Fermantasyon

Fermantasyon, belirli mikroorganizmaların ve hücrelerin; oksijen yokluğunda karbonhidratlardan veya diğer organik substratlardan enerji elde ettiği, glikoliz yoluyla glikozun kısmi oksidasyonunu takiben NAD⁺’ı yeniden üretmek için alternatif yolakların izlendiği ve etanol, laktik asit veya karbondioksit gibi ürünlerin ortaya çıktığı metabolik bir süreçtir.^[1]^[2] Bu anaerobik katabolizma, elektron taşıma zincirini atlayarak aerobik solunumdan ayrılır; bu durum glikoz başına tipik olarak iki molekül gibi çok daha düşük ATP verimiyle sonuçlansa da, doğada ve endüstride yaygın olan oksijen kısıtlı ortamlarda hayatta kalmayı mümkün kılar. Temel türler arasında; pirüvatı etanol ve CO₂’ye dönüştüren mayaların baskın olduğu alkol fermantasyonu ve bakterilerin pirüvatı laktata indirgediği, her biri belirli ekolojik nişlere ve insan uygulamalarına göre uyarlanmış laktik asit fermantasyonu yer alır.^[3]

Tarihsel olarak fermantasyon, M.Ö. 7000’e tarihlenen mayalanmış içeceklerin arkeolojik kalıntılarıyla kanıtlandığı üzere, bilimsel kavrayıştan önce gelen ampirik bir ustalıkla, eski gıda koruma ve alkol üretiminin temelini oluşturmuştur.^[4] En önemli ilerleme, 19. yüzyılın ortalarında Louis Pasteur’ün deneyleriyle gelmiştir; Pasteur, fermantasyonun sadece kimyasal bozunmadan değil, belirli mikropların yaşamsal faaliyetlerinden kaynaklandığını göstermiş, böylece kendiliğinden oluşum (spontane jenerasyon) teorisini çürütmüş ve mikrobiyolojiyi yaşayan ajanların nedensel etkisine dayanan bir disiplin olarak başlatmıştır.^[5]^[6] Pasteur’ün içgörüleri, istenmeyen bakterileri seçici olarak ortadan kaldırırken arzu edilen mayaları koruyarak şarap ve biradaki bozulmayı engellemek için pastörizasyon gibi pratik müdahalelere kadar uzanmıştır.^[7]

Çağdaş bağlamlarda fermantasyon; Saccharomyces cerevisiae yoluyla biyoyakıt etanol üretiminden, fungal metabolizma yoluyla penisilin gibi antibiyotiklerin farmasötik sentezine kadar çeşitli endüstriyel süreçleri yönlendirmekte, mikrobiyal biyokimyayı insan amaçları için kullanmadaki ölçeklenebilirliğini ve çok yönlülüğünü vurgulamaktadır.^[8]^[9] Koruma ve enerjinin ötesinde, biyoaktif bileşikler ve vitaminler üreterek fermente gıdaların besin profillerini geliştirir; ancak etkinlik, mikrobiyal suşlara ve substratlara göre değişir ve anekdot niteliğindeki iddialar yerine titiz ampirik doğrulama gerektirir.^[10]^[11]

Temel Esaslar

Tanım

Fermantasyon; maya ve bakteriler gibi belirli mikroorganizmaların ve bazı ökaryotik hücrelerin, organik substratları (tipik olarak glikoz gibi karbonhidratları) alkoller, organik asitler veya gazlar gibi daha basit son ürünlere dönüştürdüğü ve anaerobik koşullar altında enerji için sınırlı miktarda adenozin trifosfat (ATP) ürettiği metabolik bir süreçtir.^[12]^[13] Bu süreç, glikozun pirüvata oksitlendiği, glikoz molekülü başına iki molekül ATP ve iki molekül NADH üreten glikoliz ile başlar.^[14]

Oksijenin yokluğunda fermantasyon, aerobik solunumdaki gibi harici bir inorganik alıcı yerine organik molekülleri elektron alıcısı olarak kullanarak pirüvatı veya türevlerini indirgeyerek NADH’den NAD⁺’ı yeniden üretir.^[15] Bu NAD⁺ geri dönüşümü, glikolizi sürdürerek glikoz başına net iki ATP molekülü kazanç sağlar; bu, tam aerobik oksidasyondaki yaklaşık 30-32 ATP’ye kıyasla düşüktür.^[12] Yaygın son ürünler arasında mayada etanol ve karbondioksit veya belirli bakterilerde ve kas hücrelerinde laktat bulunur; bu ürünler spesifik fermantasyon türlerini ayırt eder.^[16]

Biyokimyasal olarak fermantasyon, elektron taşıma zinciri olmaksızın ATP üretimi için substrat düzeyinde fosforilasyonun temel özelliğini paylaşan çeşitli yolakları kapsar.^[17] Oksijen kısıtlı ortamlarda hayatta kalmayı sağlar ancak enerjetik olarak solunumdan daha az verimlidir; bu durum, yaklaşık 2,4 milyar yıl önceki atmosferik oksijenlenmeden öncesine dayanan eski bir adaptasyon olma rolünü yansıtır.^[4]

Biyolojik Rol ve Yaygınlık

Fermantasyon, oksijen veya diğer harici elektron alıcıları mevcut olmadığında substrat düzeyinde fosforilasyon yoluyla ATP üretimini mümkün kılan, çeşitli organizmalarda temel bir anaerobik metabolik süreç olarak işlev görür. İndirgenmiş kofaktörleri (NADH gibi) laktat veya etanol gibi organik son ürünler aracılığıyla tekrar NAD⁺’a oksitleyerek glikolizi sürdürür ve glikoz molekülü başına net iki ATP molekülü kazanç sağlar. Bu mekanizma, tortular, hayvan bağırsakları ve derin yeraltı ortamları gibi oksijenden yoksun nişlerde yaşayan ve karbonhidratları veya amino asitleri katabolize ederek büyümeyi destekleyen zorunlu anaeroblar için kritiktir.^[18]^[12]

Çok hücreli organizmalarda fermantasyon, geçici oksijen kıtlıkları sırasında tamamlayıcı bir rol oynar; örneğin, omurgalılardaki iskelet kası hücreleri yoğun egzersiz sırasında laktik asit fermantasyonuna geçerek, NAD⁺’ı yeniden üretmek ve glikolitik duraksamayı önlemek için laktat biriktirir, ancak bu durum daha sonra aerobik metabolizma yoluyla çözülen bir oksijen borcu oluşturur. Su baskını altındaki pirinç gibi bazı bitkiler, köklerdeki anoksiyi tolere etmek ve toksik metabolit birikimini önlemek için etanol fermantasyonunu kullanır. Bu adaptasyonlar, enerji ihtiyaçlarını yan ürün toksisitesine karşı dengeleyen fakültatif anaeroblarda fermantasyonun faydasını vurgular.^[12]^[4]

Fermantasyon, Bakteriler, Arkeler ve Ökaryotları kapsayan mikrobiyal uygulayıcılarla anaerobik ortamlarda her yerde mevcuttur; prokaryotlarda Firmicutes (örn. Clostridium) ve Bacteroidetes gibi anaeroblar arasında baskınken, bazı Arkeler karışık asit fermantasyonları gerçekleştirir. Ökaryotik örnekler arasında etanol üretimi için mayalar (Saccharomyces) ve düşük oksijenli habitatlarda protozoa bulunur. Karbonhidratların bolluğu ve fermantasyonun topraklardan bağırsaklara kadar hemen hemen tüm anaerobik ekosistemlerde gerçekleşmesi göz önüne alındığında, dağılımı, oksidatif fosforilasyon yapamayan sayısız tür tarafından kullanılan, aerobik solunumdan önce gelen eski ve korunmuş bir stratejiyi yansıtır.^[4]^[19]

Biyokimyasal Mekanizmalar

Yolaklara Genel Bakış

Fermantasyon yolakları, sitoplazmada bir molekül glikozu iki molekül pirüvata dönüştüren ve net iki ATP ile iki NADH üreten Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) yolu, yani glikoliz yoluyla glikozun anaerobik katabolizması ile başlar.^[20] Bu evrensel başlangıç evresi, oksijen olmadan elektron taşıma zinciri kullanılamadığından ve glikolizi sürdürmek için NADH’nin yeniden oksidasyonu için alternatif mekanizmalar gerektirdiğinden, aerobik solunuma kıyasla sınırlı enerji sağlar.^[21] Bakteriler ve mayalar dahil olmak üzere çoğu fermente edici organizmada pirüvat, elektronları organik alıcılara transfer ederek NAD⁺’ı yeniden üreten ve asitler, alkoller veya gazlar gibi karakteristik son ürünler üreten farklı yollar için dallanma noktası görevi görür.^[4]

Bu glikoliz sonrası adımların temel amacı NAD⁺ rejenerasyonudur; çünkü tükenen NAD⁺, gliseraldehit-3-fosfat dehidrojenazın NAD⁺’a bağımlılığı nedeniyle glikolizi durduracaktır.^[22] Örneğin, laktik asit fermantasyonunda pirüvat, laktat dehidrojenaz tarafından doğrudan laktata indirgenir ve pirüvatın ötesinde net karbon kaybı olmaksızın NADH’yi NAD⁺’a oksitler. Alkolik fermantasyonda pirüvat, önce pirüvat dekarboksilaz tarafından CO₂ salınımıyla asetaldehite dekarboksile edilir, ardından alkol dehidrojenaz yoluyla etanole indirgenir.^[20] Bu süreçler glikolizin ötesinde ek ATP sağlamaz ancak bazı anaeroblarda oksidatif fosforilasyondan 100 kat daha hızlı ATP üretim oranlarına izin vererek verimlilik yerine hıza öncelik verir.^[21]

Taksonlar arasında varyasyonlar mevcuttur; Lactobacillus türleri gibi homofermentatif bakteriler sadece EMP yolunu kullanır ve glikozdan neredeyse stokiyometrik olarak laktat üretir. Heterofermentatif suşlar ise fosfoketolaz yolunu veya Entner-Doudoroff yolunu kullanabilir ve daha düşük ATP verimliliği (Entner-Doudoroff ile glikoz başına bir ATP) ile CO₂, etanol ve asetat gibi çeşitli ürünler verebilir.^[4] Klostridya’daki bütirat veya propiyonat üretimi dahil olmak üzere diğer fermantasyonlar, spesifik ekolojik nişlere adaptasyonları yansıtan ek asetil-CoA ara maddelerini ve hidrojen gazı çıkışını içerir.^[20] Bu yolaklar, anaerobiyoz altında redoks dengesi ve enerji korunumu açısından fermantasyonun rolünü vurgular; son ürünler genellikle mikrobiyal inhibisyon için asidifikasyon gibi seçici avantajlar sağlar.^[4]

Etanol Fermantasyonu

Alkolik fermantasyon olarak da adlandırılan etanol fermantasyonu, glikozun veya diğer heksoz şekerlerinin etanol ve karbondioksite dönüştürüldüğü, oksijen olmadan ATP üretimine izin veren anaerobik bir metabolik yolaktır.^[12] Bu süreç ağırlıklı olarak, gerekli enzimlere sahip olan Saccharomyces cerevisiae gibi mayalarda gerçekleşir, ancak Zymomonas mobilis gibi bazı bakteriler de farklı mekanizmalarla bunu gerçekleştirebilir.^[23] Net reaksiyon C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ şeklindedir ve bir glikoz molekülünün iki etanol ve iki karbondioksit molekülüne dönüşümünü yansıtır.^[24]

