mikroorganizma büyüme kinetiği

MİKROBİYAL BÜYÜME
KİNETİĞİ
SEMA ÇOBAN
620071001
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.

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

Mikroorganizmaların ihtiyaç duyduğu gıda
maddelerini 2 gruba ayırabiliriz;

1- İnorganik maddeler

2- Organik maddeler
1. İnorganik Maddeler
Oksijen (O2)
 Karbondioksit (CO2):
 Karbon (C):
 Azot (N):
 Su (H2O):
 Diğer elementler:

OKSIJEN (O2)
Mikroorganizmalar oksijene olan ihtiyaç
durumlarına göre;
 Aeroblar:
%21 0ksijen'de gelişirler
 Mikroaerofilikler: %17 O2 de gelişenler
 Fakültatifler: Hem aerobik hem de anaerobik
koşullar altında gelişenler.
 Anaeroblar: Son elektron alıcı olarak O2’ yi
kullanacak solunum sistemi olmayanlar
olmak üzere 4 bölüme ayrılırlar.
KARBONDIOKSIT (CO2):

Mikroorganizmaların çoğu, havada bulunan
kadar (%16; %0.4), karbondioksite gereksinme
duyarlar ve fazlası genellikle gelişme ve üreme
üzerine olumsuz etkide bulunur.
KARBON (C):

Karbon, bakterilerde bulunan mikro-ve makromoleküllerin yapısına girdiğinden ihtiyaç
duyulan önemli bir maddedir. Ototrof
mikroorganizmalar karbon kaynağı için
inorganik bileşiklerden, heterotroflar da organik
bileşiklerden yararlanırlar.
AZOT (N):

Azot, bakterilerdeki çeşitli moleküllerin yapısına
girmesi yanı sıra, aynı zamanda enzimler, üreme
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.).
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
difüzyonla 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.
2. ORGANIK MADDELER

Vitaminler:

Pantotenik asit:

Nikotin amid:

Üreme faktörleri:
VİTAMİNLER:

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.
PANTOTENİK

ASİT:
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.
NİKOTİN

AMİD:
Pirimidin nükleotidlerin (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 FAKTÖRLERİ:

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.
SICAKLIĞIN ETKİSİ
Mikroorganizmalar sıcaklığa göre ,
 1) Psikrofilik : 0 – 20 °C de gelişenler

2) Mezofilik :

3) Termofilik :

25 - 45°C de gelişenler
45 - 80°C de gelişenler
4) Hiper termofilik : 80°C ‘nin üstünde
olmak üzere dört gruba ayrılır.
(PH) ETKİSİ:

Düşük pH'da yaşayanlar asidofilikler olarak
adlandırılır.

Nötrofilik organizmalar ise pH 6-8 de yaşarlar.

pH 10-11 arasında gelişenler ise alkalofiliklerdir.
MİKROBİYAL KÜLTÜR VE OKSİJENİN ETKİSİ:

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:
Bazı mikroorganizmalar tuzsuz ortamda
gelişemezler.Bu tür mikroorganizmalar
halofilikler olarak adlandırılır.
 Tuza toleranslı olan mikroorganizmalar ise hem
tuzlu ortamda hem de tuzsuz ortamda gelişebilen
mikroorganizmalardır.
 Yüksek şeker içeren ortamlarda gelişenler ise
“osmofiller” , kuru ortamlarda gelişenler ise
kserofiller olarak adlandırılır.

MİKROORGANİZMA
KİNETİĞİ

BÜYÜME
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.
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.


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. Yavaşlama evresi: Bu evrede hücre çoğalma
hızı sürekli azalır. Fakat hücre sayısı ve
biyokütle artışı devam eder.


E. Durgunluk evresi: Bu evrede yeni oluşan
hücre sayısı ile ölen hücre sayısı
dengelenmiştir. Toplam hücre sayısı sabit kalır.
F.Ölüm evresi: Ölen hücrelerin sayısı yeni
oluşanlardan daha fazladır. Otoliz sebebiyle
ortamın yoğunluğu ve viskozitesi azalır.
Şekil 1.Mikroorganizmaların büyüme eğrisi
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(
steady 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.

μ ; Spesifik büyüme hızı, hücre kütlesinin
toplam biyokütleye göre birim zamandaki
artışıdır. Hücrelerin spesifik büyüme hızı,
büyüme eğrisinin birinci türevinden bulunur.
Şekil 2.Kesikli kültürde hücrelerin çeşitli fazlardaki spesifik büyüme hızları
Şekil 3. Mikroorganizmaların logaritmik fazda çoğalmaları

Mikroorganizma büyüme hızı asağıdaki formül
ile ifade edilir:

biyokütlenin zamana baglı değişimi;
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
logaritmik evrede maksimum büyüme oranına
sahip olacaktır.
 Ks değeri genellikle çok düşüktür. Örneğin E.
coli’de glikoz için 1,0mg/l, triptofan için1,1 mg/l
olarak ölçülmüştür.

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
m 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 represyonuna
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.

KESİKLİ BESLEMELİ SİSTEM

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.
KESİKLİ BESLEMELİ SİSTEM

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.
SÜREKLİ SİSTEMDE MİKROORGANİZMA
BÜYÜME KİNETİĞİ

Fermantördeki sıvı hacminin değişmediği
koşullarda denge koşullarına ulaşılır ve böyle bir
sistem matematiksel olarak;
Burada;
 V: sistemde bulunan sıvı hacmi (l),
 F: substrat çözeltisinin sisteme akış hızı (L/saat)
 D: ise seyreltme hızı (bir saatte reaktör içinden
dışarı alınan sıvı miktarı)’dır
Denge koşullarında dS/dt = O ve μ = D olduğundan,
KRİTİK SEYRELTME HIZI


Endüstriyel fermantasyonlarda temel konu
maliyetlerin minimuma, ürün veriminin
maksimuma çıkarılmasıdır.
Sürekli kültürlerde elde edilen hücre
biyomasının üretim maliyeti, kesikli
fermantasyona göre daha düşüktür.

o
o
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.
Potasyum-, kalsiyum- ve sodyum laktat olmak
üzere üç formu bulunan laktat, gıdalarda katkı
maddesi olarak kullanılmaktadır
DİNLEDİĞİNİZ İÇİN
TEŞEKKÜR
EDERİM...