34 Сурет - Ионитті фильтр:
а-жабық ( напормен); б-ашық ( напорсыз);
1-фильтрдің корпусы; 2-сұйықты тарататын қондырғы;
3-ионит; 4-қалпақшалар; 5- дән тәрізді материал қабаты;
Тарататын қондырғы крестовина болып саналады, саңылауы бар құбыр винипласттан тұрады,сұйықтықтың біркелкі келуін немесе шығарылуын қамтамасыз етеді. Напорлы фильтрді іс жүзінде қолданғанда ерітіндіні жоғарыдан берілгенде біраз кемшілігі бар, ионит қабат мұндай фильтрде қозғалмайды, және сығылған қысыммен сұйықтық айдалады. Бұл ионит бөлшектерден үгіліп түсіп канал пайда болады, сол арқылы сұйықтықтың біраз бөлігі өтеді, демек дәннің барлығы ион алмасу процесіне қатыспайды, бағананың өнімділігі азайады.
Бағананың өнімділігі тұрып қалған аумақта және шығарылуда азаяды, одан басқа да тұрып қалған аумақтың қабатында микрофлорамен фильтрді инфицирлеу қаупі бар.
Ашық фильтрде (34 сурет, б) мұндай кемшіліктер жоқ. Нативті ерітінді бұл фильтрге төменнен жылдамдықпен беріледі, ионит дәні сұйықтықта ұсталады. Бұл кезде иониттің әрбір дәні барлық жағынан ерітіндімен жуылады және ионит тиімді қолданылады.Төменнен берілген сұйықтық бағанадан патрубка арқылы шығарылады. Жоғарғы кеңейтілген бөлігі бағанадағы иониттің майда бөлшектерін ауыр күштің әсерімен тұндыру үшін қолданылады, тұндырғыш функциясын атқарады. Тұнбаның тұнуы ағымның жылдамдығын азайтады, конусты бөлігі жылжыған кезде тұнған және сұйықтықты құйғанда басқа жаққа ағып кетеді, жоғары ернеуінен сақиналы қалтаға тұнған ионит бөлігі құюға арналған патрубка арқылы бағанаға қайтарылады.
Ашық фильтрдегі сияқты, бұл жабық фильтрде ион алмасу бағанадада антибиотик өндірісінде сорбция процесі жүзеге асырылады, ал содан соң антибиотик десорбцияланады. Бағананың жұмыс істеуі келесідей жүргізіледі. Бағанаға толтырып салынған ионит арқылы үздіксіз белгілі жылдамдықпен натрий ерітіндісін өткізеді. Антибиотик ионитте біртіндеп қаныға бастайды.Қолданылған ерітінді тазартылғаннан кейін канализацияға жіберіледі. Бағанадан шыққан ерітінді антибиотик концентрациясы ионит мүмкіншілігінше қаныққанша, қалған активтілігі қажетті мәннен жоғары болғанша басқа бағанаға қайта сорбциялауға жіберіледі. Олай болса, антибиотик сорбциясы батареямен тобымен ион алмасу фильтрмен тізбектеліп қосылған. Жұмысқа қосылмаған фильтрде келесідей технологиялық ион алмасу циклінің операциясы жүргізіледі. Натрий ерітіндісін ығыстыру, бағананы толтыру, тұзсыз су, ионитті формалинмен, дезинфицирлеу элюция және содан соң иониттің регенерациясы жүргізіледі.
Антибиотик құрайтын элюат одан әрмен қарай концентрлеу операциясына және антибиотикті тазартуға жіберіледі.
Ашық фильтрдегі сияқты және жабық фильтрде бір ғана бір – бірімен байланысқан фаза, сұйық фаза, аппарат арқылы үздіксіз өткізіледі, ал периодты процесте қатты ионит – басқа фазада өзгереді. Маңызды технологиялық тиімділігі ион алмасу процесін жүргізуге мүмкіндік береді, үздіксіз принциппен бөлгіш аппаратта сорбция зонасында жуу, элюция, сұйықтыққа қарсы жылжу регенерациясы және әрбір зонада ионит береді .
Қазіргі кезде жаңа ион алмасу аппаратының үздіксіз жұмыс жасауын құруға жұмыс жасалуда, ал автоматтандыруға интенсифицирлеуге мүмкіндік жасайды, бұл антибиотикті бөліп алу және тазартудағы болашағы мол процесс.