Yolak, iki pirüvat molekülü, substrat düzeyinde fosforilasyon yoluyla net iki ATP kazancı ve gliseraldehit-3-fosfatın oksidasyonundan iki NADH sağlayan glikoliz ile başlar.^[12] Anaerobik koşullar altında pirüvat, pirüvat dekarboksilaz tarafından katalize edilen dekarboksilasyona uğrayarak asetaldehit üretir ve yan ürün olarak CO₂ salar; bu enzim kofaktör olarak tiamin pirofosfat gerektirir.^[24] Asetaldehit daha sonra alkol dehidrojenaz (ADH) tarafından etanole indirgenir; bu işlem NADH’yi tekrar NAD⁺’a oksitleyerek sürekli glikoliz için gerekli elektron alıcısını yeniden üretir.^[25] Bu NAD⁺ rejenerasyonu, aksi takdirde termodinamik kısıtlamalar nedeniyle yukarı akış glikolitik akışını durduracak olan NADH birikimini önler.^[12]

Süreç, glikoz molekülü başına sadece iki ATP verir; bu, aerobik solunumdan elde edilen yaklaşık 30-32 ATP’den çok daha azdır ve sürecin maksimum verimlilikten ziyade oksijen kısıtlı ortamlarda enerji korunumu için adaptif bir mekanizma olma rolünü vurgular.^[12] S. cerevisiae‘de ADH, fermantatif indirgemeyi kolaylaştıran ADH1 ve yeniden kullanım için aerobik koşullar altında etanol oksidasyonunu sağlayan ADH2 olmak üzere birden fazla izozimde bulunur.^[26] Fermantasyon yapan organizmalardaki etanol toleransı verimi sınırlar; çünkü %12-15’in üzerindeki konsantrasyonlar tipik olarak membran bütünlüğünü ve enzim fonksiyonunu bozarak maya canlılığını engeller.^[23] Bu yolağın geri döndürülemezliği, hücreleri bir kez başlatıldığında etanol üretimine mecbur bırakan egzergonik dekarboksilasyon adımından kaynaklanır.^[24]

Laktik Asit Fermantasyonu

Laktik asit fermantasyonu, glikozun laktik aside dönüştürüldüğü ve glikolizi sürdürmek için nikotinamid adenin dinükleotidin (NAD⁺) yeniden üretildiği anaerobik bir metabolik süreçtir.^[21] Bu yolakta, glikolizden üretilen pirüvat, laktat dehidrojenaz enzimi tarafından NADH elektron vericisi olarak kullanılarak laktata indirgenir: pirüvat + NADH + H⁺ → laktat + NAD⁺.^[1] Bu reaksiyon, oksijen kısıtlı koşullar altında sürekli ATP üretimine izin verir ve glikolizde substrat düzeyinde fosforilasyon yoluyla glikoz molekülü başına net 2 ATP molekülü sağlar.^[27]

Süreç, öncelikle Lactobacillus, Leuconostoc, Pediococcus ve Streptococcus gibi cinsleri içeren laktik asit bakterileri (LAB) tarafından yürütülür.^[28] Bu Gram-pozitif, aside toleranslı mikroorganizmalar anaerobik ortamlarda gelişir ve yoğurt, peynir, lahana turşusu ve kimchi gibi gıdaları koruyan asitleşmeden sorumludur.^[29] İnsan fizyolojisinde, iskelet kası hücreleri de oksijen talebinin arzı aştığı yorucu egzersiz sırasında laktik asit fermantasyonu gerçekleştirir, bu da laktat birikimine ve geçici asidoza yol açar.^[12]

Laktik asit fermantasyonu iki ana varyantta gerçekleşir: homolaktik ve heterolaktik. Lactobacillus delbrueckii ve Streptococcus thermophilus gibi türlerde baskın olan homolaktik fermantasyon, glikozdan sadece laktik asit üretir; bu işlem Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) glikolitik yoluyla ve genel denklem C₆H₁₂O₆ → 2 CH₃CH(OH)COOH + 2 ATP ile gerçekleşir.^[30] Leuconostoc mesenteroides ve bazı Lactobacillus suşlarında görülen heterolaktik fermantasyon, fosfoketolaz yolunu kullanır; laktik asit, etanol, karbondioksit ve bazen asetat üretir, daha düşük ATP verimliliğine (glikoz başına 1 ATP) ve C₆H₁₂O₆ → CH₃CH(OH)COOH + C₂H₅OH + CO₂ + ATP denklemine sahiptir.^[31] Bu ayrım, heterolaktik bakterilerin pentozlar gibi çeşitli substratları kullanmasını sağlayan metabolik esneklikten kaynaklanır.^[32]

Temel düzenleyici faktörler arasında pH toleransı (LAB, hücre dışı asitleşmeye rağmen proton pompaları aracılığıyla iç homeostazı korur) ve türe göre değişen sıcaklık optimalleri (örn. 30–40°C’de mezofilik Lactobacillus plantarum, 45°C’nin üzerinde termofilik Lactobacillus helveticus) bulunur.^[28] Yolağın verimliliği, oksidatif fosforilasyon olmaksızın hızlı NADH geri dönüşümünden kaynaklanır, ancak bu durum aerobik solunuma kıyasla enerji verimini sınırlar.^[21] Endüstriyel bağlamlarda, optimize edilmiş anaerobik koşullar altında 140 g/L’ye varan konsantrasyonlara ulaşan yüksek verimli laktik asit üretimi için homolaktik suşlar tercih edilir.^[33]

Diğer Fermantasyonlar

Karışık asit fermantasyonu, Escherichia coli ve diğer Enterobacteriaceae gibi fakültatif anaeroblarda gerçekleşir; burada glikoz anaerobik olarak organik asitlerin (esas olarak asetat, laktat ve süksinat) ve etanol, format, CO₂ ve H₂ gibi nötr ürünlerin bir karışımına metabolize edilir.^[34]^[35] Bu yolak glikolizden dallanır; pirüvat, laktat dehidrojenaz, pirüvat format-liyaz (format ve asetil-CoA verir) ve asetat üretimi için fosfotransasetilaz-asetat kinaz dahil olmak üzere birçok yolla dönüştürülür; süksinat, fosfoenolpirüvat karboksilaz ve fumarat redüktaz kullanan trikarboksilik asit döngüsünün indirgeyici dalından kaynaklanır.^[35] Glikozdan tipik molar oran yaklaşık 0,8 asetat, 0,5 laktat, 0,3 süksinat, 0,4 etanol ve 0,7 formattır; bu, solunumdan daha az ATP üretirken (glikoz başına net 2 ATP) oksijen olmadan NAD⁺ rejenerasyonunu sağlar.^[35] Bu fermantasyon, anaerobik bağırsak ortamlarında hayatta kalmayı destekler, ancak bakterilerin pH homeostaz mekanizmalarıyla tolere ettiği asidik koşullar yaratır.^[36]

Clostridium tyrobutyricum ve diğer Clostridium türleri gibi zorunlu anaeroblar tarafından gerçekleştirilen bütirik asit fermantasyonu, glikoz gibi karbonhidratları birincil ürünler olarak bütirat, asetat, CO₂ ve H₂’ye dönüştürür.^[37] Yolak, asetil-CoA’dan asetoasetil-CoA, krotonil-CoA ve bütiril-CoA ara maddeleriyle ilerler; bütirat, bütiril-CoA:asetat CoA-transferaz (geri dönüşümlü, düşük pH’ta bütiratı destekler) veya fosfotransbütirilaz ve bütirat kinaz (geri dönüşümsüz) yoluyla oluşur.^[38] Verimler, optimize edilmiş koşullar altında glikoz gramı başına 0,4–0,5 g bütirata ulaşabilir, fazla asetil-CoA’dan yan ürün olarak asetat elde edilir; hidrojenaz aktivitesi H₂ üretimini ferredoksin indirgemesine bağlayarak redoks dengesini etkiler.^[39] Tarihsel olarak silaj bozulmasıyla bağlantılı olan bu süreç, bütiratın asetattan daha yüksek enerji yoğunluğu nedeniyle biyoyakıt öncüleri için endüstriyel potansiyele sahiptir.^[40]

Clostridium acetobutylicum gibi solventojenik klostridyalar aracılığıyla gerçekleştirilen aseton-bütanol-etanol (ABE) fermantasyonu, nişastayı veya şekerleri iki fazlı olarak dönüştürür; ilk asidojenik fazda asitlere (asetat, bütirat) ve ardından asitlerin yeniden asimilasyonu ve asetoasetat dekarboksilaz ve bütanol dehidrojenaz gibi solventojenik enzimler aracılığıyla solvent üretimine (bütanol ~%70, aseton ~%25, etanol ~%5) geçer.^[41]^[42] Kesikli işlemlerde glikoz 20–25 g/L’ye kadar toplam solvent verir, bütanol 12–15 g/L’nin üzerinde büyümeyi engeller; yolak, asetoasetil-CoA oluşumu için tiyolaza ve solvent oluşumu için CoA-transferazlara dayanır, sporülasyon ipuçları fazları değiştirirken glikoz başına yaklaşık 2 ATP netleştirir.^[43] 20. yüzyılın başlarında endüstriyel olarak geliştirilen ABE, 1940’lardan sonra petrokimya rekabeti nedeniyle gerilemiş ancak biyoyakıtlar için yeniden canlanmıştır; genetik mühendisliği bütanol titrelerini 18–20 g/L’ye çıkarmıştır.^[44]

P. freudenreichii gibi Propionibacterium türleri tarafından yürütülen propiyonik asit fermantasyonu, Wood-Werkman yolu (metilmalonil-CoA mutaz ve propiyonil-CoA karboksilaz içeren) veya akrilat yolu aracılığıyla laktatı veya şekerleri kullanır; laktattan 2:1:1 molar oranda propiyonat, asetat ve CO₂ verir.^[45] Glikozdan net reaksiyon C₆H₁₂O₆ + 2 H₂O → 2 propiyonat + 2 asetat + CO₂ + 3 H₂ şeklindedir; biyotine bağımlı karboksilazlar C3 uzamasını sağlar; optimum pH 6–7 ve 30–35°C sıcaklıklar, substrat gramı başına 0,5–0,6 g propiyonat verimini destekler.^[46] Anahtar adımlarda B₁₂ vitaminine bağımlı olan bu anaerobik süreç, peynir olgunlaşmasının (örn. İsviçre peyniri delikleri CO₂’den) temelini oluşturur ve gıda koruyucuları için biyoteknolojik uygulamalara sahiptir; beslemeli kesikli stratejiler ürün inhibisyonunu azaltır.^[47]

Diğer varyantlar arasında; Klebsiella pneumoniae gibi enterobakteriler tarafından gerçekleştirilen, α-asetolaktat sentaz yoluyla pirüvattan bütandiol, asetoin ve laktat üreten, düşük toksisitesi ve kimyasal öncü potansiyeli ile değer verilen 2,3-bütandiol fermantasyonu yer alır.^[48] Clostridium kluyveri tarafından gerçekleştirilen kaproik asit fermantasyonu, etanol ve asetattan yağ asidi zincirlerini heksanoata uzatarak orta zincirli karboksilat platformlarını destekler.^[34] Bu yolaklar, Firmicutes ve Actinobacteria’yı kapsayan filogenetik dağılımla, anoksik nişlerdeki mikrobiyal enerji ekstraksiyonunu çeşitlendirir.^[37]

