Микробиологиялық синтездің дайын өнімін бөлу сатысы

Ферментация сатысының соңғы өнімі болып, микроорганизм суспензиясын құрайтын культуральды сұйықтық саналады.

Культуральды сұйықтық болып үлкен мөлшерде араласқан күрделі компонент саналады, осының көбісі физико – химиялық қасиетке ие болады. Бірқатар еріген минералды тұздармен қатар көмірсу, ақуыз және басқа органикалық заттар мен жартылай дисперсті коллоидты бөлшектердің белгілі санын культуральды сұйықтық құрайды. Олар көп компонентті ерітінді ғана емес, және сонымен қатар суспензия болып табылады, бұл суспензияның дисперсті фазасы микроорганизм жасушасынан және мицелиядан тұрады, сондай-ақ қатты бөлшектен, көбінесе қоректік орта - ұн, жүгері экстрактісіндегі қауыздан және тағы басқалардан құралады. Культуральды сұйықтықтың сипатының ерекшелігі болып дайын өнімнің салыстырмалы құрамы саналады. Мысалы: ашытқы өндірісіндегі биомасса құрамы 5-10 % құрайды, ал бактериялық препарат өндірісіндегі биомасса құрамы 1-2 % аспайды.

Көбінесе микробиологиялық синтездің дайын өніміне әр түрлі факторлардың әсер етуі дәлелденген және тұрақты емес. Мысалы, ақуызды қыздырғанда сезімталдылығының күштілігі, көптеген физикалық және химиялық фактордың әсері, ортаның рН өзгергіштігі. Дайын өнімді бөлу технологиясын өңдеуде, культуральды сұйықтықтың физико– химиялық қасиетін ескермегенде, оның дайын өнімдегі төменгі концентрациясын ескеру қажет және биопрепараттың дайын тауарлы формасының түрін ескерту керек. Барлық биопрепараттың тауарлы формасының технологиясы жағынан негізгі үш топқа бөлуге болады.

Бірінші топта –инактивтелген жасушаның биомассасы негізінде және оның өңделу негізіндегі өнім, биопрепараттар (азықтық ашытқы, саңырауқұлақ мицелиясы және т.б.).

Екінші топта – микроорганизмнің метаболизмі негізіндегі тазартылған өнім, биопрепараттар (витаминдер, аминқышқылдары, ферменттер, антибиотиктер және т.б.).

Үшінші топта – микроорганизмнің тіршілік етуге қабілеті негізіндегі, препарат (өсімдікті қорғайтын препараттар, бактериялы тыңайтқыштар және азықтықты силостау үшін ашыту т.б.).

Биопрепараттың тауарлы формасын таңдау өнімнің қасиетіне байланысты, қолдануға қолайлығына, тасымалдауда және сақтауда биологиялық қасиетін сақтауына байланысты және т.б. қарай таңдалады.

Микробиологиялық синтездің дайын өнімі болып микроорганизм биомассасының өзі болуы мүмкін (инактивтелген немесе тірі жасуша), әлде метаболизмнің өнімі культуральды сұйықтықта еріген күйінде немесе жасушаның ішінде болады .

Бірінші топтағы биопрепаратты алу үшін инактивтелген биомассаны бөлу, технологиясы жағынан қарапайым және культуральды сұйықтық концентрленген болып келеді (немесе одан биомасса бөліп алынған) және кептіріледі.

Метоболит негізінде өнімді бөліп алу технологиясына байланысты, культуральды сұйықтықта дайын өнімнің болуы немесе микроорганизм жасушасының ішінде болуы. Бірінші жағдайда осындай әдістер қолданылады, немесе экстракция әдісі қолданылады, немесе жасуша қабырғасын (бұзғасын) дезинтеграциялаудан кейін дайын өнімді бөліп алады.

Үшінші топтағы биопрепаратты алу үшін тіршілік етуге қабілетті микроорганизмдерді бөліп алу (концентрлеу, кептіру) әдісін қолдану, бірақ өндірістің жоғарғы культурасы қажет болмайды.

Дайын өнімді өте жиі бөлуде бір ғана әдісті қолдану мүмкін емес. Сондықтан комбинирленген бірнеше әдістер қолданады.

Инактивтелген биомассаны бөліп алу

Қазіргі кезде көптеген биопрепараттар микробиологиялық концентрат түрінде өндіріледі. Микробиолгиялық концентраттың негізгі бөлімі ауыл шаруашылығының мал азығын құнарландыруға қоспа ретінде ( азықтық ақуыз, азықтық антибиотик, аминқышқылы, фермент) қолданылады.

