MİKROALGLERİN BESİN KAYNAĞI OLARAK DEĞERLENDİRİLMESİ
Prof.Dr.Nazmiye Erdin und Prof. Dr. Ertugrul Erdin
Mavi-yeşil alglerin, evrim sırasında karada toplanan ilk mikroorganizmalar olduğuna inanılır. Bu, yıllar önce meydana gelmiş bir olay kanıtlanmıştır. 1883'de krakatoa Dağının patlamasının büyük bir okyanus alanındaki yaşamı tümüyle yok etmesinden sonra kendi kendine yeniden oluşan ilk mikroorganizma, mavi-yeşil algler olmuştur (Lehninger, 1975).
Mikroalgler çok küçük su bitkileridir; ancak mikroskop altında görülebilirler. Su içinde asılı bulunurlar. Binlerce türüne tatlı sularda ve denizlerde rastlanır.
Yüksek protein içermemsi ve çabuk üremesi mikroalglerin kültürünü yapmaya neden olan özelliklerdir. Bu, otuz yıla yakın zamandan beri çeşitli araştırma enstitülerinde yapılmaktadır.
MİKROALGLERİN BİYOTEKNİK YÖNTEMLERLE ÜRETİMİ
Mikroalglerin ilk kültürü pratik amaçla yapılmıştır. Daha sonra Nobel armağanı kazanmış olan Otto Warburg 1919'da yayınladığı çalışmasında yeşil mikroalg Chlorella'yı yetiştirdiğini bildirmiştir. Pek çok araştırıcı bundan sonra bu tek hücreli bitkilerin özellikleri ve kimyasall bileşimleri ile ilgilenmiştir. Alglerin laboratuvarda yetiştirilmesinde temizliğe özen göstermek gerekir, bir kültür yalnız bir tek alg türü içermeli ve
bakterilerin girmesi önlenmelidir.
Mikroalglerin beslenme amacı ile kullanılması ilk kez, İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra ortaya çıkmıştır. 1950 de Biyolojik Karbon Araştırma İstasyonundan E.E. Meffert, yeşil mikroalglerin açık havadaki su havuzlarında kültür yabancı alglerle kirlenmeden ve başka infeksiyonlarla bozulmadan yetiştirilebileceğini saptamıştır. (Sorder, Meffert ve arkadaşları).
Çeşitli mikroorganizmalar atmosferdeki toz parçaları ile birlikte alglerin üretildiği havuzlara düşerler. Kültür alglerinin yaşam koşulları uygun olmadığı zaman böyle buluşmalar önem kazanır.
Meffert, kısa süre sonra yeşil alg Scenedesmus 276-3 a nın açık alanda büyük miktarda iyi yetiştirildiğini saptadı. Bu tatlı su alg mikroskopta eğilmiş iğ şeklinde hücrelerden oluşmuş küçük koloniler halinde görülür.
Aynı sıralarda İsrail, Japonya ve Amerika'da da mikroalglerin teknik üretimi olanakları araştırılmıştır.
1955'te Tokyo'da dünyaynın ilk chlorella çiftliği meydana getirilmiştir. Bu, çok sayıda yuvarlak alg yetiştirme havuzlarını içeriyordu.
Tokyo'da üretilen mikroalgler çok az sürüm yaptığı için teknik alg üretimi konusundaki araştırmalar bir müddet durmuştur.
1960 dan beri Çekoslovakya'nın Bilim Akademisi Trebon'daki Algalojik Laboratuvarda çeşitli mikroalgler büyük miktarlarda üretilmekmtedir. Bu laboratuvarda geliştirilmiş olan kültür tesislerinde tonlarca Scenedesmus üretilmiştir. Çok kültür tesisinin ilkesi yatık alan esasına dayanılmaktadır.
Güney Sahra'nın yerlilerinin Çat Gölü çevresinnde oluşan Spirulina mavi alglerini güneşte kuruttuktan sonra sebze olarak yediklerinin gözlenmesi sonucu Fransız Petrol Enstitüsü, 1965'den sonra bu mikroalglerin üzerinde araştırmalara başlanmıştır. Güney Fransa, Cezayir, Meksika'daki deneme tesislerinde tatlı su-tuzlu su karışımında yetişen Spirulina alglerinin birim alana vermiş olduğu proteinin çok yüksek olduğu saptanmıştır.