Tarihsel Gelişim

Antik ve Endüstri Öncesi Kullanımlar

Arkeolojik kanıtlar, insanların M.Ö. 7000 gibi erken bir tarihte Çin’in Jiahu bölgesinde fermente içecekler ürettiğini göstermektedir; çömlek kaplarındaki kalıntılar, pirinç, bal ve alıç meyvesi veya üzümden oluşan karışık bir içkiyi ortaya koyarak alkollü içecekler için fermantasyonun belgelenmiş en eski kullanımlarından birini işaret etmektedir.^[49] Bu uygulama muhtemelen depolanan meyve ve tahılların doğal bozulmasından ortaya çıkmış, Neolitik yerleşimlerde koruma ve besin artışını sağlamıştır.^[3]

Mezopotamya’da, M.Ö. 5000–4000 civarında, avcı-toplayıcılar kısmen bira üretimi yoluyla yerleşik tarıma geçmiş, arpa ve gernik buğdayını Sümerlerin günlük olarak “sıvı ekmek” olarak tükettiği besin açısından zengin bir temel gıdaya fermente etmişlerdir; M.Ö. 1800’e ait çivi yazılı tabletlerdeki tarifler, başlatıcı olarak pişmiş ekmek kullanarak parti başına 20 litreye kadar üretim belirtmektedir.^[50] Mısırlılar bu yöntemleri M.Ö. 3000’e kadar uyarlamış, gernik ve arpadan kaynatmadan daha hafif biralar üretmiş, %2–5 alkol içeriğine ulaşmış ve bunu ücretlere, ritüellere ve tıbba entegre etmiştir; mezar kabartmalarında işçilerin günde 4–5 litre aldığı tasvir edilmiştir.^[51]

Şarap üretimi, Güney Kafkasya’da M.Ö. 6000 civarında bağımsız olarak ortaya çıkmıştır; Gürcistan’daki Gadachrili Gora gibi yerlerde üzüm presleri, kavanozlar ve kalıntı analizleri ile kanıtlanan büyük ölçekli fermantasyon, köylülerin gömülü qvevri kaplarında saklamak üzere yılda binlerce litre işlemesini sağlamış, bu da M.Ö. 4000’e kadar Yakın Doğu’da ticaret ve törensel kullanımı kolaylaştırmıştır.^[52] Akdeniz’de Yunanlılar ve Romalılar bağcılığı geliştirmiş, M.Ö. 1400’den itibaren metinlerde belgelenen amfora yıllanmış şaraplar gibi çeşitler üretirken; zeytin, balık sosları (garum) ve sebzeler tuzlama ve laktik asit süreçleriyle fermantasyon yoluyla korunmuştur.^[53]

Süt fermantasyonu en az M.Ö. 10.000’e kadar uzanmaktadır; Orta Asya ve Yakın Doğu’daki göçebe çobanlar, çömleklerdeki lipit kalıntılarından anlaşıldığı üzere, sütü yabani laktobasiller yoluyla doğal olarak yoğurt benzeri ürünlere ekşitmişlerdir; M.Ö. 5000’e gelindiğinde Mezopotamyalılar ve Mısırlılar, hayvan midelerinden elde edilen peynir mayasını kullanarak sütü peynire dönüştürmüş, endüstri öncesi diyetlerde kişi başına yılda 1–2 kg’a kadar tüketilen yumuşak peynir altı suyu peynirleri gibi saklanabilir formlar elde etmişlerdir.^[54] Yabani mayalarla ekmek kabartma M.Ö. 1500’de Mısır’da ortaya çıkmış, ekşi hamur başlatıcıları gernik buğdayından kabarmış somunlar elde edilmesini sağlamıştır; bu teknik Avrupa’ya yayılmış ve burada ortaçağ fırıncıları, suşları izole etmeden tutarlı kabarma için kültürleri sürdürmüşlerdir.^[55]

Dünya genelinde endüstri öncesi toplumlar gıda güvenliği için fermantasyona güvenmişlerdir; Asya pirinç şarapları (örn. M.Ö. 300’de Japonya’da sake öncüleri) ve M.Ö. 1000’de Çin’de miso gibi soya fermentleri veya 10. yüzyıl metinlerinde belgelenen lahana lakto-fermantasyonundan elde edilen Avrupa lahana turşusu, soğutmanın olmadığı dönemlerde patojenleri engellemek ve raf ömrünü uzatmak için anaerobik mikroplardan yararlanmıştır.^[56] Ampirik ve bölgeye özgü bu yöntemler, bozulabilir gıdaları istikrarlı, biyoyararlanımı yüksek gıdalara dönüştürerek nüfus artışını desteklemiş, ancak pastörizasyon olmadan kontaminasyon riskleri devam etmiştir.^[57]

Bilimsel Temeller (19. Yüzyıl)

19. yüzyılın başlarında fermantasyon büyük ölçüde kimyasal bir mercekten inceleniyordu; Joseph Louis Gay-Lussac gibi bilim insanları 1810’da alkolik fermantasyonun stokiyometrisini açıklığa kavuşturmuş, maya ekstraktını katalizör olarak tanımlamış ancak süreci biyolojik aktiviteden ziyade abiyotik bozunmaya bağlamışlardır.^[58] Bu bakış açısı, mikroskobik gözlemler buna meydan okuyana kadar baskın kaldı.

Theodor Schwann’ın 1837’deki deneyleri, maya hücrelerinin şekerin alkol ve karbondioksite alkolik fermantasyonuna doğrudan neden olan canlı organizmalar olduğunu göstererek önemli bir değişime işaret etti.^[59] Schwann, mikropları öldürmek için şeker çözeltilerini kaynattı, ardından bunları havadaki partiküllerden arındırılmış filtrelenmiş havaya maruz bıraktı ve maya girişi olmadan fermantasyonun gerçekleşmediğini göstererek tamamen kimyasal teorileri çürüttü ve süreci yaşamsal aktiviteye bağladı. Bağımsız olarak Charles Cagniard de la Tour, aynı yıl fermente olan birada mikroskop altında maya tomurcuklanmasını gözlemleyerek mikrobiyal nedenselliği güçlendirdi.^[60]

Bu bulgular, 1830’lar ve 1840’larda fermantasyonun canlı hücrelerden değil, ölü organik maddelerle temastan kaynaklandığını savunan ve maya küreciklerini protein çökeltileri olarak gören Justus von Liebig gibi kimyagerlerin muhalefetiyle karşılaştı.^[58]

Louis Pasteur’ün 1857’den itibaren yaptığı çalışmalar kesin ampirik doğrulama sağladı; Mémoire sur la fermentation appelée lactique adlı eserinde, alkolik fermantasyon gibi laktik asit fermantasyonunun da kendiliğinden kimyasal bozunma değil, spesifik canlı mikroorganizmalar gerektiren fizyolojik bir anaerobik solunum süreci olduğunu kanıtladı.^[61] Alkolik fermantasyona uzanan Pasteur, 1860’ta mayanın anaerobik olarak geliştiğini, glikozu ilişkili hücresel metabolizma yoluyla etanol ve CO₂’ye dönüştürdüğünü, steril ortamlarda fermantasyonun olmadığını gösterdi.^[62] Kuğu boyunlu şişe deneyleri, kendiliğinden oluşumu (abiyogenez) daha da çürüttü ve mikrobiyal kontaminasyonu -dolayısıyla fermantasyon başlangıcını- havadaki mikroplara bağlayarak biyogenezi nedensel temel olarak sağlamlaştırdı.^[6] 1860’lara gelindiğinde Pasteur, bu ilkeleri şarap bozulmasına uyguladı, istenmeyen bakteriyel fermentleri tanımladı ve arzu edilen maya aktivitesini durdurmadan patojenleri seçici olarak öldürmek için 55-60°C’ye ısıtma işlemi olan pastörizasyonu geliştirdi.^[7] Bu gelişmeler, fermantasyonu mikrobiyal bir metabolik süreç olarak kurdu ve mikrobiyoloji ile endüstriyel uygulamaların temelini attı.

Endüstrileşme (20. Yüzyıl)

Fermantasyonun 20. yüzyılda endüstrileşmesi, savaş zamanı gereklilikleri ve ticari taleplerle yönlendirilen, ampirik, küçük ölçekli uygulamalardan büyük ölçekli, bilimsel olarak optimize edilmiş süreçlere geçişi işaret etti. Önemli bir erken gelişme Birinci Dünya Savaşı sırasında, İngiliz kimyager Chaim Weizmann’ın Clostridium acetobutylicum‘u izole etmesi ve kordit patlayıcıları için mısır ve patates gibi nişastalı substratlardan aseton üretmek üzere aseton-bütanol-etanol (ABE) fermantasyon sürecini geliştirmesiyle meydana geldi.^[63]^[64] 1915’te patentlenen bu süreç, 1917’ye kadar Holton Heath’teki Donanma Kordit Fabrikası’ndaki 7.000 galonluk bir tesis de dahil olmak üzere hızla endüstriyel seviyelere ölçeklendi ve kimyasal tedarik kıtlıkları sırasında İngiltere’nin mühimmat üretimini desteklemeye yetecek oranlarda aseton sağladı.^[63]^[65] ABE yöntemi, fermantasyonun toplu kimyasal sentez potansiyelini gösterdi; sadece aseton değil, yan ürün olarak bütanol ve etanol de üretti, ancak savaş sonrası ekonomik canlılığı daha ucuz petrokimya alternatifleri nedeniyle azaldı.^[64]

Savaşlar arası dönemde, gelişmeler gıda ile ilgili ürünlere ve süreç mühendisliğine odaklandı. Saccharomyces cerevisiae fermantasyonu yoluyla ekmek mayası üretimi önemli ölçüde genişledi; optimize edilmiş aerobik süreçler 1920’lere kadar 100 gram substrat başına 10 gramdan fazla kuru maya verimi elde ederek standartlaştırılmış pişirme malzemelerine yönelik artan talebi destekledi.^[66] Eş zamanlı olarak, sitrik asit üretimi Aspergillus niger kullanılarak batık (submerged) fermantasyona kaydı. 1930’lara gelindiğinde, havalandırmalı tanklarda sükroz veya melas kullanan bu yöntem, daha yavaş yüzey kültürü tekniklerinin yerini alarak, üreticilerin glikozdan teorik maksimumun %70’ine varan verimlerle ticari ölçekli çıktılar elde etmelerini sağladı.^[67]^[68] Bu yenilikler, kontaminasyonu azaltmak ve üretkenliği artırmak için steril koşulları, besin optimizasyonunu ve karıştırmayı vurgulayarak daha geniş mikrobiyal kimyasal sentez için zemin hazırladı.^[69]

İkinci Dünya Savaşı, penisilin üretimi ile en dönüştürücü ölçek büyütmeyi katalize etti. Alexander Fleming’in 1928’deki keşfinin ardından Howard Florey ve Ernst Chain 1940’ta saflaştırmayı ilerletti, ancak seri üretim, mısır ıslatma sıvısı (corn steep liquor) ortamında Penicillium chrysogenum suşlarını kullanan ABD Tarım Bakanlığı araştırmacıları tarafından geliştirilen derin tank batık fermantasyonu gerektirdi.^[70]^[71] 1943’e gelindiğinde, Savaş Üretim Kurulu altında, 21 Amerikan şirketi operasyonlarını ölçeklendirerek Haziran 1944’teki Normandiya Çıkarması için 2,3 milyon doz üretti; suş seçimi ve süreç kontrolleriyle verim 1-2 mg/L’den 500 mg/L’nin üzerine çıktı.^[72]^[73] Binlerce 7.500 galonluk fermentörü içeren bu çaba, antibiyotikleri endüstriyel bir sektör olarak kurdu, bakteriyel enfeksiyonlardan kaynaklanan ölümleri azalttı ve fermantasyonun karmaşık farmasötikler için etkinliğini kanıtladı.^[74] 1945 sonrasında bu teknikler streptomisin gibi diğer antibiyotiklere uzandı ve vitaminlere (örn. Ashbya gossypii yoluyla riboflavin) ve amino asitlere genişledi; küresel fermantasyon kaynaklı kimyasal çıktı 1950’lere kadar katlanarak arttı.^[75]^[76]