Жасуша биомассасынан метаболизм өнімін бөліп алу
Микробиологиялық синтездің дайын өнімі жасуша ішіндегі биополимерлер (ақуыздар, липидтер, нуклеин қышқылы), сонымен қатар метоболиттер (ферменттер, антибиотиктер және т.б.) болуы мүмкін. Соның ішіндегі кейбіреулерін жасуша қабырғасын бұзбай бөліп алуға болады, ал басқаларын бөліп алуға алдын ала жасуша қабырғасын дезинтеграциялауға (бұзуға) экстракция жасалады.
Жасуша массасынан экстракция
Мицелиядан антибиотикті экстракциялау болып қатты фазадан еріткішпен дайын өнімді бөліп алу саналады. Сосын экстрагент қатты фазадан шығатын компонентпен бөліп алынады. Антибиотиктер өндірісінде еріткіш ретінде су, сулы ерітінді, қышқыл немесе сілті, органикалық еріткіштер қолданылады.
Қатты фазадан экстракция жүргізу бірнеше әдіспен орындалады: экстракция араластырумен, экстракция жылжымайтын қабатпен, экстракция бір және көп сатылы, тура және қарама-қарсы ағымды болып бөлінеді.
Экстракция араластырумен – антибиотикті шығарып алу қарапайым әдіс. Араластырумен экстракция жасау экстракторда жүргізіледі, ол (герметикалық) нығыздалып жабылатын тот баспайтын болаттан жасалған араластырғыш бұлғағышы бар аппарат. Аппарат қатты фазадан антибиотикті экстракциялау үшін және келесі қолданылған мицелиядан экстракті бөліп алуда қолданылады.
Мицелияны люк арқылы экстракторға салады және осыған еріткішті құяды есеп бойынша мицелияның 1 бөлігі массасына, еріткіштің 3 бөлік массасы қосылады. Процесс 1 сағат барлық уақытта араластырумен бөлме температурасында жүргізіледі.
Экстракция біткеннен кейін алынған экстракт сығылған азоттың қысымымен жинағышқа келіп мицелия сүзіледі. Сүзу үшін экстрактордың түбінде сүзетін торға мата орнатылған. Сүзгеннен кейін мицелия экстракт құрамында тағыда азырақ антибиотиктер болады. Оны шығарып алу үшін екінші рет эктракция жүргізеді, ол үшін экстракторға есеп бойынша экстрагенттің 1бөлігі (масса) және экстракт мицелиядан алады. Бірінші және екінші экстракті бірінші экстракттен егер антибиотик концентрациясы жоғары болса қосады. Екінші және үшінші экстрактіде антибиотик концентрациясы төмен болса оларды жас мицелиядан бірінші антибиотик экстрактіне экстрагент есебінде қолданылады, экстракция қарама – қарсы ағымдағы принциппен жүргізіледі. Сүзгіде қалған мицелияны еріткіште қалған қалдықты азотпен үрлейді, суды құйып араластырады және утилизациялауға жібереді.
Қозғалмайтын қабатта экстракция кептірілген мицелиялы қабат арқылы еріткішті фильтрлеу болып табылады. Антибиотик экстракциясы экстракционды аппарат – диффузорда жүргізіледі. Диффузор тігінен орналасқан жартылай цилиндрлі (бағана) тот баспайтын болаттан жасалған түбі шығыңқы және жалпақ жылжымалы қақпағы бар болып келеді. Диффузор бір-біріне кигізілген үш цилиндрлі патроннан тұрғызылған, патронның сыртқы қабаты біртегіс болып келеді, оның түбі перфорирленген немесе темір тордан дайындалған. Патронды кептірілген мицелия тұнбасымен толтырылады және белі арқылы бағанаға қойылады. Экстрагент бағанаға төменнен беріледі, мұндайда түбіндегі саңылау арқылы төменгі патронға өтеді, ішіндегі тұнба жуылып және перфорирленген түбі арқылы екінші патронға өтеді, осылайша барлық үш патрон арқылы антибиотик ерітіндісі жоғарғы штуцер арқылы диффузордан шығарылады.
Антибиотикті экстрагирлеу процесі жәймен 40 сағатқа дейін жүргізіледі. Бір бағана арқылы ерітінді өткенде, қаныққан антибиотик ерітіндісі пайда болады, демек қоюланған экстракт болады.
