Optimization of Production Parameters for Single Cell Oil and Metabolite Production from Yarrowia lipolytica Strains
Yarrowia lipolytica Suşlarından Tek Hücre Yağı ve Metabolit Üretim Parametrelerinin Optimizasyonu
- Tez No: 465407
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NEŞE ŞAHİN YEŞİLÇUBUK, PROF. DR. NECLA ARAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyoteknoloji, Gıda Mühendisliği, Biotechnology, Food Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 118
Özet
Son yıllarda, bitki ve hayvan kaynaklarının öngörülebilir kısıtlılığı nedeniyle, mikrobiyal yağ ve metabolit üretimi, giderek artan önem kazanmaktadır. Mikrobiyal lipitler ve metabolitler gıda, yakıt ve oleo-kimyasal endüstriler için umut verici hammaddelerdir. Son yıllarda yapılan çalışmalar, mikroorganizmaların, düşük değerli substratları, lipitler, enzimler, sitrik asit, mikrobiyal kütle ve polioller gibi katma değeri yüksek ürünlere dönüştürme potansiyelini göstermektedir. Mikrobiyal yağ üretimi, çeşitli oleosus mikroorganizmaların (bu mikroorganizmalar, kuru maddede ağırlıkça %20'den fazla lipid depolayabilmektedir) lipid depolama kapasiteleriyle endüstriyel açıdan ilgi çekmektedir. Enzimler ve organik asitler mikroorganizmaların başlıca endüstriyel metabolitleridir. Sitrik asit, tüm gıda asitlerinin %60'ını temsil etmektedir. Enzimler arasında lipazlar, lipit teknolojisi, biyo-endüstride önemlidir ve hidroliz (uzun zincirli yağ asitlerinin tri-, di- ve mono-gliseridlerinin ester bağlarını yağ asitleri ve gliserole hidroliz), esterifikasyon, interesterifikasyon, asidoliz, alkoliz ve trans-esterifikasyon gibi reaksiyonları katalize ederler. Lipazlar, enzim pazarının yaklaşık %5'ini oluşturur ve gıda, süt, deterjan ve ilaç endüstrisinde birçok uygulamaları bulunmaktadır. Model oleosus mikroorganizmalar arasında, Yarrowia lipolytica, genetik özellikleri tanımlanmış, metabolit üretme yeteneği yüksek olması nedeniyle biyoteknolojik çalışmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Y. lipolytica, trigliseritler ve yağlar gibi hidrofobik substratları asimile etme ve tek hücre yağları (THY), lipazlar ve organik asitler gibi metabolitleri üretme özelliğine sahiptir. Y. lipolytica, ilaç, gıda ve çevre endüstrilerinde biyokatalizör olarak kullanılabilen hücre içi ve hücre dışı lipazlar üretmektedir. Bu doktora tezinin hedefleri; (i) farklı yağ kaynaklarının (hodan, kanola, keten tohumu, susam, Echium ve alabalık yağları) ve yağ endüstrisi atık ve yan ürünlerinin (prina yağı, fındık yağı pres küspesi ve ayçiçek yağı küspesi), Y. lipolytica YB 423-12 maya hücresinin büyüme ve morfolojisine etkilerinin araştırılması; (ii) Y. lipolytica YB 423-12 suşu kullanılarak üretilen mikrobiyal yağların verimi ve yağ aside bileşiminin belirlenmesi; (iii) Y. lipolytica YB 423-12 suşundan sitrik asit ve lipaz üretiminin araştırılıması; (iv) Fındık yağı pres kekinin substrat olarak kullanıldığı fermantasyon koşullarını optimize ederek Y. lipolytica YB 423-12'nin hücre dışı lipaz aktivitesinin arttırılması; (v) mikrobiyal lipaz enziminin saflaştırılması ve karakterize edilmesi; (vi) lipaz enzimi üretimine substratın yağ, protein ve selüloz bileşenlerinin etkilerinin incelenmesi; (vii) büyük ölçekte lipaz enzimi üretiminin maliyet analizinin incelenmesidir. İlk bölümde, bu doktora tezinin araştırma çerçevesi ve hedefleri verilmiştir. Bundan sonra, Bölüm 2'de, mikrobiyal lipidler ve metabolitler üzerine literatür taraması sunulmaktadır. Aynı bölümde, lipid akümülasyonu, yağ asitleri üzerine ve farklı mikroorganizmalarla yapılan çalışmalar derlenmiştir. Daha sonra optimizasyon çalışmaları, genetik manipülasyon ve metabolik mühendislik çalışmaları tartışılmıştır. Son olarak, sitrik asit ve lipaz enzimi gibi