Modern Gelişmeler (1930’lar Sonrası)

Derin tank batık fermantasyon yoluyla penisilinin seri üretimi, 1940’larda Penicillium chrysogenum suşlarını kullanan tekniklerin Pfizer tarafından geliştirilmesiyle 1940’larda çok önemli bir ilerleme olarak ortaya çıktı; bu teknikler çıktıyı laboratuvar izlerinden endüstriyel litre başına gramlara ölçekledi ve İkinci Dünya Savaşı sırasında Müttefik kuvvetlere tedarik sağladı.^[77] Bu süreç, mısır ıslatma sıvısı ortamına sahip havalandırmalı karıştırmalı tank reaktörlerini içeriyordu ve savaşın sonunda suş seçimi ve süreç optimizasyonu yoluyla litre başına 100 gramın üzerinde verim sağladı.^[78] 1944’te streptomisin gibi diğer antibiyotiklere yapılan sonraki genişlemeler, fermantasyonu farmasötik üretiminin bir temel taşı olarak kurdu, kimyasal senteze olan bağımlılığı azalttı ve daha önce büyük ölçekte tedavi edilemeyen bakteriyel enfeksiyonlar için tedavileri mümkün kıldı.^[71]

1950’lerden itibaren, kimyasal ve UV kaynaklı mutasyonlar yoluyla mikrobiyal suş iyileştirmesi, sitrik asit ve amino asitler gibi emtialar için verimi artırdı; süreçler yinelemeli seçim yoluyla 1960’lara kadar litre başına 100 gramı aşan titrelere ulaştı.^[79] 1970’lerde rekombinant DNA teknolojisinin tanıtılması, ökaryotik genlerin heterolog protein ekspresyonu için bakteriyel veya maya konaklarına eklenmesine izin vererek bir paradigma değişimi yarattı; bu durum Eli Lilly’nin 1982’de Escherichia coli‘de üretilen insan insülini onayı ile örneklendi.^[80] Plazmid vektörleri ve seçilebilir belirteçler gibi araçlarla rafine edilen bu genetik modifikasyonlar, doğal mikrobiyal sınırlamaları aşarak, klasik fermantasyon yoluyla elde edilemeyen karmaşık biyomoleküllerin ölçeklenebilir üretimini mümkün kıldı.

2010’lardan bu yana CRISPR ve sentetik biyolojiden yararlanan hassas fermantasyon, mikropları yüksek değerli bileşenler için hücresel fabrikalar olarak tasarlayarak hedeflenen molekül sentezini daha da ilerletti; metabolik yolak mühendisliği ve yüksek verimli tarama yoluyla verimler optimize edildi.^[81] Dikkate değer bir uygulama, Impossible Foods’un 2011’de genetiği değiştirilmiş Pichia pastoris mayası yoluyla soya leghemoglobini (hem) geliştirmesidir; bu demir içeren protein, biyoreaktörlerde fermente edilerek bitki bazlı köftelere et benzeri lezzet ve renk kazandırmış ve FDA güvenlik doğrulamasından sonra 2016’ya kadar ticari canlılığa ulaşmıştır.^[82]

Tek kullanımlık sistemler ve beslemeli kesikli stratejiler dahil olmak üzere devam eden biyoreaktör yenilikleri, kontaminasyon risklerini ve enerji maliyetlerini azalttı, rekombinant proteinler için litre başına 10 gramın üzerindeki titreleri desteklerken sürdürülebilir biyo-üretim için ölçeklenebilirliği ele aldı.^[83] Bu 1930’lar sonrası gelişmeler, fermantasyonun ampirik ölçeklendirmeden, doğrulanmamış varsayımlar yerine ampirik verim verileri ve nedensel yolak manipülasyonlarıyla yönlendirilen genetik olarak yönlendirilmiş hassasiyete geçişini vurgulamaktadır.

Endüstriyel Süreçler

İşletim Modları

Endüstriyel fermantasyon süreçleri temel olarak üç modda çalışır: kesikli, beslemeli kesikli (yarı kesikli) ve sürekli; her biri üretkenlik, kontrol ve operasyonel karmaşıklığı dengelemek için uyarlanmıştır. Kesikli mod, başlangıçta tüm substratların ve inokulumun eklenmesini, ardından mikroorganizmaya ve ürüne bağlı olarak tipik olarak günler ila haftalar süren tamamlanmaya kadar kapalı bir fermantasyonu içerir. Bu yaklaşım, sterilizasyon döngüleri yoluyla kontaminasyon risklerini en aza indirir ancak başlangıç substrat konsantrasyonları ile sınırlıdır; bu durum inhibisyona veya besin tükenmesine neden olarak birçok mikrobiyal ürün için verimi yaklaşık 1-5 g/L ile sınırlar.^[84]^[85]

Beslemeli kesikli mod, optimum büyümeyi sürdürmek için karbon kaynakları veya indükleyiciler gibi besinleri aralıklı veya sürekli olarak tedarik ederek kesikli süreçleri genişletir; anında ürün hasadı olmadan, üstel veya sabit oranlar gibi kontrollü besleme stratejileri yoluyla daha yüksek hücre yoğunlukları (genellikle 10-100 g/L kuru ağırlık) ve titreler elde eder. Bu yarı sürekli işlem, Escherichia coli veya Pichia pastoris‘te rekombinant protein üretimi dahil olmak üzere endüstriyel uygulamalara hakimdir; burada substrat inhibisyonunu (örn. mayada glikoz baskılanması) azaltır ve 10 g/L’ye kadar antikor veren süreçleri destekler, ancak taşmaları veya asidozu önlemek için çözünmüş oksijen ve pH’ın hassas bir şekilde izlenmesini gerektirir. Avantajları arasında genetik indüksiyon zamanlaması için esneklik ve kesikli moda kıyasla azaltılmış duruş süresi yer alır, ancak dezavantajlar potansiyel metabolit birikimini ve gelişmiş besleme algoritmalarına duyulan ihtiyacı kapsar.^[86]^[87]^[85]

Sürekli mod, taze ortamı sürekli ekleyerek ve eşdeğer oranlarda kültür suyunu çıkararak kararlı durum koşullarını korur; genellikle 0,1-0,5 sa⁻¹ seyreltme oranlarını sürdürmek için kemostatlar veya türbidostatlar kullanır, böylece sabit besin seviyeleri yoluyla uzun süreli operasyon ve teorik olarak maksimum üretkenlik sağlar. Tek hücreli protein üretimi veya atık su arıtımı gibi uygulamalarda üstündür; burada hacimsel üretkenlikler 1 g/L/sa’i aşabilir, ancak açık sistemlerden kaynaklanan yüksek kontaminasyon riskleri, uzun süreli çalışmalarda genetik istikrarsızlık (örn. bakterilerde plazmid kaybı) ve tekdüze fizyolojiyi koruma zorlukları nedeniyle endüstriyel benimsenme sınırlı kalmaktadır ve çoğu süreç stabilite için beslemeli kesikli moda kaymaktadır. Sürekli operasyonun bir alt kümesi olan perfüzyon varyantları, biyolojik üretimde öncelikle memeli hücre kültürleri için yoğunlukları 100 g/L’nin üzerine çıkarmak üzere filtrasyon yoluyla hücreleri geri dönüştürür.^[88]^[76]^[85]

Mod seçimi ürün tipine, organizma fizyolojisine ve ekonomik faktörlere bağlıdır; örneğin kesikli mod, aşılar gibi küçük ölçekli veya yüksek değerli, düşük hacimli çıktılar için uygundur; beslemeli kesikli mod, verim optimizasyonu için antibiyotik ve enzim fermantasyonlarının %80-90’ında hakimdir; sürekli mod ise ölçeklenebilirlik engellerine rağmen istikrarlı biyokütle üretiminde niş kullanım alanı bulur.^[87]^[86]

Substratlar ve Optimizasyon

Endüstriyel fermantasyonda substratlar, mikroorganizmaların istenen ürünlere dönüştürdüğü karbon kaynaklarından oluşur ve dengeli büyüme için azot, fosfor ve iz minerallerle desteklenir. Mısır veya patatesteki nişastaların enzimatik hidrolizinden türetilen glikoz, hızlı alımı ve minimum safsızlıkları nedeniyle yaygın olarak kullanılan saf bir karbon kaynağıdır; antibiyotik ve enzim üretimi gibi süreçlerde yüksek verimleri kolaylaştırır.^[89] Şeker kamışı melasından elde edilen sükroz, vitaminler ve minerallerin yanı sıra %50-60 fermente edilebilir şekerler içerir ve büyük ölçekli etanol ve organik asit fermantasyonlarında uygun maliyetli bir alternatif olarak hizmet eder, rafine şekerlere kıyasla hammadde maliyetlerini %30’a kadar azaltır.^[90] Peynir altı suyundan elde edilen laktoz, laktoz kullanan bakteriler tarafından laktik asit üretimi için kullanılır, süt atığını değerlendirirken 100-150 g/L titrelere ulaşır.^[33]

Glikoz ve ksiloz gibi hemiselülozik şekerler elde etmek için asit veya enzimatik hidroliz yoluyla ön işleme tabi tutulan tarımsal atıklar gibi lignoselülozik biyokütle, biyoetanol için yenilenebilir bir substrat sunar; ancak ön işlem maliyetleri ve inhibitör oluşumu, optimizasyondan sonra teorik maksimumun %80-90’ı verimle özel tesislerde benimsenmesini sınırlar.^[33] Amonyum tuzları, maya ekstraktı veya mısır ıslatma sıvısı dahil olmak üzere azot kaynakları, 10:1 ila 30:1 karbon-azot oranlarını korumak için 1-5 g/L dozunda verilir ve ürün oluşumunu %20-50 oranında azaltan azot sınırlamasını önler.^[91]

Substrat ve ortam optimizasyonu, temel bileşenleri sistematik yaklaşımlarla tanımlayarak ve geliştirerek üretkenliği artırır. Klasik birer birer değişken yöntemleri basit olsa da genellikle etkileşimleri gözden kaçırır; Plackett-Burman taraması ve ardından yanıt yüzey metodolojisi (RSM) gibi istatistiksel tasarımlar, optimum glikoz ve amonyum seviyelerinin çıktıyı 50’den 120 g/L’ye çıkardığı sitrik asit üretimi gibi durumlarda metabolit verimlerini 2-10 kat artırmıştır.^[91] Beslemeli kesikli operasyonlar, üstel veya sabit besleme yoluyla substrat inhibisyonunu (örn. mayada glikoz baskılanması) hafifletir ve endüstriyel etanol fermantasyonlarında 100 g/L kuru hücre ağırlığının üzerinde biyokütle yoğunlukları elde eder.^[92]

Gelişmiş teknikler, karmaşık etkileşimleri modellemek için evrimsel algoritmaları ve makine öğrenimini dahil eder, simüle edilmiş ölçek büyütmelerde optimum ortam bileşimlerini %90 doğrulukla tahmin ederken; suşların metabolik mühendisliği substrat kullanım verimliliğini artırır, örneğin hidrolizatlardan karışık şekerleri vahşi tiplerden 1,5 kat daha yüksek oranlarda dönüştüren mühendislikli E. coli’de olduğu gibi.^[93]^[94] Bu optimizasyonlar biyoreaktör denemeleriyle doğrulanır ve laboratuvar (1-10 L) hacminden üretim (100.000 L) hacimlerine kadar 100-500 mmol O2/L/sa tutarlı oksijen transfer oranlarıyla ölçeklenebilirlik sağlanır.^[95]