Концентрленген экстракт алу үшін 20 батарея қолданылады және бәрі бағанаға тізбектеле қосылған. Экстракция батареяда қарама-қарсы ағымдағы принциппен жүргізіледі: демек басты бағанаға әбден қолданылған антибиотик тұнбасына жаңа еріткіш беріледі, осы бағанадан шығарылатын экстракция концентрациясы қажет мөлшерден төмен болса бағана жұмысқа қосылмай өшіріледі, ал оның орнына батареяның соңына жаңа антибиотиктің тұнбасы бар бағана қосылады. Олай болса, басты диффузор болып бұрынғы екінші болып келген келесі диффузор саналады, экстрактордағы батареялардың жалпы саны өзгермейді. Істен өшірілген бағана шламмен патрон белі арқылы шығарылады және олардың ішіндегі қоспаны шығаруға жібереді. Содан соң бағана жаңа мицелиямен толтырылады және батареяға соңғы аппарат ретінде қосылады. Антибиотиктері бар экстракт реэкстракцияға жіберіледі.
Микроорганизмнің жасушалық қабырғасының дезинтеграциясы
Жасуша ішіндегі биополимерді шығару үшін жасуша қабырғасын дезинтеграциялайды. Дезинтеграция химиялық, биологиялық немесе физикалық әдіспен жүзеге асырылады.
Дезинтеграцияның химиялық әдісі. Химиялық реагенттердің әсеріне негізделген, микроорганизмнің жасуша қабырғасының құрылысына деструкция жүргізеді. Микроорганизм суспензиясын сілтімен, мочевинамен, глицеринмен, аммиакпен немесе сулы ерітіндімен жасуша қабырғасына енуін жоғарылатуға өңдейді, осының арқасында жасушадан ерітіндіге биополимерлер шығарылады.
Дезинтеграцияның химиялық әдісі биотехнологиялық өнеркәсіпте кеңінен қолданыс таппай отыр, өйткені химиялық реагенттің жасуша қабырғасына ғана әсер етіп қоймайды, жасуша компонентімен де реакцияға түседі.
Биологиялық әдіс деп жасуша қабырғасының литикалық ферменттің әсеріне негізделіп бұзылуын атайды.
Автолиз (немесе ыдырату) жасуша қабырғасын жасуша ішіндегі гидролитикалық ферменттің қабілетінің әсерінен немесе фермент препаратын енгізудің нәтижесінде жүргізеді. 30-35°С температурада қышқыл ортада бірнеше сағатта процесс жүреді. Нәтижесінде гидролиз өнімінің қоспасы пайда болады: амин қышқылдары, пептидтер, полипептидтер және т.б. Ферментативті дезинтеграция жасуша қабығын бұзудың жұмсақ әдісі жатады, бірақ ол кеңінен қолданыс таппай отыр, себебі фермент препаратының қымбат болуынан.
Дезинтегрирлеуші күштің әсерінен жасуша материалы ыдырайды. Жылдам араластырудың әсерінен механикалық күштің әсерінен жүретін процесті физикалық дезинтеграция деп атайды. Жоғары жылдамдықпен үздіксіз режимде және автоматтандырылған жүйеде процесс жүргізілуі мүмкін.
Микроорганизм жасушасы мұз болып мұздай қатырылумен және ерітілуімен, ультра дыбыстың әсерімен бұзылады. Осы процесс негізінде қондырғы жасалған, әр түрлі микроорганизм түрлерін дезинтеграциялау үшін қолданылады. Дезинтеграция нәтижесінде жасуша ішіндегі полимерлер, жасуша биомассасы ерітіндіде болады, мысалы экстракцияда. Жасуша дезинтегратының күрделі қоспасынан ақуыз заттың бөлінуі - өте көлемді және қымбат процесс. Өндірісте тек қана қымбат биологиялық активті заттарды алу үшін ғана қолданылады.