Ticari amaçla üretim, şimdiye kadar yalnız Japonya'da yapılmıştır. Yılda 30 ton Chlorella üretilir. Kilgram 12 DM. Amerika'da 48 DM dır.
Bir Meksika firmamsı, su kültürü amacı ile ve pigment (özellikle B-karoten) akstraksiyonu için günde 1 ton Spirulina tozu üretmektedir. 1976 yılında yıllık kapasite 1500 tona çıkarılmıştır. Mavi alglerden olan Nostoc yalnız Doğu Asya ülkelerinde değil aynı zamanda Peru'da da yenmektedir (Soeder, 1976).
Mikroalglerin teknik üretimi iki ayrı yöntemle yapıllabilir: Temiz su yöntemi ve pis su yöntemi. Temiz su yönteminde belirli kimyasal substratla çalışılır (Pabst. 1975). Bu, atmosfer, karışık ya da heterotrof olarak yapılabilen temiz su yönteminde belirli bir alg türünün temiz kültürü elde edilir. Yabancı organizmaların bulaşmasından kaçınmalıdır. Kültür, kapalı sistemlerde (ferment kültür) ya da açık kültür havuzlarında yapılabilir. Temiz su yönteminin tersine olarak p
is su yöntemi çeşitli türlerde, kesin bilinmeyen besin substratları ile çok zaman alg ve bakterilerin karışık kültürü ile meydana gelir.
OTOTROF TEMİZ YÖNTEMİ
pekil 1'de otottrof yöntemindeki işlemlerin akışı görülmektedir. Mikroalg kültürü uygun koşullarda gelişir. Başlıca sıcaklık, ışıklandırma, besin maddeleri ve mekanik enerji (karıştırmak için) yi içeren bu koşullar alg türüne göre değişir.
Şekil 1 : Mikroalglerin üretiminde ototrof temiz yöntemin akış şeması ve yıllık enerji sarfiyatı (KCal/m
2 olarak)
Alg süspansiyonunda hücre maddesi belirli yoğunluğa eriştikten sonra organizma türüne göre süzme, yumaklaştırma ya da santrifügasyon yolu ile hasat elde edilebilir. (Mohn, 1978). Nemli olan alg kütlesi, saklamak amacı ile kurutulmalıdır. Yoksa hemen hızlı ayrışma olayı başlar. Sterilizasyon yolu ile nemli olarak işlenebilir.
Ototrof temiz yönteme başlıca örnek olarak Dortmund Yöntemi gösterilebilir (özellikle Scenedesmus-kuru tozu elde etmek için) (pekil.2). Açık yuvarlak havuzlarda ya da oluklarda yetiştirilen algler (Scenedesmusm acutus soy. 276.3a), özel geliştirilmiş mineral gübre ile beslenen yaklaşık 15 cm. kalınlığında süspansiyon tabakasından elde edilir. Azot kaynağı olarak üre
Şekil 2 : Açık havada mikroalg
üretimi için Dortmund Yöntemi
ya da amonyak kullanılır. Karbon gereksinimi ticari tüplerle CO
2 verilerek karıştırılır. Karıştırıcı kollarla ya da kovalı tekerleklerle karışma sağlanır. Yeterli yoğunluğa eriştikten sonra süspansiyon pompa yardımı ile santrüfüj verilir, buradan elde edilen alg çökeltisi buharla ısıtılmış kurutma silindirine püskürtülür; bu sırada hücreler patlar ve birbirine yaklaşır, kurutulur. Bu şekilde elde edilen taze, yeşil, gevşek toz hemen hava ve ışık geçirmeyecek şekilde ambalajlanır.
Scenedesmus kültüründen alınan günlük verim, Almanya'da 28 g/m
2, Çekoslovakya'da 35 g/m2 dir. Bulgaristan'da oldukça kuvvetli ışıklandırma (güneşlendirme) koşullarında 43 g/m2 verim alınmıştır (Stengel, 1970).
