36 Сурет - Селекциялық жұмыстың сызба – нұсқасы

Генетикалық рекмобинатты алу әдісі

Биологиялық активті заттардың продуценті селекцияда генетикалық рекомбинаттар әзірше кең қолданыс таппады, бұл биологиялық активті заттардың микроорганизм-продуценттерінің көпшілігінде генетикалық алмасу жүйесі жоқтығына байланысты.

Әдістің тиімді жағы – бұл әртүрлі туыстық штаммдардан бір геномда әртүрлі мутацияларды біріктіру мүмкіндігі. Қазіргі уақытта амин қышқылдары мен антибиотиктер продуценттінің селекциясында қолданылатын мысалдар бар.

Генетикалық алмасу жүйесі барды, сол микроорганизмдер үшін бұл әдісті қолдану қолайлы болып табылады. Барлық сипатталған әдістер дәстүрлі деп аталады, демек ген инженериясының жаңа перспективті әдісі пайда болды, бірақ дегенмен олар ескірген жоқ және де бұрынғысынша кеңінен қолданылуда. Сонымен бірге өндірістік микроорганизмдерден плазмидтерді іздеу кеңінен жүргізіліп келеді және де оны клондау мен амплификациялауда генетикалық материалды тасымалдағанда вектор ретінде қолдануға мүмкіндік жасайды. Бұл зерттеулер өндірістік микроорганизмдер ген инженериясының аумағына жақындатады.

Тест сұрақтар

1.Селекцияға қолданылатын микроорганизмнің штамы ..болуы керек:

А) арзан және оңай табылатын субстрата өсетін;

Б) патогенді болуы;

С) генетикалы біртекті емес;

Д) өсу жылдамдығы төмен болуы;

Е) соңғы өнімнің минимальды мөлшерде болуы;

2.Микроорганизм селекциясы - бір немесе бірнеше селекциялық мәнімен анықталған микроорганизмнің жаңа штамын бөліп алу және барын жақсарту және таңдау:

А) генетикалық заңдылық негізінде;

Б) генетикалық заңдылықсыз;

С) адамның қатысуынсыз;

Д) культивирлеу әдісімен;

Е) жаңа мәндерді алуға болмайтын;

3.Метаболизм- биохимиялық реакциялардың тібегінің жиынтығы:

А) жасушада жүретін тіршілік ету процесінде;

Б) ферментерде жүретін;

С) ферменттің қатысуынсыз жүретін;

Д) органикалық қышқылдың пайда болуына әкелетін;

Е) метаболиттің пайда болуына әкелетін;

4. Жасуша- негізгі функциональдық-структуралық бірлік:

А) Барлық тірі организмдердің;

В) Минералды тұздардың қышқылдардың негіздердің;

C) Микроорганизімдердің;

D) Жануарлардың;

Е)Өсімдіктердің және жануартекті клеткалардың;

Іі модуль. Микробты биомасса алуға негізделген биотехнологиялық процестер

6-сабақ. Ауыл шаруашылығына арналған препараттар.

Микробтық ақуыз өндірісі

Сабақ жүргізу формасы: мимен тереңірек ойланып жүргізу

Жоспары:

1. Микробтық ақуыз өндірісі

2.Ашытқыны және бактерияны қолдану

3.Балдырларды және микроскопиялық саңырауқұлақтарды қолдану

Микробтық ақуыз өндірісі

Ауыл шаруашылық жануарларының рационында нормаға сәйкес әрбір азықтық бірлікке кемінде 110 г жарамды ақуыз қажет. Әр түрлі ақуыз қосылысынның барлық уақытта синтезіне қажет организмнің тіршілік ету функциясын ұстау үшін жасуша мен ұлпаны тұрғызу керек. Егер көмір қышқылынан, судан, аммиактан және минералды тұздан алынған көптеген микроорганизмдер барлық ақуыз аминқышқылдарын және өсімдікті синтездеуге қабілетті, бірақта адам және жануарлар кейбір аминқышқылын (валин, изолейцин, лейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан) синтездей алмайды, ал кейбіреулерін алмастырмайтын амин қышқылы деп атайды.Бұл амин қышқылы адам ағзасына тамақпен түсуі қажет,ол ауыл шаруашылығында жануарлар өнімінің төмендеуін тудырады.

Адам баласына ең қажетті тамаққа қосылатын алмастырмайтын амин қышқылы – жануарлар мен өсімдік тектес ақуыз, ал жануарлар үшін - өсімдік тектес ақуыздар жатады. Барлық алмастырмайтын амин қышқылдары белгілі қатынаста сол микроорганизмнің қажеттілігін өтейтін тамақ ақуызында құралады. Егерде ақуыз құрамы өсімдік азығында нормадан төмен болса, азықтың шығынынан және жануарлар өнімінің ақуыз санының өзіндік құны алмастырмайтын амин қышқылының препарат түрінде ақуыз қоспасын қосумен алмастырылады, демек орнын басады немесе жоғарғы құрамда ақуыз массаны бірқатар амин қышқылымен салыстырғанда қосылады. Сондай-ақ жоғарғы биологиялық құндылығы бидайдың, күріштің ақуызы және бұршақтың да құндылығы болады. Бидай дәнінің және арпаның ақуызында лизин, метионин және изолейцин өте төмен, жүгері ақуызында триптофан төмен. Ақуыз және алмастырмайтын амин қышқылы бойынша азықтықты баланстауда концентрленген ақуыз қоспасы комбикорм қолданылады. Оларды дайындау үшін ет сүйек және балықтың ұнын, ет және сүт өндірісінің қалдықтарын, ұнның кебегі, бұршақ тұқымдас культураның шроты қолданады. Мкроорганизмдерді ақуыз және витамин көзі ретінде тамақ өнімі өндірісінде қолдануда үлкен көңіл бөлініп отыр.