Temel Uygulamalar

Yiyecek ve İçecek Üretimi

Fermantasyon, gıda ve içecek üretiminde bir temel taşı görevi görür; karbonhidratların mikrobiyal dönüşümüyle etanol, laktik asit, asetik asit ve karbondioksit gibi bileşiklerin oluşmasını sağlar. Bu bileşikler, kendine özgü tatlar verir, pH düşüşü ve antimikrobiyal etkilerle raf ömrünü uzatır ve kabarmayı kolaylaştırır.^[28] Öncelikle mayalar ve bakteriler tarafından yürütülen bu anaerobik veya mikroaerofilik süreç, küresel olarak tüketilen ürünlerin üretimini destekler; fermente gıdalar ve içecekler, kültürel uygulamalara bağlı olarak çeşitli bölgelerdeki diyetlerin %5 ila 40’ını oluşturur.^[96] Fermente gıdalar için küresel pazar 2024 yılında yaklaşık 247 milyar ABD dolarına ulaşmıştır; bu durum ekonomik ölçeğini ve organik asit birikimi ve bakteriyosin üretimi yoluyla bozulma organizmalarını engellemek için kontrollü mikrobiyal aktiviteye olan güveni yansıtmaktadır.^[97]

Alkolik fermantasyon içecek üretimine hakimdir; burada mayalar şekerleri glikoliz yoluyla pirüvata metabolize eder, ardından dekarboksilasyon ile asetaldehite ve redüksiyon ile etanole dönüştürür, böylece glikolizin devamı için NAD+’yı yeniden üretir.^[98] Bira üretiminde, Saccharomyces cerevisiae veya Saccharomyces pastorianus, arpa şırasından maltoz ve diğer şekerleri, genellikle lagerler için 10–20°C’de veya aleler için 15–24°C’de fermente eder; hacimce %4–6 etanolün yanı sıra karbonasyon için CO2 ve esterler gibi aroma türdeşleri verir.^[99] Şarap üretimi benzer şekilde, şırada bulunan üzüm kaynaklı glikoz ve fruktozu fermente etmek için mayayı kullanır; genellikle kendiliğinden veya kültürlenmiş suşlarla, 15–30°C’de 5–14 gün boyunca, laktik asit bakterileri tarafından malolaktik fermantasyonla asitliği yumuşatmadan önce %10–15 etanol üretir.^[100] Bu süreçler sadece alkol üretmekle kalmaz, aynı zamanda polifenolleri çıkarır ve daha yüksek alkol oluşumu yoluyla aroma profilleri geliştirir.

Heterofermentatif veya homofermentatif bakteriler (Lactobacillus ve Leuconostoc türleri gibi) tarafından aracılık edilen laktik asit fermantasyonu, heksozları Embden-Meyerhof yolu veya fosfoketolaz yoluyla laktik aside dönüştürerek süt ve sebze ürünlerini koruyan 3,0–4,6 pH seviyelerine ulaşır.^[28] Yoğurt, Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus ve Streptococcus thermophilus‘un termofilik ortak kültürüyle sütün 40–45°C’de 4–8 saat inkübe edilmesi, asit kaynaklı jelleşme yoluyla kazeinlerin pıhtılaşması ve doku için ekzopolisakkarit üretimiyle elde edilir.^[101] Peynir üretimi bunu peynir mayası pıhtılaşması ve ardından olgunlaşma ile genişletir; burada İsviçre çeşitlerindeki propiyonik asit bakterileri laktatı lezzet ve delikler için propiyonat, CO2 ve asetata fermente eder.^[102] Lahana turşusu veya salatalık turşusu gibi sebze fermantasyonları, sırasıyla Leuconostoc mesenteroides, Lactobacillus plantarum ve Pediococcus türlerinin hakim olduğu tuzlu su salamurasındaki lahana veya salatalıklara dayanır ve 18–22°C’de 3–6 hafta boyunca %1–2 laktik asit üretir.^[101]

Fırıncılıkta, maya kaynaklı fermantasyon, undan türetilen şekerlerden CO2 üreterek hamuru kabartır; S. cerevisiae, ilave veya endojen amilazlar yoluyla nişastaları hidrolize eder, toplu mayalanma sırasında 24–38°C’de 1–3 saat fermente ederek glüten yapısını ve uçucu aromaları geliştirir, ardından etanol fırın sıcaklığında dağılır.^[103] Ekşi hamur varyantları, genişletilmiş fermantasyon için yabani laktik asit bakterilerini ve mayaları birleştirir, fitaz aktivitesi yoluyla besin biyoyararlanımını artırır. Asetik asit fermantasyonu sirke üretimini tamamlar; burada Acetobacter türleri, önceki alkolik fermantasyondan gelen etanolü aerobik olarak alkol dehidrojenaz ve aldehit dehidrojenaz yoluyla asetik aside oksitler ve batık veya yüzey yöntemlerinde %4–8 asitliğe ulaşır.^[104] Başlatıcı kültürler ve sıcaklık düzenlemesi dahil olmak üzere endüstriyel kontroller, aşırı oksidasyon veya kontaminasyondan kaynaklanan kötü tatları en aza indirerek tutarlı verim sağlar.^[105]

Biyoyakıtlar ve Biyokimyasallar

Fermantasyon, karbonhidratların anaerobik mikrobiyal dönüşümü yoluyla etanol ve bütanol gibi biyoyakıtlar üretir ve fosil yakıtlara yenilenebilir alternatifler sunar. Fermantasyondan elde edilen en belirgin biyoyakıt olan etanol, Saccharomyces cerevisiae mayasının glikoz gibi heksoz şekerlerini glikoliz ve alkol dehidrojenaz yoluyla fermente etmesiyle üretilir; teorik olarak gram glikoz başına 0,51 g etanol verirken, gliserol ve biyokütle gibi yan ürün oluşumu nedeniyle pratik endüstriyel verimler 0,45 ila 0,48 g/g arasında değişir.^[106] Küresel biyoetanol üretimi 2023 yılında 110 milyar litreyi aşmıştır; Brezilya’da şeker kamışından ve Amerika Birleşik Devletleri’nde mısır nişastasından elde edilen üretim başı çekmektedir ve sakarifikasyondan sonraki temel biyodönüşüm adımını fermantasyon oluşturur.^[107]

Clostridium türleri (örneğin C. beijerinckii) tarafından aseton-bütanol-etanol (ABE) fermantasyonu yoluyla üretilen bütanol, etanole göre daha yüksek enerji yoğunluğu (etanol için 21,1 MJ/L’ye karşılık 29,2 MJ/L) ve faz ayrımı sorunları olmaksızın mevcut petrol altyapısıyla uyumluluk gibi avantajlar sunar. Geleneksel ABE süreçleri, 20 g/L civarındaki toksisite eşikleriyle sınırlı olarak 0,15-0,20 g/g substrat bütanol verirken, mühendislikli suşlar ve lignoselülozik hammaddeler 2019 tezgah ölçekli denemelerde pirinç kepeği hidrolizatından 0,384 g/g’ye kadar ulaşmıştır.^[108] 2020’den bu yana kaydedilen son gelişmeler, mikrobiyal konsorsiyumları ve entegre süreçleri içererek geleneksel ABE’ye göre %50 daha yüksek verim hedeflemekte ve lignoselüloz kullanımı sırasında CO2 emisyonlarını azaltmaktadır, ancak ticari ölçeklenebilirlik inhibitör duyarlılığı ve alt akım ayırma maliyetleri nedeniyle kısıtlı kalmaktadır.^[109]

Biyokimyasal üretimde fermantasyon; polimerler, çözücüler ve ilaçlar için öncü görevi gören sitrik, laktik ve süksinik asitler gibi platform kimyasalları verir. Melas veya nişasta hidrolizatlarından Aspergillus niger tarafından fermente edilen sitrik asit, yıllık küresel çıktısı 2 milyon metrik tonu aşarak hakim konumdadır; pH 2-3 ve havalandırma kontrolü için optimize edilmiş batık süreçlerde 200 g/L’nin üzerinde titrelere ulaşır.^[110] Homofermentatif koşullar altında Lactobacillus türleri gibi laktik asit bakterileri tarafından üretilen laktik asit, 0,9-1,0 g/g glikoz verimine ulaşır; biyo-bazlı üretim, polilaktik asit (PLA) biyoplastikleri için yılda yüz binlerce tona ölçeklenmektedir.^[111]

Actinobacillus succinogenes veya mühendislikli Escherichia coli kullanan süksinik asit fermantasyonu, glikozu veya lignoselülozik şekerleri 0,58 g/g verime dönüştürür; indirgeyici TCA yoluyla CO2 fiksasyonunu içeren beslemeli kesikli modlarda 100 g/L’ye kadar titreler elde edilir.^[112] Bu ürünleri kapsayan biyo-bazlı organik asitler pazarı, 2025 projeksiyonlarında yaklaşık 5,3 milyar ABD doları değerindedir ve petrol türevi analoglara alternatif sürdürülebilir ürünlere olan taleple yönlendirilmektedir, ancak ekonomik canlılık hammadde maliyetlerine ve %95 geri kazanımı aşan saflaştırma verimliliğine bağlıdır.^[113] Suş mühendisliği ve süreç inovasyonları (sürekli fermantasyon ve inhibitör toleransı için genetik modifikasyonlar dahil) 2020’den bu yana üretkenliği %20-50 artırmıştır, ancak kiral olmayan asitler için daha ucuz kimyasal sentez rekabeti devam etmektedir.^[114]

Farmasötikler ve Enzimler

Mikrobiyal fermantasyon, farmasötik üretim için, özellikle büyük ölçekli biyoreaktörlerde belirli besin sınırlı koşullar altında bakteriler ve mantarlar tarafından sentezlenen ikincil metabolitler olan antibiyotikler için bir temel taşı görevi görür. Endüstriyel süreçler tipik olarak 100.000 ila 150.000 litre arasında değişen tanklarda, oksijen transferi, sıcaklık (mantar üreticileri için genellikle 24–28°C), pH (6,5–7,5) ve durgun faz düşüşünden önce verimi optimize etmek için mısır maserasyon sıvısı (corn steep liquor) ve glikoz gibi karbon/azot kaynaklarının hassas kontrolü ile daldırma (submerged) aerobik fermantasyon kullanır.^[115] Mutagenez (örn. UV veya kimyasal ajanlar) veya plazmitler yoluyla gen amplifikasyonu gibi rekombinant DNA teknikleri yoluyla suş geliştirme, birçok durumda üretkenliği 20 kattan fazla artırmış ve çözücü ekstraksiyonu, iyon değişimi veya çökeltme yoluyla mansap (downstream) geri kazanımı mümkün kılmıştır.^[115]

Penicillium chrysogenum (eski adıyla P. notatum) tarafından üretilen Penisilin G, bu uygulamayı örneklendirmektedir; 1940’larda mililitre başına 1-4 uluslararası ünite olan ilk verimler, medya optimizasyonu ve genetik seleksiyon yoluyla bugün 50 g/L’nin üzerine çıkarılmış ve İkinci Dünya Savaşı sırasında 1945 yılına kadar aylık 100 milyar üniteyi aşan seri üretimi kolaylaştırmıştır.^[83] Benzer şekilde, sefalosporinler benzer beslemeli kesikli fermantasyon yoluyla Acremonium chrysogenum‘dan türetilirken, Streptomyces türleri gibi aktinomisetler streptomisin ve tetrasiklinleri vererek aerobik olarak üretilen antibiyotiklerin yaklaşık %70’inin önemli bir kısmını oluşturur.^[116] Doğal ürün fermantasyonu, tam kimyasal sentez yoluyla elde edilemeyen karmaşık yapılara genellikle benzersiz bir şekilde erişim sağladığından, bu yöntemler hayati önemini korumaktadır.^[117]