YUVARLAK HAVUZLAR :
Açık hava kültür yöntemlerinde uygulanan en eski şekil yuvarlak havuzlardır. Bu türün en büyüğü Dortmund'daki betondan yapılmış ve içi plastik ile kaplanmış havuzlardır. Çapları 16 m ve yararlanan alanları 200 m
2 dir. Karıştırma düzeneği 2 devir/dak.lık hızla çalışır. CO2, difüzyon sandığından ilave edilir. Havuzların üstün yanları olduğu gibi kötü yanları da vardrı. Madde alışverişi, besin maddesi yayılması, CO2 nin verilişi gibi havuzlar bu sistemde düzeltilmelidir. Ayrıca inşaat maliyeti de yüksektir. Bu yüzden oluk yöntemi geliştirilmiştir.
YATAK OLUKLAR :
Bu oluklar aslında, alg kültürü için modifiye edilmiş oksidasyon hendeğinden başka bir şey değildir. Toplam kültür sıvısı sonsuz bir hat boyunca sürekli olarak bir yyönde karıştırılır. Olukların üstünlüğünü sağlayan özellikle ise şu şekilde sıralanabilir:
1. İnşaat masraflarının oldukça az olması,
2. Birçok kısmının prefabrik olarak yapılabilmesi,
3. Kültür birimleri için İnşaat ilkelerinin çeşitli büyüklülklerde uygulanabilirliği,
4. Hareketli kısımlarının,
5. Kolay temizlenmesi ve her yanına kolayca erişebilmesi,
6. Asbest çimentosunun ya da plastiklerin kullanılması ile kolay bir inşaat türü olması.
EĞİK ALANLI OLUKLAR
Eğim alan yönteminde algler, ince tabakalarda (ortalama 4 cm) fakat yüksek hücre yoğunluğunda eğik alanda (900 m
2 yararlı alan) üretilirler. Altlık olarak çatı kiremitli gibi sıralanmış cam plakalar ya da plastik plakallar kullanılır. Süspansiyon, bu yüzeylerden aşağı doğru akar. Toplama oluklarında tutulan süspansiyon, pompa ile geri gönderilir. Kısmi akış gaz değiştiricilerden geçirilerek CO2 ce zenginleştirilir. Tabaka kalınlığı az olduğu için hücrelerin yeterli miktarda ışık alması olanağı vardır. Karışma yeknesaktır. Burada sınırlayıcı faktör ise CO2 in yoğun hücreler tarafından çok tüketilmesidir.
HETETROF TEMİZ SU YÖNTEMİ
Bazı mikroalgler uygun substratlarla tamamen heterotof olarak, yani ışıksız koşullarda da üretilebilirler. Chlorella ellipsoidea'nın 50 tonluk büyük fermentörlerde sürekli 30°C de steril kültürü yapılır. Besi ortamında %2-3 oranında bulunan glükoz,, hem enerji hem de C kaynağı olarak, üre ise N kaynağı olarak görev yapmaktadır. 1-3 gün içinde süspansiyonda yüksek hücre yoğunluğuna erişilir (50 g alg kuru maddesi/lt süspansiyon).
İlk santrifügasyondan sonra yıkanmış alg ezmesmi 100°C de kaynatılır ve birçok kez santrifuj edilir. Böylece ekstrakt elde edilir. Nihon Chlorella Co Ltd. firmasının toplam üretimi bir yoğurt firması, Yakult Co.Ltd tarafından satın alınmakta ve her biri 65 ml olan 12 milyon yoğ
urt üretmede kullanılmaktadır. Ekstrakta eşdeğer alg kuru maddesi miktarı yılda 100 tondur.
PİS SU YÖNTEMİ
Temiz su yöntemi ile mikroalgleri üretmede amaç protein, vitamin vb. değerli doğal maddeleri elde etmek iken pis su yönteminin önde gelen amaçları şunlardır:
1. B.O.I.nin doyması için pis suların oksijence zenginleştirilmesi:
(CH2O)+O2 ------ CO2 + H2O
2. Alg üretimi (hayvan yemi olarak kullanmak üzere)
3. Doğal sulara karışması istenmeyen gübre kalıntılarının yok edilm
esi4. Suyun yumuşatılması (Ca ve Mg pH 10 un üzerinde çöktürülür)
Şekil 3 : Mikroalglerin teknik üretimi için pis su yönteminin akış şeması
CO2 üreticisi olarak bakterilerin ve CO2 tüketicisi olarak alglerin birleştirilmesi iklim koşulları uygun ise (sıcaklık -20-30 °C arasında ve ışık var ise) açık havada ideal bir şekilde pis su arıtılmasına da olanak sağlamaktadır (pekil 4).