Тамақ өнімі өндірісінің технологиясында микроорганизмдерді қолдану экономика жағынан тиімді және перспективті бірқатар факторлар көрсетеді:

• әртүрлі химиялық қосылысты қолдану мүмкіншілігі, соның ішінде микроорганизмді культивирлеу үшін өндіріс қалдықтарын қолдану мүмкіндігі;

• ақуыз синтезінің жоғарғы қарқындылығы;

• микрооорганизмді культивирлеу күрделі емес технологиямен тәулік бойы және жылдың барлық мерзімінде;

• микроб негізінде препаратта және липидте сондай-ақ көмірсуда витаминнің және ақуыздың жоғарғы құрамы;

• өсімдік ақузымен салыстырғанда алмастырылмайтын амин қышқылының жоғарғы құрамы;

• ақуыз және витамин өнімнің бағалылығын жаңарту үшін микроорганизмнің химиялық құрамына генетикалық әсерінің мүмкіндігі.

Тамақ өнімін дайындау үшін микроб тектес ақуызды қолдану, өсімдіктің және жануарлардың ақуызының жоғары бағалылығын үнемдеуге мүмкіндік береді, сондай-ақ дайын өнімдегі биологиялық бағалылығын жоғарылатады.

3 кесте - Кейбір микроорганизмнің ақуызында алмастырылмайтын амин қышқылының құрамы (100г ақуызда граммда)

Амин қышқылы	Микроорганизмдер
	Ашытқы	Балдырлар	Бактерия	Саңырауқұлақ	Актиномицет
Валин	5-7	5-7	4-6	5-7	5,5
Лейцин	6-9	6-10	5-11	6-9	7,7
Изолейцин	4-6	4-7	5-7	3-6	5,3
Треонин	4-6	3-6	4-5	3-6	4
Метионин	1-3	1,5-2,5	2-3	2,5	1,3
Лизин	6-8	5-10	6-7	3-7	6,4
Фенилаланин	3-5	3-5	3-4	3-6	5
Триптофан	1-1,5	2 дейін	1,5	1,5-2	1,4

Тамақ өнеркәсібі өндірісінің қалдығы азықтық өнім және оларды микроорганизм негізінде қолдануға мұқият медико – биологиялық зерттеулер жасалды.Азықтық ақуыз көзі ретінде көбінесе әр түрлі ашытқылар және бактериялар, микроскопиялық саңырауқұлақтар, бір клеткалы балдырлар қолданылады.

Азықтық ақуыз өндірісі

Микробиологиялық синтез өндірісінің алдына тамақ өндірісінде қажетті өнім ассортименті мен шығарылуы жөнінде маңызды талаптар қойылған.

Биомассадан алынған ақуыз.Азықтық ашытқылар өзінің ақуыз-витамин қоспасымен мал азығына қосылып, мал шаруашылығында кеңінен қолданылады. Бірақ жануарлар организмінің қоректік затының үлкен бөлігі ( 65-90 % ) тіршілік ету барысында қайтымсыз жоғалады. Егер мына сызба нұсқада “микробтық ақуыз үй жануары- адам”, бір тізбекке қысқартсақ, келесі сызба нұсқаны аламыз “микробтық ақуыз-адам”, онда бір клеткалы ақуызды қолдану 5 есеге өседі.

Көптеген елдерде азықтық ақуыз өнімін алудың микробиологиялық әдіспен өндіру үшін қарқынды зерттеулер жүргізілуде. Продуцент ретінде көбіне әртүрлі ашытқы штамдары, бактериялар, актиномициндер ұсынылады. Көміртегі көзі ретінде спирттер (метил, этил) газ түзуші көмірсулар (метан, этан, пропан) органикалық қышқылдар (сірке) және т.б. қолданылады.

Азықтық ақуыз өнімдері үшін микроорганизм биомассасын алу технологиясы азықтық ашытқыны алу технологиясынан ерекшелігі жоқ, бірақ бастапқы компоненттің, қоректік ортаның жоғарғы дәрежеде таза болуын талап етеді. Азықтық ақуызды алуда технологиялық қиындықтар, микроорганизмді биомассадан бөлп алу сатысында азықтық сапасы немесе дәмі төмендейді. Биомассаға механикалық және химиялық әсер етеді, липидтің құрамы, нуклеин қышқылының азаюы, клетка қабығының бұзылуы үшін әртүрлі экстрагенттермен өңделеді. Биомассаны тереңірек өңдеуде, жақсы қасиетке ие ерігіштік гель түзу қабілетіне ие және т.б. ақуыз құрайтынды алуға мүмкіндік береді.

Азықтық ақуызды микробиологиялық синтездеу арқылы алу экономика жағынан жоғарғы мәнге ие. Мысалы 25 мың тонна ақуыз изолятының 37 мың тоннасы жоғарғы сортты ет.

Ақуыз изоляты-бұл табиғи полимерлер, сондықтан оларды тамақ өндірісінде қолдану әртүрлі сатыда. Таза күйінде олардың дәмі, иісі болмайды сондықтан оларды дәстүрлі тамақ өнімдеріне байытатын қоспа ретінде қолданады (колбаса, ірімшік және т.б ). Қоректік күшті өнім ақуыз изоляты негізінде алу үшін оларға сыртқы түріне, иісіне және дәміне қарай, физика механикалық қасиет береді.

