Probiyotik bakteri üretim optimizasyonu ve ölçek büyütme çalışmaları
Optimization of probiotic bacteria production and scale-up studies
Yazar: BİRAY BALER
Danışman: DOÇ. DR. SAİT SARGIN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering
Dizin: Biyoreaktörler = Bioreactors ; Lactobacillus plantarum = Lactobacillus plantarum ; Optimizasyon = Optimization ; Probiyotikler = Probiotics ; Ölçek büyütme = Scale up

Özet:
Bu çalışmada probiyotik bir bakteri olan Lactobacillus plantarum BG24 suşunun, derin kültür fermantasyonuyla, optimizasyon ve ölçek büyütme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon deneyleri için 5 litrelik karıştırmalı tank 
biyoreaktöründe Man Rogosa, Sharp (MRS) Broth üretim ortamı olarak kullanılmıştır. Optimizasyon çalışmaları için dört parametre seçilmiştir; havalandırma (0-1 vvm), karıştırma (0-500 rpm), aşı oranı (%1-10) ve üretim süresi (2-24 saat). Yapılan analizler sonucunda 479 rpm karıştırma hızı, %3 aşı oranı ve 18 saatlik üretim süresi seçilen optimum değerlerdir. 3D model grafikleri karıştırma ve havalandırmanın aynı anda olmasının biyokütle miktarını azalttığını göstermiştir. 5 litrelik karıştırmalı tank biyoreaktöründe gerçekleştirilen kontrol deneyinde, optik yoğunluk 9,6; biyokütle 3,8 g/L; toplam canlı sayısı 7,6*1011 kob/ml bulunmuştur. Ölçek büyütme çalışmaları 10 litrelik karıştırmalı tank biyoreaktöründe iki farklı yöntemle denenmiştir. Geometrik orana göre yapılan hesaplamalar neticesinde karıştırma hızı 410 rpm olan deneme 
üretimi gerçekleştirilmiştir. Analizler, üretimin 18.saatinde optik yoğunluğun 8, biyokütlenin 3,7 g/L ve toplam canlı sayısının 4,8*1011 kob/ml olduğunu göstermiştir. Güç sayısı hesabına göre gerçekleştirilen deneme üretiminde karıştırma hızı 589 rpm belirlenmiş ve optik yoğunluk 8.735, biyokütle 4 g/L, toplam canlı sayısı 1,7*1012 kob/ml ölçülmüştür. Ölçek büyütme yöntemi olarak güç sayısı hesabı seçilmiştir. Bu yöntemle, pilot ölçekli 100 litrelik karıştırmalı tank biyoreaktöründe karıştırma hızı hesabı yapılmıştır. 270 rpm karıştırma hızında üretim sonuçları; optik yoğunluk 8.2, 
biyokütle 2,75 g/L ve toplam canlı sayısı 1,4*1010 kob/ml bulunmuştur. Optimizasyon deneylerinde yüksek havalandırmaya sahip üretimlerin yüksek sonuçlar vermesi nedeniyle 10 litrelik karıştırmalı tank biyoreaktörü ve hava kaldırmalı biyoreaktörde 1vvm hava beslemesiyle deneme üretimleri yapılmıştır. Hava beslemeli üretim sonuçları, mekanik karıştırmaya sahip üretimlere kıyasla düşük bulunmuştur. Mekanik karıştırma biyokütle üretimi için daha verimli bulunmuştur.

Anahtar Kelimeler: Probiyotik, Lactobacillus plantarum BG24, biyoreaktör, optimizasyon, ölçek büyütme

Abstract:
In this study, optimization and scale-up studies were carried out by submerged fermentation of Lactobacillus plantarum BG24 strain, which is a probiotic bacterium. For the optimization experiments, Man Rogosa, Sharp (MRS) Broth was used as the production medium in a 5-liter stirred tank bioreactor. Four parameters were chosen for optimization studies; aeration (0-1 vvm), mixing (0-500 rpm), inoculation rate (1-10%), and production time (2-24 hours). As a result of the analysis, 479 rpm mixing speed, 3% inoculation ratio and 18 hours production time are the optimum values selected. The 3D model graphics showed that simultaneous mixing and aeration reduced the amount of biomass. In the control experiment performed in a 5 liter stirred tank bioreactor, the optical density was 9.6; biomass was 3.8 g/L; The total number of organisms was found to be 7.6*1011 cfu/ml. Scale-up studies were tested in a 10 liter stirred tank bioreactor with two different methods. As a result of the calculations made according to the geometric ratio, trial production was carried out with a mixing speed of 410 rpm. The analyzes showed that the optical density was 8, the biomass was 3.7 g/L and the total number of organisms was 4.8*1011 cfu/ml at the 18th hour of production. The mixing speed was determined at 589 rpm and the optical density was 8.735, the biomass was 4 g/L, and the total number of organisms was 1.7*1012 cfu/ml. Impeller power number calculation was chosen as the scale-up method. With this method, the mixing rate was calculated in a pilot scale 100 liter stirred tank bioreactor. Production results in a pilot scale bioreactor at a stirring speed 
of 270 rpm; the optical density was 8.2, the biomass was 2.75 g/L and the total number of organisms was 1.4*1010 cfu/ml. Since the productions with high aeration yielded high results in the optimization experiments, trial productions were carried out in a 10-liter stirred tank bioreactor and in an air-lift bioreactor with 1vvm air supply. Air-fed production results were found to be low compared to productions with mechanical agitation. Mechanical mixing was found to be more efficient for biomass production.

Keywords: Probiotic, Lactobacillus plantarum BG24, bioreactor, optimization, scale-up