Әл-Фараби атындағы Қазақ Ұлттық Университеті

​

​

Дәріс 2.

Биотехнологиялық өндіріс, негізгі сатылары, өндірісте қолданылатын әдістер

​

​

​

Дәріскер: б.ғ.к., проф. Уалиева П.С.

​

​

​

​

​

Дәрістің мақсаты: Биотехнологиялық өндіріс, негізгі сатылары, өндірісте қолданылатын әдістер

​

Дәрістің міндеттері: Биотехнологиялық өндіріс, ферментациялау ерекшеліктері туралы мәліметтер беру

�Қазіргі кезде жаңа өндірістерді жабдықтау кезінде екі міндет қойылады:��1. Масштабтау- зертханалық жағдайларда немесе тәжірибиелі- өндірістік қондырғыларда алынған мәліметтер негізінде қондырғыларды есептеу.�2. Оптимизация- қондырғының түрін, жұмыс істеу режимін, техникалық сызбалардың пайдалы түрлерін таңдау.�� Масштабтау және оптимизациялау кезінде математикалық моделдеу жүргізіледі. Математикалық моделдеуде негізгі процесс жылдамдығының субстрат компоненттерінің концентрациясына және температураға тәуелділіктері есептелінеді. Осының негізінде оптималды технологиялық режим таңдалынып алынады. �

Биотехнологиялық жүйе биообъектілерден, шикізаттардан және технологиялық жағдайлардан тұрады, өндіріс үшін белгілі бір өнім алуда қондырғылар құрастырылады. Микроорганизмдер орталық звено болып табылады, ал қондырғылармен жабдықтау олардың биологиялық қасиеттеріне байланысты жасалынады. �Микробтық клеткадан қандай да бір метаболиттің жоғары өнімділігін қамтамасыз ету үшін микроорганизмдердің генетикасын, биологиясын және физиологиясын білу қажет. �Микроорганизмдерді бөліп алу, оларды дақылдау, оларға арнайы және элективті қоректік орта құрастыру микроб клеткасының метаболизмі, қоректенуі және тыныс алу ерекшеліктеріне тығыз байланысты. �

Биотехнологиялық өндірістің 5 сатысы бар

Биотехнологиялық өндіріс сатылары 5 кезеңнен тұрады:

Предферментация немесе дайындық кезеңі

• Дайындық кезеңі штамм-продуцентті таңдаудан және субстрат дайындаудан тұрады. Өндірістік штамды таңдағанда мынадай талаптарға сай болу керек:

​

Қоректік ортаны және субстратты дайындау

​

​

Ферментация

• Ферментация - биотехнологиядағы ең маңызды саты болып табылады. Осы саты барысында биологиялық агент мақсатты өнімге айналады. Ферментативтік процестің динамикасы мен қарқыны биологиялық кезеңмен, продуцент-штамның өсуі мен көбеюіне тікелей байланысты. Сондықтан биологиялық нысанның күйін, метаболизмдік процестің динамикасын біліп, есепке алу бүкіл ферментация процесінің шешуші шарттары ретінде қарастырылады.

Биологиялық агентті өсіру үшін мына параметрлерді ескеру керек:

• -температура
• -алмастырғыштың айналу уақыты
• -аэрация
• -қысымды қадағалу
• -рН
• -көмірқышқыл концентрациясы
• -көбікті басып отыру
• -микроорганизмдердің дамуын қадағалау

​

Ферментациялық процесс биореактор деп аталатын қондырғыларда жүргізіледі. Биреакторлар жұмыс тәртібі жағынан ғана емес (мерзімді және үздіксіз), ол көлемі және қолдану мақсатына қарай зертханалық- көлемі 3-10 л, өндірістік немесе пилоттық- 30-100 л болып бөлінеді. Ал өсіру жағдайы бойынша беттік және тереңдік деп ажыратылады.

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

​

• Өндірістік ферментерлер Зертханалық ферментер

БИОРЕАКТОР

• Биореактор – биотехнология өндірісінде микроорганизмдерді, өсімдік және жануар клеткаларын өсіру үшін қолданылатын аппарат.
• Биореакторлар өндірістік көлемдерде антибиотиктер мен азықтық ашытқылар дәуірінде жасалынды. Өндірістік биореактор көлемі ондаған мың литрге дейін жетеді. Цилиндрлік сыйымды аппараттар болады, биіктігі диаметрінен 2-2,5 есе артық, тотықпайтын құрыш материалдан дайындалады.
• Биореакторлардың көптеген конструкцияларын аэрация және араластыру әдісіне байланысты бөлінеді.