Полимерлік сипатының арқасында және күшті өзара молекулярлық әрекетінің арқасында ақуыз гель түзе алады. Полимерлік заттарды өңдеу әдісін қолданып ақуызды қажет азықтық формасында алуға болады.

Азық өнімдерінде табиғи қоспа және қоспалар әсіресе, тамақ даярлауда, қайнатуда пісіруде иіс пен дәм береді. Кез келген дәмді ингридиенттен тұрады: тәтті, ащы, қышқыл, тұзды – және оны араластырудың арқасында алуға болады, қант ерітіндісі, тұздар, қышқылдар және кофеин.

Табиғи өнімнің иісі күрделі ондаған қоспаның композициясы арқылы беріледі, олардың массалық үлесі бірнеше милионның бір бөлігін құрайды. Жасанды өнімнің иісін аминқышқылын және олардың қантпен қоспасын қолдану арқылы өзгертуге болады.

Қазіргі кезде тамақтың жаңа формасын изобояулар, ароматтайтын дәмді заттар ақуыздың изоляты негіздеген.

Азық ақуыз өндірісі бір клеткалы микроорганизм биомассасынан алу көптеген елдерде негізделген. Францияда “протибел” атты ашытқы биомассасын құрайды, лактоза өсіріп азықтық өнімін шығарады. Протибел 50% ақуыздан тұратын, оны сорпаға, кондитерлік өнімдерге, сусындарға, балалардың қоректік өнімдеріне қосады.

Микробиологиялық ақуызды этил спирті негізінде өндіру тәжірибелік-өндірістік көлемде Чехославакияда жүзеге асырылды.

АҚШ-та этил спиртінде азықтық ашытқыларды өндіретін қондырғылар жұмыс істейді. Осы ашытқы негізінде 30-ға жуық әртүрлі азықтық өнімдер шығарылады.

Англияда метил спиртінде бактерия өсіру арқылы “прутин” өнімін шығарады. ФРГ-да метил спиртінде жем ретінде және азықтық мақсатта микроорганизмнің биомассасын алады.

Кеңес үкіметі кезінде кең көлемді қолданбалы зерттеулер бір клеткалы организм биомассасынан изолирленген ақуыз алу аумағында жүргізілді.

Азықтық ақуыз өнімі

Микробиологиялық өндірістің алдындағы негізгі мақсатының бірі ауылшаруашылығын жарамды азықтық ақуызбен қамтамасыз ету. Мал шаруашылық өнімі өндірістің кеңейуіне байланысты сенімді азықтық базасын құруды талап етеді.

Мал шаруашылығы және құс шаруашылығы тұтынатын азықтық ақуызда негізінде өсімдік шаруашылығының есебінен қанағаттандырады. Бірақ мұндай дән культурасы, картоп, азықтық шөптер сияқты бағалы өсімдік азығына микроэлементті және витаминді, жарамды ақуызды тек қоспа ретінде қосқан кезде эффективті қолдануы мүмкін. Өсімдік азығының сапасын жақсарту үшін оларға балық және ет – сүйек ұнын, майсыз сүтті қосып байытады. Бірақ мұндай ақуыз қоспа өндірісінің көлемі мал шаруашылығында тұтынатындарды қанағаттандырмайды. Әлемнің барлық елдерінде азықтық ақуыздың деффецит тапшы екені белгілі. Азықтық ақуыз өнімін алу үшін қолданылатын шикізатына байланысты тауарлардың аттары келесідей болады: өсімдік затының гидролизатында және сульфитті сілтіде немесе гипринде – азықтық ақуыз; метил спиртінде – меприн; мұнай парафинінде – азықтық ашытқы, ақуыз азықтық концентраты немесе паприн; этил спиртінде – эприн.

Азықтық ашытқы өндірісі

Азықтық ашытқы мироорганизмдердің биомассасы белгілі ылғалдылыққа дейін кептірілген. Олар минералды заттардың және витаминнің, ақуыздың алынатын көзі биологиялық жарамды азық болып саналады. Азықтық ашытқының ең бағалы компоненті – протеин, оның құрамы 52 – 55 % - ке жетеді. Азықтық ашытқының құрамы бойынша ең маңыздысы жануар тектес ақуызға жақын алмастырылмайтын аминқышқылы болмайды, азықтық ашытқыда мұндай аминқышқылының болуы өсімдік ақуызының биологиялық бағалылығын жоғарылатады. Оларды жануарлардың радционына бірлесе отырып енгізсе болады. Азықтық ашытқыны В витаминдер тобы да құрайды, жануарлар организмінде ақуыздың алмасуы оң екені байқалады. Олардан басқада азықтық ашытқыға эргостерин қатысады. Ультракүлгін сәулесімен шағылыстырғанда Д₂ витамині оңай өзгереді. Азықтық ашытқының күлділігінде жануарларға, құстарға арналған микро және макроэлементтер қатысады: фосфор, калий, кальций, темір, магний, натрий, күкірт, мыс, марганец, кобальт және т. б. Олай болса, ақуыз сапасы бойынша (алмастырмайтын аминқышқылы құрамы бойынша) витаминдер, липидтер, микроэлементтер комплексі және азықтық ақуыздың биологиялық активтік заттары өсімдік және жануар тектес ақуыздарды алмастырып қоймай және жеке көрсеткіші бойынша олардан басым болады. Азықтық ашытқыны жануардың және құстың әр түрлі түрлерін қоректендіргенде эффективтілігінің жоғарғы екендігі көп жылдық тәжірибеден дәлелденген. Бірақ жануарлардың, құстың азығына азықтық ашытқыны ақуыз – витамин қоспа ретінде қолдануға болады. Құрғақ ашытқыны қолданудың орташа нормасы тәулігіне жануардың 1кг тірі салмағына 1г құрғақ ашытқыны қолдануды құрайды. Ірі қара малдың тәулігіне негізгі азығына 500 г құрғақ ашытқыны қосуды ұсынады, ал шошқаға 150 – 200 г, ал құстарға 2 г ұсынады. Комбикорм өндірісі азықтық ашытқыны көлемді тұтынатынын дәлелдеді. Кеңес Одағы кезінің өзінде ірі масштабты өндірістер азықтық ашытқыны өндіруде бүкіл әлемде бірінші орында болып, мал азығына тұтынатынды толығымен қамтамасыз ете алмаған. Елімізде экономикалық және әлеуметтік жағдайдың дамуының негізгі бағыты азықтық ақуыз өндірісі және биологиялық активтік заттарды кеңейту қарастырылған.