Şekil 4 : Bakteri- alg karışık kültüründe madde ve enerji akımı
Bu yöntemde kullanılan gölet büyüklüğü 0,4-160 ha arasındadır. Derinliği ise 20-100 cm arasındadır. Asfaltlamak suretiyle toprağa karşı geçirgenliği yok edilmiştir. Bu yöntemle her bir hektarlık alanda 2500-7500 kişinin pis suyu arıtılır.
Göletlerin derinliği pis suyun maksimum arıtılmasına öncelik ve önem verilip verilmemesine bağlıdır. Bu isteniyorsa derinliğin 80-90 cm olması gerekir. İstenmiyorsa maksimum alg verimi için 30 cm derinlik gereklidir.
Temiz yöntemdeki gibi sık sık karıştırmaya gerek yoktur. Işıklandırma süresince karıştırmanın olumsuz etki yaptığı görülmüştür. Çünkü bu sırada karışan çamur parçacıkları alglerin ışık almasına engel olur. Bu yüzden 24 saatte iki kez karıştırılması yeterlidir (Sekoulov, 1972).
Alglerin yeterince çoğalması halinde iki kademeli santrifüjden geçirilerek hasatı yapılır. Güneşte ya da kurutucu silindirde kurutulur.
En ucuz hasat Al2 (SO4)3 ile alkali alalnda (pH 10.5-11.5) yumaklaştırılarak yapılır. Al2 (SO4)3 ise asitlendirme ile tekrar kazanılmaktadır.
Günde 200.000 ton O2 tüketimi 1012 litre kültür hacmindeki pis suyu stabilize etmeye ve 120.000 ton alg elde etmeye yeterlidir.
Çevre koruma açısından pis suların bu yolla arıtılması, aynı zamanda değerli bir madde elde edilmesi açısından çok önemlidir.
MİKROALGLERİN YAPISI VE BİLEpİMİ :
Mikroalglerin bileşiminde bulunan ana madde ham proteindir. Açık havada yetiştirilen alglerin protein içerikleri başka bitkilerinki ile karşılaştırılarak çizelge 1 de verilmiştir.
Çizelge 1 : Alg tültürünün veriminin başka bitkilerinki ile karşılaştırması, Değerler hektar başına yıllık ton olarak verilmiştir.
Kuru Madde Mimktarı Protein
-----------------------------------------------------------
Buğday 3-6
0.4-0.8Mısır 7-18 0.8-2.0
peker pancarı 15-30 1.0-3.0
Soya fasulyesi 6-7 1.8-2.5
-----------------------------------------------------------
Scenedesmus (Dortmund) 25-30 14-16
(Sıcak ülkeler
tahmini değer 70 35-40
Scenedesmusm acutus'un yaklaşık %90'ı aminoasitlerdir (Kraut ve Meffert, 1966). Taylan'da açık alanda yapılan kültürlerde ve Dortmund'da üretilenlerde ortala olarak aynı miktarda ham protein bulunmuştur.
Çizelge 2 : Silindirde kurutulmuş Spirulina maxima ve Scenedesmusm acutus'un bileşimi ve karşılaştırmak için soya fasulyesindeki değerler (kuru madde yüzdesi
olarak)(Soeder,, 1979).
----------------------------------------------------------------
Bileşkenler Scenedesmums Spirulina Soya fasulyesi
----------------------------------------------------------------
Ham protein 50-56 56-62 34-40
Su 4-8 10 7-10
Lipidler 12-14 2-3 16-20
Karbonhidratlar 10-17 16-18 19-35
Ham elyaf 3-10 7 3-5
Kül miktarı 6-10 ? 4-5
-----------------------------------------------------------------
Çizelge 3 : Scenedesmus 276 3a (iki ayrı laborutuvarda bulunan değerler) nın aminoasitlerinin soya ve inek sütü proteini ile karşışlaştırılması. Değerler 16 g N da gram olarak verilmiştir.