Биореактор құрылысы

Биореактор саңылаусыз цилиндрлік сыйымды аппарат, биіктігі диаметрінен 2 есе артық. Аппарат ішінде араластырғыштар орналасады. Қалақшалар саны 4-6 болуы мүмкін. Араластырғыштар биомассаның алмасуын, субстраттың біркелкі араласуын қамтамасыз етеді. Температуралық тәртіпті ұстап тұру үшін ферментерлердің сыртқы және ішкі қабат арасында берілген температурада су ағыны болады. Биореактор қоректік ортаны, субстрат, су және буды, рН ортаны реттеуші ерітінділерді, көбікті басушылар аэрациялау үшін арнайы түтіктермен жабдықталған. Ферментация процесін автоматты реттеу үшін арнайы өлшеуші приборлар қосылған.

Биореакторларда өсіп жатқан клеткаларға қай мезгілде болса да әр түрлі факторлармен әсер етуге болады (температура, жарық, газдар, физиологиялық активті заттар, рН, т.с.с) және өсіру циклінде өсу динамикасы мен метаболизмді зерттеу үшін біраз мөлшерде оларды биореактордан шығарып алып тұруға болады.

Биореакторлар жұмыс тәртібі жағынан ғана емес, көлемі, алға қойған мақсаты жағынан, өсіру жағдайы бойынша ерекшеленеді. Өсірілген жасушылардың биокатализдік қасиеттерін тиімді пайдалану үшін оларды биореактор ішіндегі ұстағыштарға орнықтырады, ал қоректік зат оларды жуып өткен сияқты болады, клеткалар ұзақ уақыт ферментативтік белсенділікті көрсетеді.

​

Биореакторлар араластыру бойынша екі топқа бөлінеді:

Механикалық Пневматикалық

Механикалық биореактор

​

Механикалық араластырылатын биореакторлардың механикалық немесе магниттік араластырғыштары болады, кейбіреуі өздері айналады. Араластырғыштар әртүрлі жылдамдықпен айналады және қалақтары алуан түрлі болады.

​

Пневматикалық биореактор

Пневматикалық биореактордың барботаждық және аэролифтік түрлері болады. Барботаждық биореакторларда көтерілген ауа көпіршіктері әрекет етеді, ал аэролифтік биореакторда арнайы конструкциясы (араластырғышы) болады, соның арқасында суспензияда тығыздық градиенті пайда болып, ол араласады.

​

Биореакторда мына процестер жүреді:

​

• Сұйық фазада микроорганизмдер өседі, дамиды;

​

• Микробтың клеткаларына қоректік заттарды тасымалдайды;

​

• Микробтың клеткалардан олардың алмасу өнімін алыстатады;

​

• Өсірілген биомассадан клеткадан тіршілік әрекеті нәтижесінде бөлінген жылуды алыстатады;

Өнімдерді алу процесі кезеңдері

• Биокатализ (biocatalysis) (гр. bio(s) — тіршілік және katalysis — бұзылу) — тірі организмдердегі химиялық реакциялардың ферменттер қатысында жылдам жүруі.
• Биодеградация (биологиялық жолмен ыдырау) — күрделі заттардың, материалдардың, тірі организм тіршілігіне қажетті өнімдердің ыдырауы.
• Биоконверсия - тірі организмдердің қатысуымен заттардың айналу процесі, анығырақ айтқанда бір байланыстың тірі ағзалардың ферменттік жүйесінің қатысуымен басқа байланысқа айналуы.
• Биосорбция – бұл белсенді лай мен сорбенттердің (белсенді көмір, ұнтақ тәрізді) бірлескен түрін қолдану. Биологиялық тазалаудың тереңдігі артады және процесс үдетіледі.
• Биосинтез — тірі организмдер арқылы табиғи органикалық қосылыстардың синтезі.
• Биокомпостау – бұл табиғи аэробты процесс. Мұнда оттегі қатысуымен топырақ бактериялары әсерінен органикалық қалдықтар ыдырап, гумусқа бай компостқа айналады.