Өсімдік шикізатының гидролизатын алу

Өсімдіктің жасыл бөлігінде хлорофил мен жапырақтың әсерінен қарапайым неорганикалық зат – көміртегі диоксидінен және күрделі органикалық зат – көмірсудан үздіксіз синтез процесі жүреді. Әрмен қарай көмірсудың биохимиялық өзгеріске ұшырауынан бір жылдық және көп жылдық өсімдіктің құрылысына кіретін әртүрлі органикалық қосылыс пайда болады. Күрделі реакция дегидратацияның (судың молекуласына жатады) нәтижесінде көмірсудың негізгі бөлігі және гемицеллюлоза және целлюлоза – өсімдіктің жасушалық қабырғасының басты құрастырылған бөлігі полимеризация жоғары молекулалы зат – полисахаридтерге ұшырайды, 60 % - тен астам зат өсімдіктен құралған полисахаридтер болып саналады.

Олай болса, жер бетіндегі бір жылдық және көп жылдық өсімдіктер полисахаридтің көлемді ресурстары шоғырланған, оның бір бөлігі жыл сайын қайта жаңарады. Бұл полисахаридтер халық шаруашылығында маңызы зор өнімдер мен әр түрлі заттардың микробиологиялық синтезіне арналған жарамды шикізат көзі болып саналады.

Бірақ микроорганизм үшін көміртегі көзі ретінде қолданылатын полисахаридтерді,оларды сәйкес келетін моносахаридтерге өзгерту жолымен жүргізіледі. Мұндай процесс полисахаридке судың молекуласын қосумен жүреді. Схемалық реакцияны мысалы, целлюлозаның полисахариді – моносахаридтің глюкозасына айналуын келесі теңдеуден көрсетуге болады.

( С₆Н₁₀О₅)п + п Н₂О С₆Н₁₂О₆

целлюлоза глюкоза

Судың полисахаридке қосылу реакциясынан пайда болған бастапқы қарапайым қантты гидролиз деп атайды (гректің екі сөзінен тұратын хидор – су және лизис – ыдырау). Полисахарид гидролиз нәтижесінде өсімдіктің жасушалық қабырғасы негізінде моносахарид қоспасына айналады: пентоз (көміртегінің С₅Н₁₀О₅ бес атомын құрайтын) және гексоз (С₆Н₁₂О₆ көміртегінің алты атомынан тұратын).

Гидролиз өнімінің сулы ерітіндісін гидролизат деп атайды, дайындаудан және тазартудан кейін әр түрлі микроорганизмдерді культивирлеу үшін орта ретінде қолданылады.

Өсімдік шикізатына сипаттама. Өсімдік шикізатының химиялық құрамы біркелкі емес және кең ауқымда ауытқуда. Бұл шикізаттың негізгі бөлімі – полисахаридтер. Мұның мөлшері өсімдік шикізатының түріне қарай 40 – 75 % аралығында болады. Екінші орында өсімдік шикізатының компонентінің мөлшері бойынша құрамы 15 – 60 % аралықта лигнин саналады. Өсімдік шикізатының қалған бөлігінде қалдық заттар: гидролиз кезінде еритін шайыр, күлді бөлігі және азот құрайтын заттар, сонымен қатар гидролиз кезінде оңай ыдырайтын ацетил және метокси топтары болады. Бұл заттардың мөлшері 3 – тен 8 % аралықта ауытқиды. Полисахаридтер оңай және қиын гидролизденетін болып бөлінеді.

Полисахаридтердің оңай гидролизденетін бөлігі гемицеллюлоза және пектинді заттардан тұрады. Өсімдік шикізатының түріне байланысты 16 – 39 % аралығында ауытқып отырады. Гемицеллюлозалар – бөлінбейтін өсімдіктің жасушалық қабырғасының құрылысы бойынша күрделі болып келеді. Олар полисахаридтердің 10 000 – нан 40 000 – дейін молекулярлық массасын құрайды. Олардың гидролизі кезінде моносахаридтердің күрделі қоспасы және басқа заттар түзіледі.

Өсімдік шикізатының қиын гидролизденетін полисахаридтері негізінде целлюлоздан (клетчаткадан) тұрады. Қиын гидролизденетін полисахаридтер мөлшері 25 – тен 49%- дейін болады. Гемицеллюлоза құрылысына қарағанда целлюлоза құрылысы толық зерттелген. Целлюлоза 300 000 – 20 000 000 молекулалық массасы мен β – D - глюкопиранозалардың түзу сызықты полимері болып келеді. Полимеризациялану дәрежесі және оның жасына байланысты болады.