Микробиологиялық концентраттар культуральды сұйықтық белгілі бір ылғалдылық дәрежесіне дейінгі кептірілген түрі болып келеді. Демек, олар микроорганизм биомассасын, оның метоболизм өнімдерін, қоректік ортаның қалдық компонентін, көбік сөндіргішті және т.б. құрайды. Кейбір жағдайда концентрат алуда культуральды сұйықтықты өңдеу қажет болады, дайын өнімді концентрлеу мақсатында немесе қажет емес компонент бөлінгенде.

Микробиологиялық концентратты алуда басқа биопрепаратпен салыстырғанда соңғы өнімді бөлу сатысының технологиясы қарапайым.

Жалпы барлық микробиологиялық концентрат үшін суды толығымен немесе суды біртіндеп жою болып саналады. Концентрат алуда негізгі технологиялық операция - булау және кептіру.

Тасымалдауда, ұзақ уақыт сақтауда жарамды ақуыз препаратын алуда жасуша биомассасының ылғалдылығын 8-10 % дейін кептіру керек. Микроорганизм массасының маңызды жағдайы, бағалы биологиялық активтік зат тез жойылып және әрмен қарай бұзыла бастайды.

Жасуша суспензиясы буланғаннан кейін, құрғақ заттың 24-26 % құрайтын арнайы кептіргіш қондырғыда кептіріледі.

Кептіргіш қондырғы. Жаншып үгетін білікті кептіргіш өнімділігі аз өндірілетін өндірісте қолданылады. Кептіру процесіндегі мұндай аппаратта айналатын барабанның ыстық бетіне биомасса суспензиясы жанасады. Мұндай кептіргіштің құрылысы бір және екі білікті батырылған және батырылмаған кептіргіш болып келеді. Батырылмаған ВСГ түрдегі екі білікті кептіргіш екі жартылай көлденең болаттан жасалған барабаннан тұрады (29 сурет). Барабанның бу берілетін жанында жабылатын қақпағы бар. Барабан құрылысы параллель түрде болып келеді. Барабанның жанының жоғарғы жағында барабан мен ваннаның арасында сына орнатылған, оған бимомасса концентраты үздіксіз келіп түседі. Биомасса концентраты ваннада шамамен 100⁰С температураға дейін қыздырылады және осы кезде судың бір бөлігі буланып кетеді. Барабан бір – біріне қарама – қарсы айналғанда жасуша биомассасы жұқа қабатпен оның бетіне жағылады, және ылғалдылығы 8-10 % дейін кептіріледі.

Құрғақ биомасса барабанның бетінен пышақпен сылынып алынады және көлденең шнекке құйылып түседі. Содан соң буып түюге беріледі.

29 сурет- Екі білікті батырылмаған түрдегі булау кептіргіш:

1-көлденең шнек;2-пышақ;3-қима;

4-барабандар; 5-қақпақ; 6-конденсатты шығаратын түтік;

Батырылған түрдегі екі білікті кептіргіш аппарат СДА 1200/3600 жоғарыда айтылғаннан айырмашылығы бар кептіргіш барабан жасуша суспензиясымен ваннаға батырылған және өздігінен жұмыс істейді (30 сурет).

Суспензия ваннада бұлғағыш араластырғышпен араластырылады, ваннаға берілер алдында жылу алмастырғышта қыздырылады. Білікті кептіргіште ақуыздың жоғалуы 15 % жетеді.

30 сурет - Екі білікті батырылған түрдегі булау кептіргіш:

1-шнек; 2-пышақ; 3-барабандар;

4-ванналар; 5-араластырғыштар;

6-жылуалмастырғыш.

31 сурет - Ортадан тепкіш шашыратқыш кептіргіш:

1- ортадан тепкіш шашыратқыш механизм;

2-бағыттағыш аппарат;

3-жылу тасымалдауға арналған газ өткізгіш;

4-кептіргіш камера;

5-өнім жинауға арналған затвор;

6- пневмотасымалдағыш құбыры.

Шашыратқыш кептіргіш микробиологиялық синтездің көптеген өнімін өндіруде қолданылады. Олар кептіргіш агенттің кептіргіш материалымен әрекеттесу әдісімен (тура ағымдағы, қарама – қарсы ағымдағы немесе аралас ағымдағы), температурамен және газ-тасымалдағыш құрамымен, шашыратқыш механизм қондырғысымен және т.б. ажыратылады.

Азықтық ашытқыны кептіруде өнімділігі жоғары шашыратқыш кептіргіш қолданылады. 31 суретте ортадан тепкіш күшпен жұмыс жасайтын шашыратқыш кептіргіштің төменнен кептіргіш агент жүргізілген сызба нұсқасы келтірілген.