​

​

Биомасса мен сұйықтықты бөлу

• Коагуляция – коагуляция (лат coagulatio – ұю) коллоидтардың жібуі. Органикалық заттардың тұнбаға түсіп жібімейтін әрі ерімейтін затқа айналуы.
• Флотация (фр. flottation, flotter — жүзу, қалқу, қалықтау) — пайдалы қазбаларды байытудың әдістерінің бірі.
• Центрафугалау — орталыққа тепкіш күштің әсерінен бірыңғай емес жүйелердің тығыздығына байланысты фракцияларға бөлінуі.
• Микрофильтрация — мембранды процесс, сулы немесе газды қоспаларды диаметрі 100-0,1 мкм (микрон) болатын қосылыстардан бөлу процесі.
• Ректификация (лат. rectus — тіке, тура және facio — жасаймын) — бу мен сұйық орта арасында жылу алмасу және масса алмасу қатысындағы бинарлы немесе көп компонентті қосылыстардың ажырауы.

Клеткадан тыс өнімдерді бөліп алу�

Өнімді тазарту

Өнімді концентрлеу

Кептіру

Тұндыру

Фильтрация

Өнімнің тауарлық түрін алу

Биотехнологиялық процесстің соңғы кезеңі – өнімдердің тауарлық формаларын алу. Микробиологиялық синтезде көпшілік өнімдердің жалпы құрамы олардың жеткілікті емес түрде тұрақты сақталуы болып табылады, дегенмен олар бүлінуге жақын болып келеді, бөгде микрофлоралардың өсуі үшін ең қолайлы орта болады. Бұл биотехнология өндірісінде технологтарға препараттардың сақталу мерзімін жоғарылату мақсатында арнайы шараларды қолдануына итермелейді. Медициналық мақсатта арнайы шешімдер негізінде препараттарды қалыпқа келтіру және қаптау стерильді түрде жүзеге асырылады.

​

Қорытынды

Микробиологиялық синтездің тиімділігінің жоғары болуы штам-түзгіштердің аса белсенділік көрсетуіне байланысты. Олардың негізгі қасиеттсріне өсу қарқындылығының жоғарлылығы, ақырғы өнімі мол болатын арзан субстраттарда өніп-өсуінің шапшаңдығы, экономикалық бағалылығы, әртүрлі жұқпалы ауруларға төзімділігі мен тұрақтылығы жатады. Өндірісте селекциялық және генетикалық инженерияның әдістерін қолданып алынған табиғи штамдардың мутанттарын қолданады. Бұнда табиғи штамдардан микроб массасын алу, ал генетикалық бағалы штамдарды қоректік ортаға бөлетін метаболиттік өнімдер алу үшін пайдаланады. Бұл үшін табиғи штамдарды қолдануға болмайды, өйткені оларда метаболиттердің шамадан тыс мөлшерде бөлінуіне кедергі келтіретін бақылаушы механизмдер бар.

Бақылауға арналған сұрақтар:

1. Өндірістерді жабдықтау кезінде қандай міндеттер қойылады?
2. Биотехнологиялық өндіріс, оның негізгі сатылары қандай?
3. Биореактор, биореактордың құрылысы, атқаратын функциялары қандай?
4. Өнімдерді бөліп алу әдістері және ерекшеліктері қандай?

Пайдаланылған әдебиеттер

• Санитарная микробиология : учебное пособие / Р. Г. Госманов, А. Х. Вол- ков, А. К. Галиуллин, А. И. Ибрагимова. — 3-е изд., стер. — Санкт- Петербург : Лань, 2021. — 252 с.
• Дроздова Т.М. Микробиологический контроль продовольственных товаров. Кемеровский гос.унив-т, 2015.
• Азаров В.Н. Основы микробиологии и санитарии. - М.: Экономика, 2018. – 207с
• Г.Ж.Абдиева, А.С.Кистаубаева, И.С.Савицкая. Тағамдық өнімдерді санитарлы-микробиологиялық бақылау. Алматы, Қазақ университеті, 2014 ж.

​

​

​