mikrobiyal metabolitler anlatılmıştır. Bölüm 3'te, yapılan analizlerde kullanılan materyaller ve yöntemler açıklanmıştır. Tez kapsamında beş farklı deneysel çalışma (Bölüm 4-8) yapılmıştır. Öncelikle Y. lipolytica YB 423-12 suşu, karbon kaynağı olarak glukoz ve farklı yağları (hodan, kanola, keten tohumu, susam, Echium ve alabalık yağları) içeren fermentasyon ortamında geliştirilmiştir. Bu substratlar kullanılarak biyokütle ve hücre morfolojisi analizleri gerçekleştirilmiştir (Bölüm 4). Farklı substratlar üzerinde üretilen mikrobiyal yağın verimi ve yağ asidi profilleri Bölüm 5'te incelenmiştir. Daha sonra, sitrik asit ve lipaz gibi mikrobiyal metabolitlerin üretimi, aynı yağlar ve yağ endüstrisi atık ve yan ürünleri (prina yağı, fındık yağı pres küspesi ve ayçiçek yağı küspesi) kullanılarak araştırılmıştır (Bölüm 6). Çalışmalar Y. lipolytica'nın fındık yağı pres keki substrat olarak kullanıldığında yüksek verimlilikte lipaz enzimi ürettiği göz önüne alınarak, enzim üretimi üzerine yoğunlaştırılmıştır. Bu bağlamda, enzim aktivitesini artırmak için Plackett-Burman deseni ve Tepki Yüzey Metodu (TYM) gibi deneysel tasarımlar yapılmıştır (Bölüm 7). Son olarak lipaz enziminin protein tayini, enzim saflaştırma ve karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Ayrıca substratın lipid, protein ve selüloz bileşenlerinin enzim aktivitesi üzerine etkileri incelenmiştir. Veriler değerlendirilerek büyük ölçekli üretimde, lipaz enzimi üretiminin maliyet analizi yapılmıştır. Farklı yağları (hodan, Echium, kanola, keten tohumu, susam, alabalık yağı) substrat olarak içeren fermentasyon ortamlarında misel büyüme gözlemlenmiştir. Ortamlara yağ ilave edilmesi, suşun biyokütlesinde önemli bir artışa neden olmuştur (p
Özet (Çeviri)
Nowadays, microbial oil and metabolite production have gained increasing interest due to the foreseeable limitation of plant and animal sources. Microbial lipids and metabolites are promising raw materials for food, fuel and oleo-chemical industries. Many reports of past few years indicated the potential of microorganisms to convert low value substrates to value added products such as microbial lipids, enzymes, citric acid, microbial mass, and polyols. Microbial oil production presents a potential industrial interest due to the capacity of various oleaginous microorganisms (these microorganisms can accumulate more than 20%, wt/wt, of lipid in their dry matter) to store lipids. Enzymes and organic acids are principal industrial metabolites of microorganisms. Citric acid represents 60% of all food acidulates. Among the enzymes, lipases are important in lipid technology, bio-industry, and they catalyze reactions such as hydrolysis (of ester bonds of tri-, di- and mono-glycerides of long-chain fatty acids into fatty acids and glycerol), esterification, interesterification, acidolysis, alcoholysis, and trans-esterification. Lipases constitute about 5% of the enzyme market and they have many applications in the food, dairy, detergent, and pharmaceutical industries. The model oleaginous yeast Yarrowia lipolytica has been used in lipid and metabolite production due to its biotechnological ability and intense secretory activity. Yarrowia lipolytica is known to have the ability to assimilate hydrophobic substrates like triglycerides, fats, and oils and produce single cell oils, lipases and organic acids. Non-conventional yeast Y. lipolytica produces intracellular and extracellular lipases which can be utilized as biocatalyst in the pharmaceutical, food and environmental industries. The objectives of this Ph.D. thesis were (i) to investigate the effects of different oil sources (borage, canola, sesame, Echium and trout oils) and oil industry residues (olive pomace oil, hazelnut