Ашытқы суспензиясы табанша дискіге аз қысыммен шашыратқыш механизмге үздіксіз беріліп отырады.

Диск айналғанда пайда болатын ортадан тепкіш күштің әсерінен ерітінді қабықша түрінде үздіксіз жоғарғы жылдамдықпен дискінің шет-шетіне көшеді және майда тамшыға 50-70 мкм ыдырайды. Кептіргіш агент (ауамен араласқан түтінді газ немесе қыздырылған ауа) бағыттағыш аппаратпен бітетін газ өтетін түтік арқылы кептіргіш камераға беріледі. Бағыттағыш аппараттың көмегімен жылу кептіргіш камераға кіретін жерде жылу тасымалдағыштың үлкен жылдамдығы пайда болады және бір мезгілде спираль тәрізді жылу тасымалдағыштың жылжуы бағытталады. Азықтық ашытқыны кептіру кезінде кептіргіш агенттің алғашқы температурасы 300-350⁰С температураға жетеді. Шашыратылған ашытқы суспензиясы жылу тасымалдағышпен байланыста болғанда суды жоғалтады- кептіріледі.

Шашыратқыштың жоғары дәрежесінің арқасында ашытқы суспензиясынан судың булануы сол мезетте өтеді, соның көмегімен кептіргіш агент тез салқындайды және оның температурасы кептіргіштен шығу кезінде 90⁰С температурадан аспайды. Жәнеде кептірілген ашытқылар осы температурадан жоғары қыздырылмайды.

Ұнтақ түріндегі құрғақ азықтық ашытқылар кептіргіштің төменгі конусты бөлігіне келіп түседі, сол жерден үздіксіз жойылып отырады. Қолданылған жылу тасымалдағыш кептіргіш камерадан газ өткіш арқылы шығарылады. Ашытқылардың бір бөлігі (15-20 %) жылу тасымалдағышпен бірге шығарылады және оны ұстау үшін арнайы шаң ұстағыш аппараттар – циклондар орнатылады.Құрғақ ашытқы конусты кептіргіштен және циклоннан пневмотасымалдағышпен буып түюге беріледі.

Шашыратқыш кептіргіш күрделі және қауіпсіз қондырғы болып келеді, сол себептен оның жұмысын автоматтандыруға тырысады. Кептіру процесін автоматты басқару, процесті тиімді етуге көмектеседі, кептірілген өнімнің сапасын жоғарылатады, отынның және энергияның меншікті шығынын қысқартады.

Культуральды сұйықтықтан метоболизм өнімін бөліп алу

Биологиялық активті зат мысалы, антибиотик культуральды сұйықтықта ерітінді түрінде болса, оны шығарып алу үшін экстракция немесе ионалмасу әдісі қолданылады.

Сұйық экстракция әдісі

Сұйық экстракция бір сұйықтықтан басқа сұйық затты шығарып алу процесі болып саналады. Судан органикалық еріткішпен затты экстрагирлейді (экстрагент), ал органикалық еріткіштен затты сумен экстрагирлейді. Әдетте сумен араласпайтынын органикалық еріткіш қолданылады. Демек,экстракция процесіне екі сұйық фаза – экстрагент және бастапқы ерітінді қатысады. Экстракциядан кейін алынған фазаны экстракт және рафинат деп атайды (немесе ерітіндімен өңделген дейді).

Экстракция әдісі культуральды сұйықтықтан дайын компонентті бөліп алу ғана емес және белгілі бір мөлшердегі қоспаны шығаруға және концентрлеуге мүмкіндік береді. Белгілі бір көлемдегі заттың сулы ерітіндісін экстракциялау үшін, мысалы антибиотикке органикалық ерітіндінің (экстрагенттің) ерімейтін немесе суда әлсіз еритін белгілі мөлшерін қосады.

Сулы және органикалық фазаны араластырады және сосын тұндыру немесе центрифугирлеу арқылы бөледі. Нәтижесінде экстракт және қолданылған ерітінді алынады. Лабораториялық жағдайда экстракция бөлгіш воронкада жүргізеді. Экстракция процесінің негізгі сипаттамасы болып,органикалық фазадағы таратылатын заттың тепе – тең концентрациясының С_о (экстракт) сулы фазадағы С_в (рафинатқа) тепе – теңдік концентрациясына қатынасы болып келетін К_р тарату коэффициенті саналады:

К_р = С_о / С_в .

