β-glukan içeriğinin arttırılması için S.cerevisiae üretilen bir biyoreaktörde çoğalma koşullarının incelenmesi ve pH kontrolu
Investigation of growth conditions and pH control in a bioreactor to increase β-glucan content of S.cerevisiae
Yazar: NUR SABUNCU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SUNA ERTUNÇ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: CCD = CCD ; PID = PID

Özet:
β-glukan, sağlık üzerindeki olumlu etkileri nedeniyle ABD'de FDA (Food Drug Administration) ve Avrupa'da EFSA (European Food Safety Administration) gibi gıda denetim kuruluşları tarafından onay almış, yan etkisi olmayan antitümör, antiviral, antibakteriyel, antifungal özellik taşıyan bir etken maddedir. Ekmek mayası olarak bilinen S.cerevisiae mayasının hücre duvarı önemli bir β-glukan kaynağıdır. Hücre duvarı yapısı ve bileşimi mayanın çoğalma koşullarına sıkı bir biçimde bağlı olduğundan tez kapsamında mayanın β-glukan içeriğini arttırmak için biyorektörde çoğalma koşulları optimize edilerek pH'ın kontrolu amaçlanmıştır.
β-glukanın hücre duvarından ekstraksiyonu için alkali-asidik yöntem, analizi için ise Antron-H2SO4 ve enzimatik yöntemler kullanılmıştır. Optimum koşulların belirlenmesi için sınırlı sayıda deneyden mümkün olduğunca çok yararlı bilgi elde etmeyi sağlayan "İstatistiksel Deney Tasarımı" metodlarından Merkezi Birleşik Tasarım (Central Composite Design) tekniği kullanılmıştır. Optimum sıcaklık 34.7oC ve pH 4.8 olarak belirlendikten sonra bu koşullarda çoğalma ortamına eklenen EDTA, CaCl2 ve sorbitol olarak belirlenen katkı maddelerinin S.cerevisiae'nın β-glukan içeriğine etkisi incelenerek 21.65 g/mL derişiminde EDTA'nın β-glukan içeriğini arttırdığı tespit edilmiştir.
β-glukan'ın farklı derişim değerlerinde Antron-H2SO4 ve enzimatik yöntem ile analiz sonuçları değerlendirilerek iki yöntemle elde edilen sonuçlar arasında lineer bir ilişki oluşturulmuştur. Çoğalma ortamı pH değerinin mayanın β-glukan içeriğine etkisini incelemek amacıyla küçük ölçekli pH kontol çalışmaları yapılarak çoğalma ortamı pH'ının belirlenen optimum değerinde çoğalma boyunca kontrol edildiği durumda β-glukan içeriğinin en yüksek olduğu belirlenmiştir.
Mayanın β-glukan içeriğini arttırmak üzere kontrol edilmesi gerektiği sonucuna ulaşılan pH'ın, çoğalma boyunca optimum değerinde kontrolu PID ve kendinden ayarlamalı PID kontrol algoritmaları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ayarlanabilen değişken olarak baz akış hızı seçilmiş, asit ve baz çifti olarak H3PO4 ve NaOH kullanılmıştır. Baz akış hızına verilen pozitif ve negatif basamak etkiler için proses tepki eğrisi ve sistem tanımlama ile prosesin dinamik davranışını ifade eden modeller belirlenmiştir. MATLAB programlama dilinde kodlanmış PID ve kendinden ayarlamalı PID yöntemleriyle pH kontrol benzetimiyle kontrol edicilerin performansı karşılaştırılmış, biyoreaktörde on-line pH kontrolundaki başarıları değişken set noktası takibi için sınanmıştır.

Abstract:
β-glucan is an active ingredient which was approved by FDA in USA (Food Drug Administration) and EFSA in Europe (European Food Safety Administration) due to its positive effects on health, which does not have any side effects when used individually or together with other drugs and which has antitumor, antiviral, antibacterial and antifungal properties. The cell wall of S.cerevisiae yeast, which is known as Baker's yeast, is an important source of β-glucan. In this study, the effect of growth conditions of S.cerevisiae on β-glucan yield was examined. In order to determine the optimum conditions, statistical experiment design which aims to obtain as much valuable information as possible from limited number of experiments, was applied. For this purpose a central composite design which has important statistical properties was used. After determining optimum temperature value as T=34.7oC and pH=4.80, the effects of additives (EDTA, CaCl2 and Sorbitol) on growth environment and β-glucan content of S.cerevisiae was examined. According to marginal effects of additives it was determined that EDTA increases the content of β-glucan individually.
In this study, β-glucan was analyzed by using Antron-H2SO4 and enzymatic methods and both methods were compared. Depending on different measurement values of Antron-H2SO4 and enzymatic methods in various concentration levels, a linear relation was established between two methods.
In order to investigate the effect on β-glucan content, small scaled pH control studies were performed. As a result of the studies made, β-glucan content was found to be highest in the situation where reproduction environment is controlled at the determined optimum value of pH.
Under the scope of the control studies performed in bioreactor, H3PO4 and NaOH were used as suitable acid – base couple. pH and base flow rate were selected as controlled and manipulated variables in the bioreactor. In case of positive and negative effect, input-output relation was examined and PID control parameters were calculated. The calculated control parameters were entered to the algorithm written in Visual Basic language in order to conduct the on-line PID control studies in the bioreactor where microorganisms are reproduced.
The dynamic behavior of the system was examined and the model which best defines the process was obtained by system defining method. By using the obtained output values, model parameters were determined by recursive least square method. By using PID coded by Matlab programming language and Self-tuning PID methods, pH control simulation was realized and comparison was made in terms of performance properties.