------------------------------------------------------------------
Amino asit süt soya Scenedesmus
A B
------------------------------------------------------------------
Glisin ? ? 6.0 6.3
Alanin ? ? 8.9 9.3
Valin 7.0 5.2 7.2 6.2
Leusin 9.9 8.4 9.3 8.6
İzoleusin 6.4 5.3 4.4 3.2
Treonin 4.5 4.4 5.2 4.8
Serin ? ? 3.5 3.5
Metionin 2.5 1.7 1.4 1.4
Sistin-isistin 0.9 1.8 0.8 1.0
Fenilalanin 4.8 5.8 4.6 3.9
Tirosin 5.1 3.7 3.6 2.8
Triptofan 1.4 1.3 1.4 1.4
Lisin 7.7 5.6 5.7 5.3
Histidin 2.6 2.5 1.5 1.7
Arginin 3.5 7.0 5.6 5.8
Asparagin asiti ? ? 8.4 8.6
Glutamin asiti ? ? 10.5 10.2
Prolin ? ? 5.6 6.6
-------------------------------------------------------------------
Açıkta yetiştirileln Scenedesmus acutus ve Spirulina Plantesis toplam ola
rak % 4.0 + 0.5 nüklerik asit içerir.
Mikroalglerin şimdiye kadar bilinen vitamin içerikleri genel olarak sebze ve meyvalarınkinden daha çoktur (Çizelge 4); yalnız silindirle kurutma sırasında askorbik asit parçalanır. Scenedesmus acutus'un her kilogramın
da ortalama olarak 24 g (16-33 g) toplam klorofil; 4.5 g (3, 3-6 g) toplam karotenoid (bunun 0.8 g ß-karotendir) buunur.Çizelge 4 : Silindirde kurutulmuş 276-3 a nın vitamin içeriği ve ekmek mayası ve taze ıspanak ile karıştırılması (100 g
kuru maddede miligram vitamin olarak
-------------------------------------------------------------------
Vitamin Scenedesmus Ekmek mayası Ispanak
-------------------------------------------------------------------
Tiamin (B1) 1.0-2.4 1.6-8.9 0.7-1.9
Riboflavin (B2) 2.5-5.9 2.5-11.1 2.6-4.1
Pantotenik asit 1.2 5.6-26.0 4.2-4.4
Niasin 7.3-17.6 28 - 148 6.8-9.9
Kabalamin (B12) 0.02-0.06 ? ?
Tokoferol 11.0-18.0 0 2.7-8.2
-------------------------------------------------------------------
Koyu yeşil renkte olan Scenedesmus kuru tozu, temiz ve özürsüz olması halinde ıspanak gibi lezzetlidir. Alg türleri arasında bariz bir tat farkı vardır.
Scenedesmus acutus insanlar için nitelik bakmından en iyi bitkisel protein kaynağıdır. Bir yetişkin insanın protein gereksinimini karşılamak için günde 60-80 g iyi hazırlanmış mikroalg yeterlidir.
Peru ve Taylan'da günde insan başına 15 g Scenedesmus (kuru madde) düşmektedir.
Akut protein eksikliği hastalıklarında Scenedesmus acutus'un besin olarak verilmesi olumlu sonuç vermiştir. (Payer ve arkadaşları 1973).
Pis su alglerinden hayvan beslemede yararlanmak için İsrail'de arıştırmalar yapılmaktadır. Kullanılmadan önce toksilojik sakıncası olup olmadığı açıklığa kavuşturulmalıdır.
TOKSİKOLOJİK AÇIDAN DEĞERLENDİRMELERİ :
Nükleik asitlerin yapı taşı olan pürinler besin maddelerinde bulunurlar. İnsanda pürin ayrışmasının son ürünü üre'dir.