Тарату коэффицентінің мәні бойынша экстрагенттің экстракциялау қабілеттілігі туралы талқыланады. К_р тарату коэффициенті жоғары болған сайын, осы экстрагенттен дайын компонентті шығарып алу қабілеті де жоғары болады. Затты бөліп алу саны экстракциялау процесінің ұзақтығына байланысты жоғарылайды. Бірақ көптеген лабильді биологиялық активтік заттар үшін экстракция процесінде экстракциялау уақытын қысқарту керек. Одан басқа үлкен көлемдегі культуральды сұйықтықты қайта өңдейді (ондаған тонна), сонымен қатар экстракциялау уақытын азайтуды қажет етеді.

Экстракция процесінің жылдамдығын ұлғайту үшін фазалар арасындағы арақатынасының бетін барынша дамыту қажет. Бұл экстрагенттің майда тамшыларға қарқынды диспергирленуінен басқа сұйықтықтағы біркелкі таралуымен қол жеткізілуі мүмкін.

Бұл кезде фазаның бетіне жанасатын бетінің ауданы өсіп қана қоймайды және бөлінетін заттың ауысуындағы кедергісі азаяды. Экстракция процесінің жылдамдығының ұлғаюына сұйықтықтың қарама–қарсы қозғалысының құрылуы жағдай жасалады. Бұл жағдайда экстрагенттің дайын компонентін құрамайтын ерітіндімен байланысты болады, онда тікелей қаныққан дайын компонент экстрагенттің бастапқы ерітіндісімен байланыста болады.Көптеген культуральды сұйықтықтар ақуыздар, жоғарғы аминдер, эмульгатар болып келетін май қышқылының тұзы құрайды. Культуральды сұйықтықта экстрагенттің диспергирлеген кезде толық бөлінбеуінен дайын компоненттің және ерітіндінің жоғалуына алып келетін берік эмульсия пайда болады.

Эмульсияның бұзылуы ортадан тепкіш күштің әсерінен болады.

Эмульсияның бұзылу ұзақтығы минимальды болуы керек (10 сек көп емес). Сондықтан экстракция, мысалы антибиотик ортадан тепкіш экстрактор – сепараторда жүргізіледі және бір мезгілде эмульсияның бұзылуы екі сатыда да болуы мүмкін, біріншісінде экстракция процесі бір аппаратта, ал ортадан тепкіш сепараторда немесе эмульсияны суперцентрифугирлеп бөлуде.

Өнімділігі аз мөлшерде өндірілетін зауыттарда периодты экстракция қолданылады, ал араластырғыш бұлғағышы бар аппаратта түбі конусты бөлгіш воронкада жүргізіледі. Аппарат салқындатуға арналған жейдемен жабдықталған.Аппаратқа культуральды сұйықтықтың және экстрагенттің белгілі мөлшерін құяды, рН мәнін қажет мәнге жеткізуге дейін қышқыл немесе сілті ерітіндісін құяды. 10-20 минут араластырады, сулы және органикалық фаза сепарациялау әсерінен бөлінеді. Зауытта тәулігіне ондаған тонна культуральды сұйықтықты үздіксіз экстракциялап өңдеуде қолданылады. Культуральды сұйықтық, күкірт қышқылы (немесе сілті ерітіндісі) және органикалық еріткіштер экстрактор – араластырғышқа беріледі. Араластырғышта алынған эмульсия табақша сепараторға немесе түтікшелі жоғары центрифугирлеуге бөлуге жіберіледі.

Экстракциялауға арналған апараттар. Экстракциялаудың және сепарирлеудің жеке процесінде көбінесе құйылып тұратын инжектор – араластырғыш қолданылады (32сурет), мұнда сұйықтық жұқа диспергирленуге жетеді.Мұндай араластырғыштың құрылысы қарапайым және сенімді, қозғалушы бөлігі болмайды.

32 сурет - Құйылып тұратын араластырғыш-инжектор:

1-тұмсық; 2-саңылау; 3-штуцер; 4-соратын құбыр өткізгіш;

САЖ- 3 М сепараторы антибиотик өндірісіне арнайы жасалған. Эмульсия сепараторға жоғарыдан беріледі, барабанның орталық аузы арқылы төменгі бөлігіне беріледі және табақша ұстағыш саңылау арқылы барабан камерасына түседі, табақшада екі саңылау бар, сол жерден табақша арасындағы саңылау арқылы сұйықтық өтеді.

Сепаратор ротордың айналуы 4000-7000 айн /мин ортадан тепкіш күшті құрайды, осы күштің әсерінен ауыр сұйықтықтар барабанның шеттеріне лақтырылып табақша бойымен төмен қарай ағады, ал жеңілі табақша бойымен жоғары көтеріледі (33 сурет).