Тіршілік етуге қабілетті микроорганизмдерді бөліп алу
Бұл топқа биопрепараттар жатады, ол микроорганизмдердің өзінің өмір сүруінің сақталуын талап етеді немесе олардың метаболиттерінің жоғары биологиялық активтілігін пайдаланғанға дейінгі (мысалы фермент) сақталуын айтады. Мұндай биопрепараттардың саны үздіксіз өсуде. Осыған жататындар нан ашытқылары, өсімдіктерді қорғайтын заттар, көптеген бактериялар, антибиотиктер, ферменттер және т.б. Тіршіліке қабілеті микроорганизмдер негізінде биопрепараттарды алу технологиясы алынған,ол препаратты алғаннан күрделілеу өмір сүруге қабілеті микроорганизмдерді биологиялық активті өнімді құрайды. Сондықтан биопрепаратты алу әдісімен тереңірек танысамыз, ол өмір сүретін микроорганизмдерді құрайды, олардың көбісі өндірісте биологиялық активті метаболит негізіндегі препарат қолданылады. Тіршілік етуге қабілетті микроорганизмді құрайтын биопрепаратты алу сусыздануда ұзақ уақыт микроорганизмнің өмір сүруін тоқтату негізделген.
Осындай кезде, метаболизмнің кері тоқтатылуы немесе тоқтап қалуы анабиоз деп аталады. Микроорганизмнің өмір сүруін құрайтын биопрепаратты алу біріншіден оңай секілді. Культуральды сұйықтықтан микроорганизмді бөліп алу, белгілі ылғалдылыққа дейін кептіру болып саналады және ұзақ уақыт сақтау үшін буып түюге және сақтауға салатын қорапты қолдану.
Биомассаны сусыздандырғанда жасушада өзгеріс пайда болады. Бұл өзгеріс жаңа қажетсіз қосылыстың пайда болуына әкеліп соқтырады, жасушаның өмір сүруінің бұзылуына әкеліп соқтырады.
Су биомасса концентратында бос күйінде және байланысқан жағдайда болады. Кептіру кезінде жасуша ішіндегі, сыртындағы су жоғалады. Егер биомассадағы жасуша сыртындағы су оңай жоғалса, онда биомасса компонентіндегі суды бөлуде энергияны және кептіру температурасын жоғарылату қажет болады. Сусыздандыру технологиясының негізгі талабы болып бұл микроорганизмдердің өмір сүруін сақтау. Барлық микроорганизмдер термолабильді микроорганизмдер қолайлы жағдайда үлкен емес температурада және кептіру уақыты ұзақ емес жағдайда кептіру болып табылады.
Сублимациялы кептіру
Сублимациялы кептіру тірі микроорганизмдерге кейбір фермент түрлеріне және басқа термолабильді өнімдерді сублимациялы кептіру қолайлы. Бұл кезде фермент инактивтелген, жасушаның өмір сүруі жақсы сақталады.
Сублимация – қатты затты қыздырғанда газ тәрізді затқа ауысуы болып табылады. Сублимациялы кептіру микробиологиялық синтезінің мұз болып мұздатылған өнімінен вакуумды дистилляциялы мұздың кептіру әдісімен алу болып табылады. Сублимациялы кептіру 0,1-10 кПа қысымда вакууммен жүргізу процестің температурасының төмендеуіне мүмкіндік береді және жасуша құрылысының тіршілік ету жағдайын сақтайды. Сублимациялы кептіру – күрделі техникалық процесс, бірнеше тізбектелген сатыдан тұрады: материалды дайындау, қатыру, мұздату, сублимациялы кептіру, кепкен өнімді буып-түю. Әрбір сатыда микроорганизмдер өзінің өмір сүру қабілетін жоғарылатады, сондықтан барлық сатыдағы технологияны қатаң бақылау соңғы нәтижесіне байланысты болады
Биомассаны дайындау. Микроорганизмдердің концентрленген суспензиясын сублимациялы кептіру, механикалық әдіспен алынған культуральды сұйықтықты сусыздандыру (фильтрлеу, центрифугирлеу және т.б.) жатады. Микроорганизм суспензиясының концентрациясын кептіруде мұз етіп тоңдыру кезінде жасуша өліп қалмас үшін қорғаушы орта қосылады және келесідей кептірумен жүреді. Қорғаушы орта ретінде коллоидты және гидрофильді зат (ақуыз, амин қышқылы, көмірсулар т.б.) қолданылады. Жасушаның ішінде мұздың пайда болуын азайтады, электролиттің концентрленуін төмендетеді және жасушаны тереңірек сусызданудан сақтайды. Осындай жолмен дайындалған жасушалық суспензия мұз болып тоңуға келіп түседі.