oil press cake, and sunflower seed oil cake) on the growth and morphology of Yarrowia lipolytica YB 423-12; (ii) to determine lipid accumulation and composition of cellular lipids produced using Y. lipolytica YB 423-12 strain; (iii) to investigate citric acid and lipase production by Y. lipolytica YB 423-12 strain; (iv) to improve the extracellular lipase activity from Y. lipolytica YB 423-12 by optimizing fermentation conditions using hazelnut oil press cake as a substrate; (v) to characterize and purify microbial lipase enzyme; (vi) to determine the effects of lipid, protein, cellulose on lipase enzyme production; (vii) to evaluate processing costs for lipase enzyme in large scale. In Chapter 1, research framework and objectives of this Ph.D. thesis are introduced. Following that, in Chapter 2, literature review on microbial lipids and microbial metabolites are presented. Then, studies investigating the lipid accumulation, fatty acids and different microorganisms are reviewed. Afterwards, optimization studies, strain improvement by genetic manipulation and metabolic engineering are discussed. Lastly, microbial metabolites such as citric acid and lipase enzyme are described. In Chapter 3, materials and methods of the analysis are introduced. To achieve these goals, five different experiments (Chapters 4-8) were conducted. Firstly, Y. lipolytica YB 423-12 strain was cultivated in media containing glucose and various oils (borage, Echium, linseed, rapeseed, sesame, trout oils) as carbon and energy sources. These substrates were investigated for biomass and morphology of cells (Chapter 4). Lipid accumulation and fatty acid profiles of microbial oil produced using different substrates were investigated in Chapter 5. Following that, microbial metabolites such as citric acid and lipase production were determined using the same oils and oil industry residues such as olive pomace oil, hazelnut oil and sunflower seed oil cakes (Chapter 6). After that, considering the high efficiency of lipase enzyme production by Y. lipolytica using hazelnut oil press cake, studies focused on enzyme production. In this context, experimental designs such as Plackett-Burman design and Response Surface Methodology (RSM) were conducted to improve enzyme activity (Chapter 7). Finally, protein determination, enzyme purification and characterization studies of lipase enzyme were conducted. Also the effects of lipid, protein, and cellulose on lipase enzyme production were determined to increase the enzyme activity.Cost analysis of lipase enzyme production were determined in large-scale production (Chapter 8). Mycelial growth have been observed in all mediums containing different substrate oils (borage, Echium, linseed, rapeseed, sesame, trout oils). Addition of oils to medium caused a significant increase in dry biomass of the strain (p
Benzer Tezler
- Development and characterization of nanofibrous structures for atopic dermatitis treatment
Atopik dermatit tedavisi için nanolifli yapıların geliştirilmesi ve karakterizasyonu
NURSEMA PALA AVCI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA BANU NERGİS
DR. ÖĞR. ÜYESİ NEBAHAT ARAL YILMAZ
- Modifiye havuç atıklarıyla bazı ağır metallerin sulu çözeltilerden uzaklaştırılması
Removal of some heavy metals from aqueous solutions by modified carrot peel
ZEYNEP KORKUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FERAH ÇALIŞIR
- Boya duyarlı güneş pilleri için ftalosiyanin boyaların geliştirilmesi
Development of phthalocyanine dyes for dye sensitive solar cells
YİĞİT CAN DEMİRCİ
- Gemilerde artık ısı sistemlerinin optimum işletilmesi
Optimum operation of waste heat recovery systems
ERDAL GÜLLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN KAMİL SAĞ