Оңай және қиын гидролизденетін полисахаридтердің гидролизі кезінде пентозадан (ксилоза, арабиноза) және гексозадан (глюкоза, галактоза, манноза) тұратын моносахаридтердің күрделі қоспасы түзіледі. Өсімдік шикізатының түріне және оны өсіру жағдайына байланысты оңай және қиын гидролизденетін полисахарид қатынасы ауытқиды, сондықтан әртүрлі шикізаттың гидролизі кезінде пентоза құрамы 5 – 39 % дейін, ал гексоза 25 – 60% дейін құрауы мүмкін. Ескере кету керек, пентоза мен гексозаның бір – бірімен қатынасы азықтық ашытқыны өсіргенде елеулі мәнге ие емес, демек осы екі топтың моносахаридтері микроорганизммен сіңіріледі.

Өсімдік ұлпасының гидролизіндегі өнімнің ішіндегі ерекше орын алатыны лигнин, ол фенилпропандық құрылыстан тұрғызылған ароматтық сипаттағы полимер болып келеді. Табиғи жағдайда лигнин химиялық (лигно көмірсулы) байланысы бар, лигнин – полисахарид комплексіне кіреді.

Гидролиз өндірісінде полисахаридтердің толық гидролизінен кейін ерімеген қалдық лигниннің астында болады. Оған полимеризденген табиғи шайырдың ерімейтін бөлігінен басқа, ақуыз күлді заттар кіреді. Гидролизде өңделетін және целлюлоза - қағаз зауытындағы ағашта 20 – 30 % лигнин құрайды, жылына елімізде 4,5 млн.т «гидролиз» лигнині жоғары қалдық түрінде жиналады. Осы уақытқа дейін отын ретінде қолданылады және әртүрлі қажеттілікте қолданылатын көмір алуда қолданылады.

Өсімдік шикізатының басқа компонентінен ацетил және метокси топтарының гидролизі кезінде көптеген гемицеллюлоза құрамына кіретін оңай ыдырайтын зат бар екенін белгілеу керек.

Ацетил топтарынан өсімдік ұлпасының гидролизі кезінде бос сірке қышқылы түзіледі. Азықтық ашытқыны өсіргенде сірке қышқылы микроорганизммен бірге моносахаридпен қатар сіңіріледі.

Метокси топтары гидролиз кезінде метил спиртін түзеді, оның шығымы 1т абсолютті құрғақ өсімдік шикізатынан 2 – ден 7 кг дейін құрауы мүмкін. Метил спирті күшті «у» сондықтан оның гидролизде болмағаны дұрыс.

Азот құрайтын заттардың үлкен бөлігі ақуыздан тұрады, гидролиз кезінде аминқышқылы түзіледі. Ақуыздың ерімейтін бөлігі лигнинде қалады. Ашытқыны өсіргенде аминқышқылы микроорганизммен оңай сіңіріліп қоймай және олардың өсуіне мүмкіндік жасайды.

Гидролиз кезіндегі шайырлы заттар эмульсияны түзеді, ол коллоидты заттармен және қантты ыдырататын өніммен бірге тұнады. Олай болса, гидролиз процесін жүргізер кезде, барлық өсімдік шикізатының барлық компоненттерін гидролизат құрамына елеулі әсер ететінін ескеру керек.

Азықтық ашытқы өндірісінде қолданылатын өсімдік шикізаты белгілі талапты қанағаттандыруы керек. Бәрінен бұрын мол мөлшерде полисахаридті құрауы керек. Екінші талабы бағасы қымбат болмауы керек. Осындай себептерге байланысты гидролиз зауыты ағаш өңдегеннен кейінгі қалдығын (ағаштың екі шетін кескеннен қалған кесек ағаш, ағашты тілгеннен қалған кесінді ағаш,ағашты аралағаннан қалған ұнтағы және т.б.), сонымен қатар ауыл шаруашылығының шикізатын өңдегеннен кейінгі қалдықтарын (күнбағыстың қабығы, жүгері собығы, күріштің қабығы және мақтаның қауашағы және т.б.) қолданады. Экономикалық көзқараспен қарағанда өсімдік шикізаты дұрыс болар еді, өйткені оны тасымалдағанда аз шығын жұмсалады.

Азықтық ашытқыны целлюлоза – сульфитті щелк өндірісіндегі қалдықтан және предгидролизаттан алуға болады. Мұны микроорганизмді өсіру үшін субстрат ретінде қолдануда өсімдік шикізатын дайындауға қарағанда айырмашылығы бар.

Өсімдік шикізатының гидролиз әдісі

Гидролиз процесінің негізгі мақсаты өсімдік полисахаридінің моносахаридтерге барынша айналуы болып саналады. Таза суда қалыпты температурада гидролиз реакциясы жүрмейді. Гидролиз процесін жылдамдату үшін катализатор ретінде, белсенділігі жоғарылау минералды қышқылдарды күкірт және тұз қышқылын қолданады. Полисахарид гидролиз үшін жарамдысы болып концентрленген қышқыл саналады, бірақта гидролиз процесі үшін концентрленген қышқыл өндірісте қолданыс таппады, себебі қышқылға арнайы төзімді құрал жабдықтарға және тағы басқаларға үлкен қаржы жұмсалады.

Сонымен гидролиз үшін араластырылған қышқыл да жарайды.

Өндірісте кеңінен таралған өсімдік шикізатының гидролиз әдісінде араластырылған күкірт қышқылының 0,5-3% дейінгі концентрациясы қолданылады. Араластырылған тұз қышқылы өндірісте агрессивтілігі жоғарғы болғандықтан қолданылмайды.