Fermantasyon ayrıca, doğrudan tıpta veya ilaç sentezinde biyokatalizör olarak kullanılan rekombinant veya doğal proteinlerin yüksek titreli ekspresyonu için mikrobiyal konakçılardan yararlanarak terapötik enzimlerin üretimini de sağlar. Daldırma fermantasyon yoluyla Escherichia coli veya Erwinia chrysanthemi‘den elde edilen L-asparaginaz, akut lenfoblastik lösemiyi tedavi etmek için serum asparajinini tüketir ve klinik formülasyonlar 300–500 IU/mg aktivitelere ulaşır.^[118] Streptococcus türlerinden fermente edilen streptokinaz, plazminojeni aktive ederek trombolitik bir ajan olarak işlev görür, ancak immünojenitesi, tasarlanmış varyantlara kıyasla kullanımını sınırlar.^[119]

Farmasötik üretimde, E. coli veya Bacillus megaterium‘dan elde edilen penisilin G asilaz gibi enzimler, modern penisilinlerin %90’ından fazlasının üretimini kolaylaştırarak, amoksisilin gibi yarı sentetik beta-laktamlar için çekirdek olan 6-aminopenisilanik asidi (6-APA) hidrolize eder.^[120] Burkholderia cepacia gibi mikrobiyal suşlardan elde edilen D-amino asit oksidaz ve nitril hidrataz dahil diğer biyokatalizörler, sefalosporinler (örn. seftriakson için 7-ACA) ve atazanavir gibi HIV inhibitörlerindeki amino asitler için ara maddelerin stereoselektif sentezini kolaylaştırır.^[120] Genellikle 100 U/mg’ı aşan yüksek spesifik aktivitelere kadar saflaştırılan bu fermantasyon türevi enzimler, katı hal fermantasyonundan daha yüksek üretkenlik nedeniyle daldırma yöntemlerinin hakim olduğu kimyasal alternatiflere göre sürecin ölçeklenebilirliğini ve maliyet etkinliğini vurgulamaktadır.^[120]

Biyoteknolojide Hassas Fermantasyon

Hassas fermantasyon, hedeflenen metabolik yollar aracılığıyla proteinler ve enzimler gibi spesifik biyomolekülleri üretmek için Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae veya Pichia pastoris gibi genetiği değiştirilmiş mikroorganizmaları kullanır.^[121] Bu biyoteknoloji yaklaşımı, istenen ürünleri kodlayan genlerin konakçı hücrelere yerleştirilmesi için rekombinant DNA tekniklerini içerir; bu hücreler daha sonra şekerler veya gliserol gibi ucuz substratlardan yüksek saflıkta çıktılar elde etmek için optimize edilmiş koşullar altında biyoreaktörlerde kültürlenir.^[122] Geleneksel fermantasyonun aksine, hassas yöntemler moleküler bileşim üzerinde tam kontrol sağlayarak hayvan veya bitki kaynaklarından elde edilenlerle aynı karmaşık moleküllerin sentezini kolaylaştırır.^[123]

Hassas fermantasyonun kökenleri, 1970’lerde rekombinant DNA teknolojisindeki ilerlemelere dayanır; ilk ticari uygulama, 1982’de Genentech tarafından modifiye edilmiş E. coli bakterileri kullanılarak insan insülininin üretilmesiyle gerçekleşmiş ve kontaminasyon ve tedarik sınırlamaları riskleri taşıyan hayvan kaynaklı üretimden bir değişime işaret etmiştir.^[124] Sonraki kilometre taşları arasında, peynir yapımı için 1990 yılında rekombinant kimozinin (peynir mayası) piyasaya sürülmesi yer alır; bu, buzağı midelerine olan bağımlılığı azaltarak ve tutarlılığı artırarak küresel pazarın %90’ından fazlasını ele geçirmiştir.^[125] 2010’larda uygulamalar gıda bileşenlerine genişledi; Impossible Foods’un 2011’den itibaren soya leghemoglobini (hem) üretmek için mühendislik ürünü mayayı kullanması, kapsamlı testlerle güvenliğin doğrulanmasının ardından 2019’da burger ürünü için ABD FDA onayı almasıyla örneklendi.^[125]

Biyoteknolojide hassas fermantasyon, verimlerin suş optimizasyonu yoluyla miligramdan litre başına grama yükseltildiği insülin gibi farmasötik üretimi destekleyerek milyonlarca kişi için uygun fiyatlı diyabet tedavisini mümkün kılar.^[126] Ayrıca, deterjanlar ve biyoyakıtlar için olanlar gibi endüstriyel enzimler üretir; şirketler, gelişmiş ekspresyon ve sekresyon için CRISPR ile düzenlenmiş mikroplar aracılığıyla 100 g/L’yi aşan titreler elde etmektedir.^[127] Ortaya çıkan kullanımlar arasında, Perfect Day’in 2022’deki ticarileşmesiyle gösterildiği gibi, hayvancılık olmadan üretilen peynir altı suyu ve kazein gibi süt proteinleri yer alır ve geleneksel tarıma kıyasla daha az arazi ve su ayak izine sahip ölçeklenebilir alternatifler sunar.^[128] Bu süreçler, patojenik olmayan suşlar ve ürün saflığını %99’un üzerinde sağlayan mansap saflaştırma ile konakçı güvenliğine öncelik verir.^[81]

Hassas fermantasyondaki zorluklar arasında ekonomik ölçeklenebilirliğin sağlanması yer alır; büyük tesisler için ilk biyoreaktör altyapısı sermayesi 100 milyon ABD dolarını aşabilir, ancak sürekli fermantasyon ve yapay zeka ile optimize edilmiş medyadaki gelişmeler maliyetleri %50’ye kadar düşürmektedir.^[129] FDA’nın GRAS belirlemeleri gibi düzenleyici çerçeveler, titiz alerjenite ve toksisite değerlendirmeleri gerektirir; bu durum pazara girişi geciktirirken güvenlik standartlarını korur.^[130] Bu engellere rağmen, teknolojinin hassasiyeti kaynak verimliliğinde faydalar sağlar; bazı süreçler hayvansal türevli eşdeğerlerinden %90 daha az su tüketir.^[131]

Zorluklar ve Eleştiriler

Teknik ve Ölçeklenebilirlik Sorunları

Endüstriyel fermantasyon süreçleri, laboratuvardan üretim ölçeklerine geçerken, öncelikle küçük ve büyük biyoreaktörler arasındaki hidrodinamik ve taşıma olaylarındaki tutarsızlıklar nedeniyle önemli teknik engellerle karşılaşır. Ölçek büyütme, karıştırma verimliliğini, kütle transfer katsayılarını ve kesme kuvvetlerini değiştiren akış alanı farklılıklarını sıklıkla ortaya çıkarır ve potansiyel olarak mikrobiyal büyümeyi ve ürün verimini bozar.^[132] Örneğin, laboratuvar ölçekli çalkalamalı şişeler, yüzey-hacim oranları sayesinde yeterli havalandırma sağlar, ancak 100.000 litreyi aşan endüstriyel kaplar, azalmış oksijen çözünürlüğü ve transfer hızlarıyla karşı karşıya kalır; bu durum, maya veya bakteri gibi oksijen talep eden organizmalarda aerobik solunumu sınırlar.^[133]

Kontaminasyon, yabancı organizmaların suş yeniden kullanılabilirliğini tehlikeye attığı farmasötik fermantasyonlarda kanıtlandığı üzere, ürün titrelerini %50’ye kadar azaltabilen veya partinin atılmasını gerektirebilen, istenmeyen mikropların girişini kolaylaştıran uzun işlem süreleri ve daha büyük hacimlerle büyük ölçeklerde artan kalıcı bir risktir. Buhar sterilizasyonu ve yerinde temizlik (CIP) sistemleri dahil olmak üzere katı aseptik protokoller bunu hafifletir.^[134] ^[135]

Oksijen transferi, aerobik fermantasyonlarda birincil darboğaz olarak ortaya çıkar; burada hız sınırlayıcı adım, oksijenin sulu ortamdaki düşük çözünürlüğünden (30°C ve 1 atm havada yaklaşık 8 mg/L) ve püskürtme ve karıştırmadaki ölçeğe bağlı verimsizliklerden kaynaklanır. Büyük biyoreaktörlerde, daha büyük kabarcık boyutları ve azalmış arayüzey alanı nedeniyle hacimsel oksijen transfer katsayıları (kLa) düşer; çözünmüş oksijeni kritik eşiklerin üzerinde tutmak için genellikle 5 kW/m³’ü aşan güç girişleri gerekir, ancak bu durum kaymaya duyarlı hücreler üzerindeki kesme stresini şiddetlendirir.^[136] ^[137]

Karıştırma ve ısı transferi ek kısıtlamalar getirir; hacimli tanklarda yetersiz ajitasyon pH, sıcaklık ve besin maddelerinde gradyanlara yol açarak lokalize hücre ölümünü veya düzensiz ürün oluşumunu teşvik eder. Mikrobiyal metabolizmadan kaynaklanan ısı üretimi, hızlı fermantasyonlarda 100-300 kW/m³’e ulaşabilir ve paslanmaz çelik ceketlerdeki soğutma kapasitelerini aşabilir; pervane tasarımları ise homojenlik için türbülansı, hacimle kübik olarak ölçeklenen enerji maliyetlerine karşı dengelemelidir.^[138] ^[139] Yükseklik-çap oranları gibi biyoreaktör geometrisi bu dinamikleri daha da etkiler; optimal olmayan konfigürasyonlar karıştırma sürelerini %60’a kadar uzatır ve genel işlem stabilitesini bozar.^[140]

Karmaşık metabolitler için genellikle 10 g/L’nin altında kalan düşük ürün titreleri, verimleri ve üretkenliği; mikrobiyal yaşam süresi kısıtlamaları, ürün inhibisyonu ve optimal olmayan yol mühendisliği nedeniyle içsel sınırlamalar olarak kalmaya devam etmekte ve suş optimizasyonundaki ilerlemelere rağmen ekonomik uygulanabilirliği engellemektedir.^[141] Bunların ele alınması, yinelemeli ölçek küçültme simülasyonları ve gelişmiş izleme gerektirir, ancak ampirik veriler, pilot ölçekli süreçlerin %70’e varan kısmının yeniden tasarım olmadan laboratuvar performansını tekrarlayamadığını göstermektedir.^[142]

Ekonomik ve Üretkenlik Kısıtlamaları

Endüstriyel ölçekli fermantasyon süreçleri, öncelikle büyük hacimli biyoreaktörler, sterilizasyon sistemleri ve iyi üretim uygulamalarına (GMP) uyumlu temiz oda tesislerine duyulan ihtiyaç nedeniyle önemli sermaye harcamalarıyla karşı karşıyadır. Biyoreaktör üniteleri, kapasite ve karıştırma ile havalandırma kontrolleri gibi özelliklere bağlı olarak tipik olarak 20.000 ila 200.000 ABD Doları arasında değişirken, GMP temiz oda inşaatı metrekare başına 600 Doları aşabilir.^[143]^[144] Bu yatırımlar, kontaminasyon risklerini azaltmak için yedekli sistem gereksinimi ile daha da artar; bu durum farmasötikler gibi yüksek değerli ürünlerde milyonlarca dolar değerinde toplam parti kayıplarına yol açabilir.^[145]

