ulaşabilir. Bu nedenle B. cereus, gıda güvenliği açısından önemle üzerinde durulan bir bakteridir.


Potasyum-, kalsiyum- ve sodyum laktat olmak üzere üç formu bulunan laktat, gıdalarda katkı maddesi olarak kullanılmaktadır. Bunlardan sodyum laktat, gıdanın pH’sını değiştirmediği, tadını geliştirdiği, anti-oksidatif ve antimikrobiyal etkiye sahip olduğu ve gıdaların raf ömrünü uzattığı için tercih edilmektedir.
Sodyum laktatın B. cereus üzerindeki antimikrobiyal etkinliği bilinmektedir. Ancak, bu gıda katkı maddesinin B. cereus’un çoğalma kinetiği üzerindeki etkisi ve antimikrobiyal aktivitesinin pH ve sıcaklık etkileşimi sayısal olarak ifade edilmemiştir. Bu nedenle bu çalışmada sıcaklık, pH ve sodyum klorürün sodyum laktatın B. cereus’un büyüme kinetiği üzerindeki etkisinin modellenmesi ve pH, sıcaklık ve sodyum klorürün sodyum laktatın antimikrobiyal aktivitesi üzerindeki etkisinin incelenmesi amaçlanmaktadır.
Sodyum laktatın antimkrobiyal aktivitesinin yüksek sıcaklıklarda arttığı görülmüştür. Bu etki Şekil 4 ve 5’te de görülmektedir. Hem LAG (Şekil 4) hem de GR (Şekil 5) için, yüksek sıcaklık değerlerinde laktata bağlı olarak B. cereus’un kinetik parametrelerindeki değişim düşük sıcaklık seviyelerine göre daha fazla olmuştur.



Şekil 6’da görüldüğü gibi, B. cereus’un lag fazı süresinde artan sodyum laktat konsantrasyonuna bağlı olarak meydana gelen artış düşük pH seviyelerinde, yüksek pH seviyelerine kıyasla daha keskin olmuştur. Benzer şekilde, büyüme hızında artan laktat konsantrasyonuna bağlı olarak meydana azalma, düşük pH seviyelerinde yüksek pH seviyelerine oranla daha fazladır.




SORULAR

1.Kesikli sistemdeki mikroorganizma büyüme evrelerini açıklayınız.



2.Sürekli kültürdeki mikrobiyal üretimin, kesikli kültüre göre avantajları nelerdir?





Dostları ilə paylaş:


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2019
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə