Termofilik-selülolitik bakteri Clostridium thermocellum kullanılarak selüloz ve selülozik atıkların parçalanması ve şeker birikiminin optimizasyonu
Cellulose and cellulosic waste degradation by thermophilic cellulotic bacteria Clostridium thermocellum and optimization of glucose accumulation
Yazar: ÖZLEM ÖZPINAR
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MELEK ÖZKAN
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmada doğada bol miktarda bulunan ve yenilenebilir bir karbon kaynağı olan selüloz ve selüloz içerikli lignoselülozik atıkların termofilik, selülolitik ve anaerobik bir bakteri olan Clostridium thermocellum ATCC 27405 suşu tarafından kullanımı araştırılmıştır. Kültür ortamında selüloz kullanımı sonucu biriken şekerlerin etanol üretim kapasitesi daha yüksek olan mikroorganizmalar tarafından substrat olarak kullanılabileceği düşünülerek proses sonucunda biriken glukoz miktarı takip edilmiştir.Çalışmanın ilk aşamasında besiyeri bileşen konsantrasyonlarının ve ortam koşullarının selülozun parçalanması sonucu biriken şeker miktarına ve etanol üretimine olan etkisi incelenmiştir. Besiyerindeki fosfat, magnezyum, demir ve kalsiyum bileşenlerinin şeker birikimi üzerinde etkili olduğu tespit edilmiştir. 50oC inkübasyon ısısının ve azot gazı atmosferinin şeker birikimini ve etanol üretimini arttırdığı gözlemlenmiştir.Çalışmanın ikinci kısmında tarımsal kaynaklı lignoselülozik atıkların C. thermocellum hücreleri tarafından kullanılabilirliği incelenmiştir. Bu maddeler içerisinde hemiselüloz, lignin gibi enzim hidrolizini yavaşlatıcı polimerler içerdiğinden bunları gidermek için kaynatma ve alkali uygulaması gibi ön işlemler yapıldıktan sonra besiyerine ilave edilmiştir. Arpa ve buğday sapında uygulanan alkali hidrolizi ile glukoz birikiminde sırasıyla %14 ve %10'lük bir artış olduğu gözlenmiştir. Bu kısımda ayrıca kağıt fabrikası atıklarının C. thermocellum tarafından parçalanması ve etanol üretimi incelenmiştir. Farklı miktarlarda kağıt atığıiçeren C. thermocellum kültürlerinde en yüksek glukoz birikimi (5,9 g/l) 20 g/l kağıt içeren kültürde gerçekleşmiştir.Tez çalışmasının son kısımda ise glukoz birikiminin sürekliliğini sağlayabilmek için C. thermocellum kültürleri yarı sürekli sistemde üretilmişlerdir. Her gün, iki günde bir ve üç günde bir 5 ml ve 10 ml hacimlerde taze besiyeri ile seyreltilen kültürlerden üç günde bir 5 ml seyreltme yapılan kültürde optimum glukoz birikimi sağlanmış ve 5,7 g/l olarak tespit edilmiştir. Kültürlerde etanol üretimi 0,3 ile 0,8 g/l arasında değişmiştir.

Abstract:
In this study, the use of cellulose and renewable lignocellulosic wastes, which are found in waste amount in nature, by thermophilic, cellulolytic and anaerobic bacterium Clostridium thermocellum ATCC 27405 strain was studied. Glucose accumulated in C. thermocellum culture at the end of cellulose degradation can be used as substrate for microorganisms which have higher ethanol production capacity. Because of that glucose accumulation at the end of cellulose degradation was monitored.In the first part of the thesis, the effect of medium component concentration and environment conditions on sugar accumulation as a result of cellulose degradation and ethanol production was investigated. It was determined that phosphate, magnesium, iron and calcium components in the medium were effective on the sugar accumulation. Incubation temperature of 50oC and nitrogen gas atmosphere increased the sugar accumulation and ethanol production.In the second part of the study, the usage of agricultural lignocellulosic wastes by C. thermocellum cells was examined. These lignocellulosic wastes contain some polymers like hemicellulose and lignin which slow down the enzymatic hydrolysis. In order to ease the hydrolysis some pretreatment methods like boiling and alkaline hydrolysis were performed. It was shown that glucose accumulation increased respectively % 14 and 10 with alkaline hydrolysis applied to barley and wheat. In this part of the thesis, degradation of wastes from paper pulp industry by C.thermocellum was also studied. It was shown that the highest glucose accumulation (5,9 g/l) occurred in the culture which contained 20 g/l paper pulp waste .In the last part of the study, semi-batch C. thermocellum cells were run for sustaining glucose accumulation. The cultures were diluted every day, every two days and every three days with 5 ml and 10 ml volumes of fresh RM containing 10 g/l cellulose. Optimum glucose accumulation was observed in the culture which was diluted with 5 ml fresh medium every three days. Amount of glucose was measured as 5,7 g/l in that culture. The ethanol concentration in the cultures varied between 0,3 to 0,8 g/l.