İşletme maliyetleri karlılığı daha da kısıtlar; hammadde substratları, polihidroksialkanoat (PHA) biyopolimerlerinde hammaddelerin %71’e kadar baskın olduğu gibi, metabolit üretimindeki toplam giderlerin genellikle %50-70’ini oluşturur.^[146] Karıştırma, havalandırma ve sıcaklık kontrolü için enerji talepleri, özellikle oksijen transfer sınırlamalarının yüksek güç girdilerini gerektirdiği aerobik fermantasyonlarda önemli ölçüde ekleme yapar; mansap geri kazanım ve saflaştırma ise —sıklıkla işlem maliyetlerinin %50-80’i— ürün kararsızlığı ve kapsamlı ayırma teknolojileri gerektiren seyreltik titreler nedeniyle ekonomiyi kötüleştirir.^[147] Yalnızca kamu hizmetleri ve medya bileşimi, yetiştirme parametrelerine bağlı olarak maliyetleri 2-5 kat değiştirebilir ve bu da uygulanabilir marjlara ulaşmak için hassas optimizasyon ihtiyacını vurgular.^[147]

Titre (ürün konsantrasyonu), hız (üretim hızı) ve verim (substrat dönüşüm verimliliği) ile özetlenen üretkenlik metrikleri temel sınırlar koyar; mikrobiyal süreçler nadiren kimyasal sentez verimliliklerini aşar ve satılan malın maliyeti (COGS) genellikle ince kimyasallar için 10 USD/kg’ın ve küçük moleküller için 40 USD/kg’ın üzerindedir.^[148]^[149] Genellikle büyüme inhibisyonu, yan ürün oluşumu ve oksijen çözünürlüğü ile sınırlanan düşük uzay-zaman verimleri, petrokimyasal yollar için saatlere kıyasla uzun fermantasyon süreleri (günler ila haftalar) ile sonuçlanır; bu da işçilik, atık bertarafı ve fırsat maliyetlerini artırır.^[148] Alternatif proteinler veya biyoyakıtlar için hassas fermantasyonda, bu TRY (Titre, Rate, Yield) eksiklikleri, yerleşik ürünlerden 2-10 kat daha yüksek üretim maliyetlerine katkıda bulunur ve genetik veya süreç mühendisliği atılımları olmadan pazar rekabetçiliğini engeller.^[129]

Laboratuvardan ticari hacimlere ölçeklenebilirlik ekonomik riskler getirir; kütle transferi ve ısı dağılımı gibi ampirik ölçek büyütme faktörleri öngörülemeyen şekillerde sapar ve genellikle sermayeyi 3-5 kat şişiren maliyetli pilot testler ve güçlendirmeler gerektirir.^[150] Steril olmayan veya yarı sürekli modlardaki kontaminasyon güvenlik açıkları, enerji yoğun otoklavlama ve antibiyotikler gerektirirken, substrat inhibisyonu ve mikrobiyal yaşlanma etkili çalışma sürelerini azaltarak birçok tesiste toplam ekipman etkinliğini (OEE) %80’in altına düşürür.^[141] Bu kısıtlamalar, anaerobik verimler ve hücresel bakım üzerindeki termodinamik sınırlara dayanan fermantasyonun biyolojik verimsizliklerinin optimizasyonlara rağmen devam ettiği ve abiyotik alternatiflere göre bir maliyet primi sağladığı dökme emtialar yerine enzimler gibi yüksek değerli, düşük hacimli uygulamaları desteklemektedir.^[151]^[148]

Güvenlik, Düzenleyici ve Etik Tartışmalar

Fermantasyon süreçleri, özellikle kontrolsüz veya ev ortamlarında, gıda kaynaklı botulizm salgınlarına yol açan Clostridium botulinum gibi toksin üreten bakterileri destekleyen anaerobik koşullardan kaynaklanan güvenlik riskleri oluşturur. ABD Hastalık Kontrol ve Önleme Merkezleri (CDC), yaygın kaynakların uygunsuz şekilde korunan veya fermente edilen ev yapımı gıdalar (örneğin hapishane şarabı “pruno”), evde konserve edilen sebzeler ve Alaska Yerlisi fok yağı veya fermente tofu gibi geleneksel fermente ürünler olduğunu bildirmektedir; belgelenmiş vakalar arasında Haziran 2024’te ev yapımı dikenli armut kaktüsünden kaynaklanan sekiz kişilik bir salgın ve Çin’de fermente fasulye ürünlerinden kaynaklanan çok sayıda olay yer almaktadır.^[152] ^[153] ^[154] ^[155] ^[156] Endüstriyel fermantasyon tehlikeleri arasında mantarlardan kaynaklanan mikotoksin kontaminasyonu ve pH, sıcaklık veya sanitasyon kontrollerinin başarısız olması durumunda patojenlerin çoğalması yer alır, ancak uygun asidifikasyon genellikle bozulma organizmalarını inhibe ederek riskleri azaltır.^[157] ^[158] ^[159] Kimchi’de Shiga toksini üreten E. coli O157 gibi nadir salgınlar, başlangıç mikrobiyal yükleri yüksekse sebze fermentlerindeki güvenlik açıklarını vurgulamaktadır.^[160]

Fermantasyon ürünleri için düzenleyici gözetim, ABD Gıda ve İlaç Dairesi (FDA), Çevre Koruma Ajansı (EPA) ve ABD Tarım Bakanlığı (USDA) tarafından koordine edilen çerçeveler aracılığıyla tehlike önlemeyi vurgular. FDA, Gıda Güvenliği Modernizasyon Yasası (Food Safety Modernization Act) kapsamında, fermente gıdalar ve biyoteknoloji türevi maddeler için sanitasyon, tedarik zinciri doğrulaması ve geri çağırma planları dahil olmak üzere risk tabanlı önleyici kontroller gerektirir; fermantasyon türevi farmasötiklerde kimya, üretim ve kontroller için özel rehberlik sağlar.^[161] ^[162] EPA, yakıt etanolü fermantasyonunda kullanılan antimikrobiyalleri FIFRA kapsamında pestisit düzenlemesinden hariç tutar ancak mikrobiyal pestisitleri ve biyoteknoloji özelliklerini incelerken, 2024’te ortak araçlarla güncellenen 2017 Biyoteknoloji Koordineli Çerçevesi (Coordinated Framework for Biotechnology), vaka bazlı fazlalık olmadan çevresel ve insan güvenliğini sağlamak için genetiği değiştirilmiş mikroorganizmaların gözetimine rehberlik eder.^[163] ^[164] ^[165] Uluslararası alanda çerçeveler değişiklik gösterir; bazı yargı bölgeleri, tüketici şeffaflığını ele almak için hassas fermantasyonlu ürünler için daha katı GDO etiketlemesi uygular.^[166]

Fermantasyonu çevreleyen etik tartışmalar, özellikle genetiği değiştirilmiş mikropları kullanan hassas fermantasyon, gıda ve biyokimyasal üretim için organizmaların manipülasyonuna odaklanır; istenmeyen ekolojik salınımlar, uzun vadeli sağlık etkileri ve adil erişim konusunda endişeler yaratır. Eleştirmenler, alternatif et veya süt analoglarında olduğu gibi GDO türevi proteinlerin geleneksel tarımı baypas ettiğini ancak yeterli boylamsal veri olmaksızın alerjenite veya yeni toksin riski taşıdığını ve yasal onaylara rağmen kamu şüpheciliğini körüklediğini savunmaktadır.^[167] ^[168] Savunucular verimlilik kazanımlarını vurgularken, etik eleştiriler genetikle “Tanrıyı oynama” ilkelerine, patentler yoluyla potansiyel kurumsal kontrole ve Gana gibi gelişmekte olan bölgelerde GM mahsulünün benimsenmesine ilişkin analizlerde belirtildiği gibi çiftçiler üzerindeki sosyoekonomik bozulmalara atıfta bulunur.^[169] ^[170] ^[171] Açık kaynaklı hassas fermantasyon savunuculuğu, teknolojiyi demokratikleştirmeyi ve mülkiyet tekellerine karşı koymayı amaçlasa da, ölçeklenebilirlik ve biyogüvenlik tartışmalı olmaya devam etmektedir.^[172] Bu sorunlar, ampirik güvenlik kayıtlarının etiketleme ve bağımsız denetimler için ihtiyati taleplere karşı tartıldığı daha geniş biyoteknoloji tartışmaları arasında devam etmektedir.^[173] ^[174]

Çevresel ve Ekonomik Etkiler

Kaynak Kullanımı ve Verimlilik

Endüstriyel fermantasyon süreçleri, organik substratları mikrobiyal metabolizma yoluyla ürünlere dönüştürür; kaynak verimliliği, substrat dönüşüm verimleri, ürün titreleri, hacimsel üretkenlik ve yukarı akış hazırlığı, fermantasyon ve mansap ayırma sırasındaki su ve enerji girdilerinin minimizasyonu ile belirlenir. Substrat verimleri işleme göre değişir ancak genellikle optimize edilmiş koşullar altında teorik maksimallere yaklaşır; Saccharomyces cerevisiae kullanan etanol üretimi için endüstriyel verimler, gram glikoz başına teorik 0,51 g etanolün %90’ını aşarak uygulamada yaklaşık 0,46 g/g’a ulaşır. Daha yüksek ürün titreleri, mansapta işlenen et suyu (broth) hacmini azaltarak verimliliği doğrudan artırır, böylece buharlaşma ve damıtma için enerjiyi düşürür; etanol fermantasyonunda %6’lık bir titre artışı buhar kullanımında %4-6’lık düşüşlerle ilişkilidir, laktik asit süreçleri ise titre iyileştirmelerinden %21 su tasarrufu göstermiştir. Bu metrikler, optimize edilmemiş fermantasyonlarda yaygın olan düşük titrelerin kaynak taleplerini artırdığını vurgulamaktadır; çünkü seyreltik ürünleri ayırmak, %33 konsantrasyonda 0,09 kg’a kıyasla %10 konsantrasyonda ürün kg başına 0,9 kg’a kadar su tüketen büyük su hacimlerinin buharlaştırılmasını gerektirir.

Su tüketimi, özellikle işleme sürecinin tek başına etanol galonu başına 2-4 galon talep ettiği biyoyakıt üretiminde önemli bir verimsizlik olmaya devam etmektedir; mısır gibi hammaddeler için yapılan önemli sulama hariç tutulduğunda, bu durum enerji çıktısının gigajoule’ü başına 110-140 m³’lük toplam su ayak izine katkıda bulunur. Bu, biyokütleden elde edilen biyo-elektrikteki verimlilikleri (örneğin şeker pancarı için 50 m³/GJ) aşmakta ve modern tesislerdeki geri dönüşüm bazı kayıpları hafifletse de fermantasyonun mikrobiyal büyüme ve soğutma için seyreltmeye olan bağımlılığını vurgulamaktadır. Mansap damıtma ve sterilizasyonun (örn. konsantrasyon için buhar) hakim olduğu enerji girdileri, titre etkileri yoluyla dolaylı olarak ölçülebilir; kapsamlı optimizasyonlar, saflaştırma için ısı ve gücü en aza indirerek genel işletme harcamalarını azaltır; örneğin, 2-keto-L-gulonik asit üretimindeki kümülatif %150 titre kazanımları, aşamalar arasında buhar ihtiyaçlarını %38-75 oranında azaltmıştır.