Қалыпты температурада өсімдік шикізатынан араластырылған қышқылмен гидролиз әдісімен моносахаридтің пайда болуында реакция жүрмейді. Жоғарғы 100⁰C температураға дейін және одан да жоғары темперетарурада полисахарид гиролизі едәуір жоғарылайды, бірақта араластырылған қышқыл ортада целлюлоза гемицеллюлозаға қарағанда әжептеуір жәймен гидролизденеді.

Гидролиздің сандық процесі, процентпен көрсетілген абсолютты құрғақ шикізаттың массасынан редуцирлеуші заттың шығымымен бағаланады.

Редуцирлеуші зат (РЗ) гидролизаттағы моносахарид құрамын сипаттайтын көрсеткіш. Редуцирлеуші заттың анықтаушы әдісі сілтілі ортадағы (ІІ) мыс оксиді, (І) мыс оксиді моносахаридтің тотықсыздандыру қабілеті негіздейді, бірақта гидролизатта тотықсыздандырғыш қабілеті бар басқада қосылыстар бар, ал аналитикалық мәліметтер бойынша моносахарид құрамы ғана емес, барлық редуцирлеуші (тотықсыздандырғыш) заттың бар екені сәйкес келеді. (Былайша моносахарид құрамы 6-10% , ол деген РЗ суммарлы құрамынан да төмен.) Гидролизаттағы РЗ құрамы ағаштың тұқымының құрамымен 64-73% байланысты болады.

Гидролиздің әртүрлі режимін салыстыру үшін гидролизге берілетін араластырылған қышқылдың санына қосылатын абсолютті құрғақ шикізаттың санының қатынасымен есептеледі. Бұл қатынас гидромодуль (немесе модуль) деп аталады.

Гидролизат аппаратынан бөліп алынған зат мөлшерінің қатынасы абсолютті құрғақ шикізатының масасасына берілу модулі деп аталады (немесе бөліп алу модулі). Гидролизат санын анықтайды немесе жинағыштағы гидролизат өздігінен буланып кеткеннен кейін немесе гидролизаторға нейтрализдеуші агент берілгенге дейін санын анықтайды. Гидролиз процесінде моносахаридтен басқа ашытқыны культивирлеуге арналған қажет емес заттар да пайда болады. Мұндай заттарға қантты ыдырататын өнімдер-фурфурол,оксиметилфурфурол, сондай-ақ уран қышқылы инвертирленбеген қант (декстрин) коллоидты заттар және басқа заттар жатады.

Сондықтан гиролиз процесін гидролизатта зиянды қоспаларының минимум құрамы болғанша жүргізіледі және биологиялық сапалы қант құрайтын ерітінді алынады.

Қазіргі кезде өсімдік шикізатының гидролизі үшін 0,5-0,6%-тік концентрациясының араластырылған күкірт қышқылы қолданылады. Гидролиз температурасы 175-190⁰С, осы температураға сәйкес қысыммен жүреді. РЗ шығымы 46-50% жетеді.

Араластырылған қышқылмен гидролиздің әр түрлі әдісінен кеңінен өндірісте қолданылатыны қазіргі кезде перколяционды әдіс саналады. Осы әдіспен сұйық фаза (араластырылған қышқыл) қозғалмайтын қатты фаза (өсімдік шикізаты) арқылы жүреді, демек қатты фазаны толығымен сұйықтыққа жүктейді. Гидролиздің перколяционды әдісі сұйық фазаның әртүрлі бағытта жылжуына байланысты бірнеше әр түрлілігі бар:

1. тігінен перколяция - сұйықтық жоғарыдан төмен қарай жылжиды, ал гидролизат төменнен енгізіледі;

2. тігінен-көлденең перколяция - процестің басында сұйық фаза жоғарыдан төмен жылжиды және төменнен енгізеді, ал гидролиз процесінің екінші жартысында көлденең кеңістікке және сәуле тәрізді құбырдың көмегімен барлық биіктігі бойынша қатты фазаны енгізеді.

3. комбинирленген перколяция - сұйық фазаның бір бөлігі жоғарыдан төмен қарай, ал екінші бөлігі көлденең ағыммен жылжиды,ол сұйықтық бір уақытта төменнен енгізіледі және бүйірінен барлық биіктігінің қабаты бойынша қатты фаза енгізіледі. Сұйық фазалардың аралас ағымын дұрыс пайдалану сұйықтықтың жоғары жылдамдықпен жылжуының іске асуына мүмкіндік жасайды, гидролизат-аппаратының меншікті өнімділігін жоғарылатады, гидролиз тепературасын жоғарылатуға мүмкіндік жасайды және күкірт қышқылының шығынын азайтады.

Гидролизат алу процесінің технологиясы

Өсімдік шикізатынан гидролизат алудың технологиялық процесі келесі операциялардан тұрады.

1. қыздыру және қайнатуға қышқылды беру

2. периодты гидролиз - аппаратында шикізат гидролизі

3. алынған гидролизатты салқындату

4. инверсия (қосымша гидролиз)

Майдалап ұнтақталған өсімдік шикізатының перколяцияланған гидролиз процесінің технологиялық сызба нұсқасы 13 суретте келтірілген. Майдалап ұнтақталған шикізат тасымалдағыш арқылы гидролизат аппаратқа жоғарғы мойны арқылы беріледі. Гидролизат аппаратына берілетін өсімдік шикізатының мөлшері оның құрамына, майдалау дәрежесіне және ылғалдылығына байланысты.