Қатыру – микробиологиялық синтез өнімін сублимациялы кептіру технологиясындағы жауапты саты болып саналады. Биомассаны қатыруда жасушада биохимиялық және физикалық, биофизикалық өзгеруіне әкеледі. Нәтижесінде қатырғанда кристаллданады, жасуша мембранасы бұзылады және жасуша құрылысы өзгереді. Бұл өзгерістер мынадай үш себептің арқасында пайда болады:
1) Жасушадағы мұз кристалл механикалық әсер еткеннен өзгеріске ұшырайды;
2) Электролит концентрациясының жоғарылауынан мембрана денатурациясы өзгеріске ұшырайды;
3) Жасуша сыртындағы және ішіндегі заттың концентрациясының айырмашылығының төмендеуінен өзгеріске ұшырайды.
Біркелкі кристалл массасын алу үшін тез қатырылуы керек, камерадағы ауаның температурасы 20-дан 30°С - дейін болады. Биомассаны қатыру бірнеше әдіспен іске асырылады: салқындатуда контактілі қатыру, газбен салқындатылғанды конвективті қатыру, комбинирлеп қатыру, салқындататын ваннада кондуктивті қатыру болып табылады. Қатыру әдісін таңдау микроорганизмдер қасиетімен анықталады, содан соң сублимациялы кептіруге жіберіледі.
Кептіру – сублимациялы кептіру периодты әдіспен арнайы аппаратта – сублимациялы камерада немесе сублиматорда іске асырылады.Сублимациялы камера цилиндр тәрізді, темірден көлденең жасалған, нығыздалып жабылатын болып келеді. Сублиматор жылу алмастырғыш қондырғының жалпақ беті құбырмен жалғасады. Вакуумды болдыру үшін және сублиматордан булы газ қоспасын жоюда конденсатордан кейін орнатылған әртүрлі механикалық және эжекторлы вакуум -насос қолданылады.
35 суретте периодты жұмыс жасайтын сублимациялы қондырғының принципиальды сызба нұсқасы келтірілген. Сублиматордың сөресіне кептірілетін өнім салынады. Сөренің ішінде жылу тасымалдағыш насостың көмегімен циркуляцияланады, өнімді қатырғанда сөре мұздатылады немесе кептіру кезінде қыздырылады.
35 сурет- Периодты жұмыс жасайтын сублимациялы қондырғы:
1,7-тоңазытқыш қондырғы;
2-жылу тасмалдағышты салқындатуға арналған бак;
3-плиталар; 4-сублиматор; 5-мұз конденсатор;
6-вакуум-насос; 8-насос;
9- жылу тасмалдағышты қыздыруға арналған бак;
Вакуум – насос сублиматордан булы газ қоспасын айдайды. Тоңазытқыш қондырғыдан мұзагент түсетін мұзконденсатта судың буы конденсацияланады.
Кептіру процесінің вакуумда мұзды сублимациялау әдісі екі периодтан тұрады. Біріншісі бос суды жою, екіншісі аралас суды жою (10-15 % қалған). Бірінші кептіру периоды төмен температурада 8-12°С температураға дейін, ал екіншісі қоршаған ортадан жоғары температурада жүргізіледі. Кей жағдайларда өнімдегі қалған 2-3 % суды 60-70°С температурада ұстағанда өнім сапасының төмен болдырмауына тырысады. Сублимациялы кептіруден кейін өнім буып-түюге жіберіледі, және биопрепараттың тауарлы формасына және қолданылуына байланысты болады. Соңғы кезде сублимациялы кептіру үздіксіз әдіспен алынады. Сублимациялы кептіруде энергия көп жұмсалады және қымбат,бірақ биоперпарат өндірісінде, әсіресе медицина саласында және ветеринарияда өте қажет.
Кептірудің басқа әдістері
Биотехнологиялық өндірісте микроорганизм суспензиясын кептіру бірнеше әдіспен іске асырылады. Нан ашытқысын конвективті кептіргіште кептіргенде жылу өтетін және судың буын жою газ тәрізді кептіргіш агенттің көмегімен – ауамен, инертті газбен және тағы басқамен іске асырылады. Ашытқыны кептіру 35°С температурадан жоғары болмау керек. Сүт қышқылының бактериясын (әр түрлі ашытқы ұйтқыда) 50°С температурада кептіреді. Микроорганизмдерге байланысты кептіру (кептіргіштен шыққан кептірілетін агенттің температурасы 130-150оС). Контактілі әдіспен ашытқыны кептіруде крахмалмен немесе ұнмен араластырып кептіру жүзеге асырылады.