Etanol fermantasyonundan kaynaklanan damıtma atığı (stillage) gibi atık akışları, değerlendirildiğinde verimliliği destekleyen geri kazanılabilir kaynakları temsil eder; bu katılar anaerobik çürütme yoluyla biyogaz verebilir veya hayvan yemi olarak hizmet edebilir ve entegre sistemlerde girdi enerji değerinin %10-20’sini geri kazanabilir. Ancak, gliserol veya biyokütle gibi yan ürünler nedeniyle eksik substrat kullanımı ve kontaminasyona duyarlılık, genellikle birçok biyoyakıt için enerji bazında net verimliliği %50’nin altında sınırlar ve anaerobik metabolizmanın temel prensip sınırlarıyla uyum sağlamak için devam eden suş mühendisliği ve süreç yoğunlaştırmasını gerektirir. Hakemli optimizasyonlardan elde edilen ampirik veriler, fermantasyonun modüler ölçeklenebilirlik sunmasına rağmen, atıktan substrata entegrasyonu olmadan yüksek hacimli uygulamalarda kaynak profilinin kimyasal sentezin gerisinde kaldığını doğrulamaktadır.

Sürdürülebilirlik İddiaları ve Ampirik Gerçekler

Gıda üretiminde hassas fermantasyon savunucuları, hayvan kaynaklı proteinlere kıyasla çevresel yükleri önemli ölçüde azalttığını iddia ederek, arazi kullanımında %99’a, suda %90-95’e ve sera gazı (GHG) emisyonlarında %70-97’ye varan azalmalar olduğunu belirtmektedir.^[175]^[176] Bu iddialar genellikle, Perfect Day’in peynir altı suyu proteini üretimi analizi gibi endüstri tarafından yaptırılan yaşam döngüsü değerlendirmelerinden (LCA’lar) kaynaklanmaktadır; bu analiz, optimize edilmiş enerji kaynakları ve verimleri varsayarak, süt ürünleri eşdeğerlerinden %91-97 daha düşük GHG emisyonları ve %29-60 daha az su kullanımı bildirmiştir.^[175] Benzer şekilde, Verley Food’un fermente süt proteinleri için yaptığı LCA, hayvancılıktan kaynaklanan azaltılmış metanı vurgulayarak, litre başına geleneksel sütten daha düşük genel etkiler öngörmüştür.^[177] Bu tür iddialar, fermantasyonu protein tedarikini karbondan arındırmak için ölçeklenebilir bir yol olarak konumlandırmakta ve Good Food Institute gibi savunucular kirliliği en aza indirirken kaynakları koruduğunu savunmaktadır.^[178]

Ancak ampirik gerçekler, bu projeksiyonları yumuşatan tutarsızlıkları ve göz ardı edilen maliyetleri ortaya koymaktadır. Bağımsız incelemeler, hassas fermantasyonun karbon ayak izinin, yenilenemeyen kaynaklarla çalıştırıldığında faydaları aşabilen mikrobiyal havalandırma, yüksek sıcaklıkta sterilizasyon ve saflaştırma gibi enerji yoğun adımlardan etkilenerek protein tonu başına 5,5 ila 17,6 ton CO2 eşdeğeri arasında büyük ölçüde değiştiğini göstermektedir.^[179] Mahsul kaynaklı şekerlerden elde edilen glikoz gibi hammaddeler, gübre akışı ve arazi rekabeti dahil olmak üzere yukarı akış tarımsal emisyonları içerir ve potansiyel olarak arazi tasarrufu avantajlarını geçersiz kılar; örneğin, mısır nişastasına güvenmek, birinci nesil biyoyakıtlardaki sorunları yansıtır.^[179] Fermantasyon yoluyla rekombinant büyüme faktörlerinin 2023 LCA’sı, besin açısından zengin atık akışları nedeniyle yüksek ötrofikasyon ve asitleşme potansiyelleri bulmuş ve promosyon modellerinde her zaman yakalanmayan değiş tokuşları vurgulamıştır.^[180] Ayrıca, ölçeklenebilirlik zorlukları etkileri artırmaktadır: Mevcut pilot tesisler, iyimser LCA’larda varsayılandan daha düşük verimler elde etmekte ve mansap işlemler toplam enerji kullanımının %50-70’ini oluşturabilmektedir.^[181]

Biyoyakıt fermantasyonunda, etanol üretimi sırasında biyokütle kaynaklı CO2 salınımına dayanan karbon nötrlüğü sürdürülebilirlik iddiaları, tam sistem analizleri ile zayıflamaktadır. Ampirik çalışmalar, genişletilmiş ekim alanları için ormansızlaşma gibi dolaylı arazi kullanım değişikliği (ILUC) hesaba katıldığında, mısır etanolünün benzine göre yalnızca %19-48 GHG tasarrufu sağladığını ve bazı senaryoların net emisyonları %10-100 artırdığını göstermektedir.^[182] Bir FAO değerlendirmesi, hammadde yetiştiriciliğinin, monokültürlerden kaynaklanan su tükenmesi ve biyoçeşitlilik kaybı dahil olmak üzere yaşam döngüsü etkilerinin %70-90’ına hakim olduğunu, damıtma taneleri gibi fermantasyon yan ürünlerinin ise sınırlı denkleştirmeler sağladığını belirtmektedir.^[183] Yalnızca fermantasyondan yılda 50 milyon tondan fazla CO2 üreten ABD etanol üretimi, kullanım teknolojileri henüz yeni ve enerji maliyetli olduğundan, yakalansa bile emisyonların ölçeğinin altını çizmektedir.^[184] Endüstri raporları yerine hakemli LCA’lardan elde edilen bu bulgular, fermantasyonun doğrudan hayvan emisyonlarını önlemesine rağmen, yoğun tarıma ve elektrik şebekelerine olan sistemik bağımlılıkların, özellikle politika zorunlu yenilenebilir entegrasyon veya atık değerlendirmesi olmadan, iddia edilen kazanımları sıklıkla aşındırdığını ortaya koymaktadır.^[185]

Kritik olarak, birçok olumlu LCA, ticari çıkarları olan paydaşlardan kaynaklanmakta ve %100 yenilenebilir enerji veya sıfır ILUC gibi en iyi durum varsayımlarına yönelik seçim yanlılığı getirmektedir; oysa daha geniş ampirik veriler, bağlam bağımlılığını ve modellenmiş ideallerden nedensel çevresel sonuçları ayırt etmek için üçüncü taraf doğrulamasına duyulan ihtiyacı vurgulamaktadır.^[186] Lignoselülozik şekerler veya CO2 fiksasyonu gibi düşük karbonlu hammaddelerdeki ilerlemeler gerçekleri iddialara daha yakın hale getirebilir, ancak 2024 itibarıyla endüstriyel dağıtımlar, ele alınmamış bu dışsallıklar nedeniyle sıklıkla düşük performans göstermektedir.^[187]

Pazar Eğilimleri ve Gelecek Beklentileri

Kimyasallar, biyoyakıtlar ve biyokimyasalları kapsayan küresel endüstriyel fermantasyon pazarının 2025 yılında yaklaşık 97,53 milyar ABD Doları değerinde olduğu ve 2034 yılına kadar yaklaşık %6,8’lik bir bileşik yıllık büyüme oranıyla (CAGR) 176,61 milyar ABD Dolarına ulaşacağı tahmin edilmektedir.^[188] Bu genişleme, özellikle gıda, ilaç ve endüstriyel süreçlerde kullanılan alkoller, organik asitler ve enzimlerde petrokimyasallara biyobazlı alternatiflere yönelik artan taleple yönlendirilmektedir.^[189] Biyoyakıt segmentinde, etanol ve diğer biyo-alkoller için gelişmiş fermantasyon teknolojileri, fosil yakıtların aşamalı olarak kaldırılması sürecinde yenilenebilir enerjiye yönelik politika teşvikleriyle desteklenerek, 2025’ten itibaren %13,9 CAGR ile büyümesi öngörülen bir pazara katkıda bulunmaktadır.^[190] Ancak, Avrupa ve ABD’deki duraklayan ikinci nesil biyoyakıt projelerinde kanıtlandığı üzere, gıda üretimi ile hammadde rekabeti ve tutarsız devlet sübvansiyonları nedeniyle fiili dağıtım projeksiyonların gerisinde kalmaktadır.^[191]

Hedeflenen molekül üretimi için genetiği değiştirilmiş mikroplardan yararlanan bir alt küme olan hassas fermantasyon, pazar büyüklüğünün 2025’te 4,31 milyar ABD dolarından 2032’de %43,5 CAGR ile 54,04 milyar ABD dolarına yükseleceği tahminiyle en hızlı yörüngeyi sergilemektedir.^[192] Temel uygulamalar arasında, Perfect Day ve Remilk gibi şirketlerin üretimi ölçeklendirdiği süt ve et analogları için hayvansız proteinler yer almakta ve geleneksel tarımdan kaynaklanan çevresel baskıların ortasında hayvancılığa olan bağımlılığı azaltmaktadır.^[193] Bitki bazlı ve laboratuvar ortamında yetiştirilen gıdalara yönelik tüketici değişimleriyle beslenen fermantasyon girişimleri için 2 milyar ABD dolarını aşan fonla 2023-2024’te yatırım artmıştır; ancak tüketici kabulü, yoğurt veya bira üretimi gibi geleneksel fermantasyon yöntemlerine kıyasla tat tutarsızlıkları ve daha yüksek maliyetlerle sınırlı kalmaktadır.^[194]

Gelecek beklentileri, biyoreaktör altyapısı için yüksek sermaye maliyetleri ve enerji yoğun mansap işleme gibi ölçeklenebilirlik engellerinin aşılmasına bağlıdır; bu engeller şu anda birçok hassas ürünü sentetik veya tarımsal muadillerinden 2-5 kat daha pahalı hale getirmektedir.^[195] İyimser senaryolar, mikrobiyal suş optimizasyonu ve sürekli fermantasyon sistemleri yoluyla maliyet düşüşleriyle fermantasyonun 2035 yılına kadar protein pazarının %10-20’sini ele geçireceğini öngörmektedir, ancak pilot tesislerden elde edilen ampirik veriler, sübvansiyonlar olmadan ekonomik uygulanabilirlik için verimlerin iki katına çıkması gerektiğini göstermektedir.^[196] Farmasötiklerde, fermantasyon türevi enzimlerin ve biyolojiklerin, yerleşik tedarik zincirleriyle desteklenerek %5-7 CAGR ile istikrarlı bir şekilde büyümesi beklenmektedir, ancak yeni genetiği değiştirilmiş organizmalar için düzenleyici engeller, GDO’lu gıdalara yönelik AB kısıtlamalarında görüldüğü gibi onayları geciktirebilir.^[197] Genel olarak, teknolojik gelişmeler daha geniş bir benimsenme vaat etse de, pazar penetrasyonu kimyasal senteze göre doğrulanabilir verimlilik kazanımlarına bağlı olacaktır; biyoyakıtlar elektrikli araç geçişlerinden kaynaklanan ters rüzgarlarla ve biyokimyasallar daha ucuz petrol türevleriyle rekabet etmektedir.^[198]

Segment	2025 Pazar Büyüklüğü (Milyar USD)	Öngörülen 2030-2034 Büyüklüğü (Milyar USD)	CAGR (%)
Fermantasyon Kimyasalları	97,53	176,61 (2034)	6,8
Hassas Fermantasyon	4,31	54,04 (2032)	43,5
Gelişmiş Biyoyakıtlar (Fermantasyonla İlgili)	~1,7 (2024 bazından tahmini)	Politikaya göre değişir	13,9