13 сурет - Өсімдік шикізатының гидролизатын алудың технологиялық сызба нұсқасы

Гидролизат аппаратындағы қоспаның тығыздығын ұлғайту үшін шикізат пен бір уақытта араластырылған күкірт қышқылын қосады. Гидролиз – аппаратына шикізат берілгеннен соң жоғарғы қақпағын жақсылап жабады және қоспаны қыздыру үшін мойнының төменгі жағынан штуцер арқылы өткір буды береді. Қыздырылған кезде аппаратағы қысым 0,5 МПа көтерілсе жоғарғы үрлеуші штуцер арқылы 2-3 минут ішінде ауаны жояды. Үрленген кезде шикізаттардың, метил спиртінің, фурфуролдың және ашытқыны өсіруге қажет емес заттар басқа заттардың біраз бөлігі жойылады. Содан соң будың қысымы берілген мәнге дейін көтеріледі және гидролиз–аппаратындағы қоспаны 30-60 мин, 140-160⁰C температураға дейін қыздырады.

Осы кезден бастап перколяция процесі басталады, демек гидролиз-аппаратының жоғарғы бөлігіне үздіксіз берілген температурада қыздырылған қайнаған қышқыл беріліп отырады, ол тік бағана арқылы шикізат өтеді, төменгі конусты бөлігіне орнатылған фильтрлеуші құбыр арқылы пайда болған гидролиз өнімін алып шығарады. Қайнаған қышқыл арнайы аралыстырғышта концентрленген күкірт қышқылын сумен араластырып 180-190⁰C температураға дейін қыздырып алынады.

Концентрленген күкірт қышқылы жинағыштан немесе өлшегіштен фильтр арқылы өлшенген бөлшектерді бөлу үшін өткізеді және плунжерлі насос арқылы араластырғышқа береді.

Алдымен құбыр аралық кеңістік арқылы өтетін конденсатор құбыр арқылы өтетін будың жылуымен өздігінен буланатын гидролизатты қыздырады, араластырылған күкірт қышқылын алу үшін суды қолданады. Осылай қыздырылған су құйылып тұратын қыздырғышқа жіберіледі, өткір бумен байланысады және қажет температураға дейін қыздырады, содан соң араластырғышқа келіп түседі, сол жерде концентрленген күкірт қышқылымен араластырылады. Араластырғыштағы перколяция үшін берілген концентрациядағы араласқан қышқыл қыздырылған судың ағымының қатынасы және концентрленген күкірт қышқылы реттеледі.

Гидролиздің алғашқы периоды шамамен 150⁰C температурада қолайлы жағдайда жүргізіледі. Гидролиз аппаратына берілетін қайнаған қышқылдың темпертурасы 175-190⁰C дейін жоғарылайды. Аппараттың ішіндегі температурасы және гидролизге сәйкес жоғарылайды. Қолайлы қыздырғанда шамамен 1 сағаттың ішінде реттеледі.

Қайнаған қышқыл барлық қыздырылған шикізат арқылы өтіп өсімдіктің ұлпасын гидролиздейді. Перколяцияның бірінші периодында гидролизатты таңдау жылдамдығымен салыстырғанда жоғары, шамамен гидролизді тереңдетуде шикізаттың фильтрлеуші қабілеті нашарлайды. Одан басқа реакциялық ортаның температурасы қайнау нүктесіне дейін жоғарылайды, ал қайнаған сұйықтық 2,0-2,5есе жәймен қозғалып лигнин қабаты арқылы фильтрленеді. Сондықтан фильтрлеуді жақсарту үшін перколяция бағытын тігінен көлденеңге өзгертеді.Ол үшін суды және қайнаған қышқылды тігінен орналасқан перфорирленген құбырға береді, ол гидролизат - аппараттың цилиндірлі бөлігінде орналасқан ұзартылған фильтірлеуші құбыр арқылы бөліп алады.

Перколяция процесі аяқталғаннан кейін қалдық қантты бөліп алу үшін, лигниннің қатты қалдығын сумен жууды жүргізеді. Ол үшін тігінен перколяция жасалған сияқты аппаратқа жоғарыдан қыздырылған суды аппаратқа береді. Жуып болғаннан кейін суды беруді тоқтатады, бірақ тағыда 40 минут бөліп алуды гидролизат жалғастырады. Бұл операция лигининді сығып бөліп алу немесе кептіру деп аталады, гидролиз аппаратынан лигнинді жоюға әсер етеді.

Өсімдік шикізатын гиролиздеуде көлемі 70-80м³ гидролиз –аппаратының жұмысының ұзақтығы орташа шамамен  310 мин. және келесідей операция бойынша бөлінеді,мин:

Салу 35-40 жуу 25-30

Қыздыру 50 кептіру 40

Перколяция 140 лигнинд шығару 10

Азықтық ашытқы өндірісіне арналған гидролизат 15-17 гидромодульде алынды, аппаратқа салынатын абсолютты құрғақ затқа қарағанда, демек 15-17 есе көп гидролизат алады. Бір уақытта қайнаған қышқылды берумен қатар гидролизат - аппаратынан 150-187^оС температурада гидролизат шығарылады. Қыздырылған гидролизатты суыту үшін үшеулік тізбектеле қосылған буландырғыш жүйеге, демек сұйықтық қоспаны, сұйықты және булы фазаны бөлу үшін жібереді. Буландырғыштың жұмысын реттеу алдымен гидролизат буландырғышта жоғарғы қысымда болуы керек, соңында ол атмосфералық қысымға жақын болуы керек. Гидролизат буландырғыш процесінде оның көлемі шамамен 10 %-ке азаяды. Буландырғышта пайда болған бу аппараттың жылу алмастырғыш жүйесіне жіберіледі, гидролизге келіп түсетін суды құбыр аралық кеңістікте қыздырады. Өздігінен буланатын гидролизаттағы буда фурфурол және басқа ұшқыш заттар (метил спирті, скипидар және т.б.) құралады. Сондықтан конденсатты фурфуролдан бөлуге жібереді. ІІІ сатылы буландырғыштан 100-105⁰С температураға дейін салқындатылған гидролизат инверторға келіп түседі.