Eğer pürince zengin bir besin maddesinden ileri gelen kandaki ürik asit, standart düzeyi 50-6.5 mg/100 ml serum) aşarsa böbrek taşı oluşabilir ya da başka hastalıklara neden olabilir. Kuru maddesinde %4 nükleik asit içeren mikroalgler, mayalara (%11) ve ürik asit tehlikesini getirecekler midir? Avrupa'da yapılan deneylerde 40 g Scenedesmus kuru maddesinin kandaki ürik asit kons
antrasyonunu anormal arttırdığı görülmemiştir (Müller-Wecker ve arkadaşları 1973). Sıcak ülkelerde ise sınır değerler yerel koşullara göre belirlenmelidir. Eğer nükleik asit miktarı zararlı düzeyde ise ribonükleazların ısısal aktive edilmesi ile bunun azaltılması olanağı vardır. Aynı yöntem mayalarda da uygulanmış ve iyi sonuç alınmıştır.
ZARARLI MADDELERİN BİRİKİMİ :
Burada sözü edilen zararlı maddeler, bir yandan Cd gibi toksik mineral maddeleri, diğer yandan da polisiklik hidrokarbonlar gibi organik bileşikleri ve biyositleri kapsamaktadır. Zararlı madde bulaşmasına neden olan kaynaklar havadaki gaz halinde bulunan kirleticiler ve besin maddesinden ya da sudan besi çözeltisine geçen kirliliklerdir. Alglerin zararlı madde kontaminasyonuna etki eden dış
etmenler ise genel olarak şunlardır: Kirleticilerin yükü, kültür süresi, sıcaklık ve ışık şiddetleri
Çizelge : Dortmund ve Tayland da yetiştirilen mikroalgler ile Almanya'da yetiştirilen sebzelerde ve yapraklarında bulunan bazı zararlı madde miktarlarının ortalamaları (Payer, 1975).
-----------------------------------------------------------------
Zararlı Maddeler Mikroalgler Sebze ve
Dortmund Tayland Yaprakları
-----------------------------------------------------------------
Kurşun (mg/kg kuru madde) 37 6 3-20
Kadmium " " 2.3 0.4 1-3
3,4-Benz pren (mg/kg
kuru madde) 39 1.4 10-20
Floranten " " 444 91 100-400
-----------------------------------------------------------------
TOKSİKOLOJİK GÜVENCE TESTİ :
Yeni protein kaynaklarının toksikolojik açıdan sakıncasız olduğunu ortaya koymak için birçok yöntem ele alınmış ve araştırılmıştır. Bazı hayvan türlerinde olumlu sonuçlar alınmış (Pabst, 1978; Pabst ve arkadaşları 1978) olsa bile diğer hayvan türlerine, hele insanlara hemen uygulanması olanaksızdır. En iyi şekil, bu yeni protein kaynaklarının evcil hayvanların beslen
mesinde kullanılması ve geniş düzeyde kullanılabilirliğinin güvenceli olarak ortaya konmasıdır.
Deneyler sırasında ayrıca şuna da dikkat etmek gerekir: acaba deney hayvanları tarafından sindirilemeyen alg maddeleri organlarda yığılmakta mıdır?
SONUÇ :
ELde edilen rakkamlar ve deneyler göstermektedir ki şimdiye kadar analizlenen mikroalglerin içerikleri ham protein miktarı, beslenmedeki yeri ve kalitesi bakımından ilgi çekicidir.
Yalnız insanların ve evcil hayvanların beslenmesinde sınırsız kullanılmasını önermeden önce, toksik sakıncasının olmadığının yeterince açık olması gerekmektedir. Bu durum, gittikçe kirlenen ve çevre sorunları artan dünyamızda öncelikle açıklığa kavuşturulmalıdır.
Protein açığı olan az gelişmiş üllkelerde mikroalg teknolojisi yolu ile ve oldukça az bir teknik yatırımla bir köyün protein gereksinimini karşılayacak miktarda proteince zengin biyomas elde etmek olanağı vardır.
Tayland'da 1973 yılında yapılan bir araştırmaya göre 1 kg. kuru mikroalg üretiminin maliyeti 3.10 DM'dır. Tesisin yıllık kapasitesi ise 500 ton'dur.
Pis sulardan elde edilecek mikroalglerin balık unu, soya taneleri ya da öteki hayvan yemleri ile rekabet edebilecek düzeye erişmesi yerinde olur.
Pis sularda mikroalg üretiminin ikinci bir yararı da suyun arttırılmasıdır. Bu su da tarım ya da su kültürü amacı ile kullanılabilir.
YARARLANILAN KAYNAKLAR