Kinetic modeling of lactic acid production from whey

Abstract

oz Doğal bir organik asit olan laktik asit farmasütik, kimya, tekstil ve gıda endüstrilerinde önemli bir yere sahiptir. İnsan metabolizmasında sadece L(+) laktik asit izomeri bulunduğundan, bu izomerin mikrobiyal yoldan eldesi son zamanlarda çok ilgi çekmektedir. Laktik asitin fermentasyonla eldesinde kullanılan peynir suyundaki laktoz, peynir suyunun ucuz olması ve organic madde içeriğinin yüksek olmasından dolayı tercih edilir. Peynir suyu bazı fermentasyonlar için uygun bir substrattır ancak yüksek laktoz içerdiğinden dolayı potansiyel bir çevre kirleticisidir. Peynir suyundaki laktozun fermentasyon sırasında tüketimi çok değerli bir ürün olan laktik asitin eldesinin yanısıra bu kirletici maddenin yok edilmesini de sağlar. Bu çalışmanın amacı, homofermentatif laktik asit bakterisi olan ve L(+) izomerini üretebilen Lactobacillus casei ile peynir suyundan laktik asit eldesinin değişik laktoz konsantrasyonlarında kinetik modellemesi ve geüştirilmesidir. Bu çerçevede, 37 °C ve pH 5.5' de kesikli fermentasyonlar yapılmıştır. Çalkalamalı inkübatörde elde edilen kültür, fermentör için inokulum olarak kullanılmıştır. Fermentasyon çalışmalarından önce peynir suyundaki proteinlerin bir kısmı ısıl işlemle denetüre edilmiş ve santrifüj ile ayrılmıştır. Bu işlemler peynir suyu tozundaki protein miktarım 11.15 %'den 5.2 %'ye düşürmüştür. Laktik asit belli bir saate kadar biomas artşına bağlı olarak üretilmiş daha sonra büyümeden bağımsız olarak üretilmiştir. Ancak 9.0 g l`1 başlangıç substrat konsantrasyonuyla yapılan fermentasyonda durağan faza ulaşmadan önce substrata tamamı tüketilmiştir. Maksimum teorik üretkenlik 35.5 g l`1 başlangıç substrath fermentasyonda 2.4 g laktik asit l`1 h`1 olarak elde edilmiştir. Kinetik parametreler değişik fermentasyon çalışmalarından elde edilmiştir. (j,max ve Ks sırasıyla 0.265 h`1 ve 0.72 g l`1 olarak bulunmuştur. Ürün verim katsayısı ortalama değeri 0.682 g laktik asit (g laktoz)`1 olarak saptanmıştır. Mikrobiyal büyüme için lojistik denklemin ürün inhibisyon terimi ile modifiye edilmiş formu, ürün oluşumu için Luedeking ve Piret'in belirttiği denklem ve substrat tüketimini ürün oluşumu ve temel metabolik faaliyetleri göz önünde bulundurarak açıklayan denklem bu çalışmadaki fermentasyonlann çoğunu büyük doğrulukla açıklamıştır, inhibisyon terimlerindeki toksik kuvvetler, inhibisyon etkisini başlangıç substrat konsantrasyonu düşük olduğunda önemsiz, yüksek olduğu durumlarda ise önemli kılarak modelin değişik fermentasyonlara uygulanabilirliğini arttırmıştır. Yüksek başlangıç substrat konsantrasyonuz fermentasyonda (Sq= 95.7 g l`1),model substrat tüketimini çok iyi açıklayabilmesine rağmen mikrobiyal büyümeyi ve ürün oluşumunu sadece logaritmik faz için açıklayabilmiştir. vıı

ABSTRACT Lactic acid is a natural organic acid, which is used in pharmaceuticals, chemical, textile and food industries. Since only L(+) lactic acid is found in normal human metabolism, the microbial production of L(+) lactic acid has great interest in recent years. Use of whey lactose to produce lactic acid by fermentation process is favourable due to the low cost of whey and its high organic matter content. Whey is suitable medium for some fermentations. However, its high lactose content makes it a potential environmental pollutant. The disposal problem of this pollutant could be overcome by utilization of whey lactose in the lactic acid production. The aim of this study was to develop a kinetic model for lactic acid production from whey by Lactobacillus casei, which is a homofermentative lactic acid bacteria and capable of producing L(+) lactic acid. Within this context, several batch fermentation experiments in fermenter were performed at 37 °C and pH 5.5. Seed culture that was produced in shake flask fermentations was used as the inoculum for the fermenter. Before the fermentation experiments, some of the proteins in whey were denatured by heat treatment and separated by centrifugation. This treatment decreased the protein amount from 1 1.15 % to 5.2 % in whey powder. The lactic acid production was associated with the biomass growth up to a certain time, but then a non-growth associated lactic acid production was observed in most of the fermentations except for the 9.0 g l`1 initial substrate fermentation run, where all the substrate was utilized when the stationary phase was attained. The maximum theoretical productivity was obtained 11 i as 2.4 g lactic acid 1` h` in the fermentation with So equals to 35.5 g 1. The kinetic parameters were obtained from different fermentation runs. Umax and Ks were found as 0.265 h`1 and 0.72 g l`1, respectively. The average product yield coefficient, Yps, was determined as 0.682 g lactic acid (g lactose)`1. The modified form of logistic equation with product inhibition term for biomass growth, Luedeking and Piret equation for product formation and substrate utilization considering the consumption of substrate for product formation and maintenance, described most of the fermentation experiments in this study with high accuracy (SSE range was 0.0804-0.1531). The toxic powers in these inhibition terms, h and f, made the model applicable for the fermentation experiments with low and high initial substrate concentrations. In case of high initial substrate concentration fermentation(So= 95.7 g l`1), the same model explains only the exponential phase of biomass and its product formation eventhough the substrate consumption is predicted very well.