Гидролизат - аппаратынан шығарылған гидролизат аппаратағы суды толығымен гидролиздемеген полисахаридтер (олигосахаридтер, декстриндер және т.б.) құрайды. Осы полисахаридтермен өзгеріске ұшыраған процесс, олардың гидролизіне негізделген инверсия деген атқа ие болады. Тот баспайтын болаттан жасалған түбі конусты қақпағы бар, цилиндрлі резервуарда инверторда 100^оС температурада 8 сағат бойы шамамен 0,5% күкірт қышқылын құрайтын гидролизатты ұстауымен нәтижеленеді. Ұстау, тұндыру уақытында шамамен 80 % барлық декстрин моносахаридке дейін гидролизденеді, көлемінің мөлшері 7-8% дейін ұлғаяды.

Инверсия процесінде гидролизаттан тұнба бөлініп алынады. Бұл тұнба инвертордың конусты түбінде жиналады және одан периодты түрде жойылады. Инвертордың цилиндрлі корпусының жоғарғы бөлігінде орналасқан инвертирленген гидролизатты штуцер арқылы бөліп алады және әрмен қарай өңдеуге жіберіледі.

Биохимиялық өңдеуге гидролизатты дайындау

Инверсиядан кейін қышқыл гидролизат азықтық ашытқыны өсіру үшін қолданылуы мүмкін емес, себебі олардың құрамында өсуін тежейтін заттар құрайды: шикізаттың көмірсусыз компоненттері (метил спирті, скипидар, лигнин), полисахаридтің толық гидролизделмеген өнім (декстриндер, олигосахаридтер және т.б.), қантты ыдырататын өнім (фурфурол, оксиметилфурфурол, құмырсқа қышқылы, күкірт қышқылы және т.б.) Гидролизатта құралатын заттар еріген коллоидтық және өлшенген жағдайда болып келеді.

Биохимиялық өңдеуге гидролизатты дайындау процесі, демек жарамды субстратта микроорганизмді өсіру үшін гидролизатқа айналуы келесі технологиялық сатылардан тұрады:

1. күкірт қышқылын нейтрализациялау;

2.коллоидты өлшенген бөлшектерді және нейтрализациялауда

тұнбаға түскенді жою ;

3.зиянды ұшқыш қоспаларды жою;

4.гидролизатты 30-37⁰C температураға дейін салқындату.

Гидролизаттан күкірт қышқылын жою кәдімгі қарапайым әдіс аммиакты сумен және әк сүтімен нейтрализациялайды. Күкірт қышқылды әк сүтімен нейтрализациялаудан келесі реакция жүреді:

H₂SO₄ + Ca(OH)₂ = CaSO₄ + 2H₂O

Осы реакцияның нәтижесінде пайда болған гипс CaSO₄ нашар ериді, сондықтан ол тұнбаға түседі және ерітінді тұнғаннан соң оны жояды. Судағы гипстің еруі көп емес,ол шамамен 0,2% құрайды.

Гипстің кристалдануын жылдамдату үшін және нейтрализаторға әк сүтімен бірге майда кристалл гипстен бейтараптағышты енгізеді және қаныққан ерітіндінің пайда болуын ескереді. Оларды алу үшін өлшегішке әк сүтімен бірге қажет мөлшерде аммоний сульфатын енгізеді. Мұндай кезде ауыспалы реакция жүреді:

Ca(OH)₂ + (NH₄)₂SO₄ = CaSO₄ + 2NH₄OH

Гипс майда кристалл түрінде пайда болады және ортасында ірі кристалдың пайда болуын атқарады. Бұл операция гипстің кристализациялануына бағытталған деген атқа ие. Күкірт қышқылын аммиакты сумен нейтрализациялауға болады. Мұндай кезде осы теңдеудің нәтижесінде аммоний сульфаты түзіледі:

H₂SO₄ +2NH₄OH = (NH₄)₂SO₄ +2H₂O

Аммоний сульфаты толығымен еріп және тұнба түзілмейді. Аммиакты су мен нейтрализациялаудың, әк сүтімен нейтрализациялауға қарағанда бірқатар артықшылығы бар.

Көптеген зауыттарда ұзақ жылдар бойы жергілікті шикізат әкті нейтрализациялау үшін әкті қолданды. Қазіргі кезде барлық зауыттар нейтрализациялауға әкті сүт пен аммиакты суды бірге қолдануға көшті. Нейтрализация процесі арнайы аппаратта нейтрализаторда жүргізіледі.Үздіксіз жұмыс жасайтын нейтрализатор түбі конусты және қақпағы жалпақ тот баспайтын болаттан дәнекерленген цилиндрлі тігінен орналасқан болып келеді.

Нейтрализатордың қақпағында аммиакты суды немесе әкті сүтті, гидролизатты беруге арналған штуцер болады. Нейтрализаттың конустың түбінде нейтрализденген гидролизатты шығаруға арналған штуцер болады. Нейтрализатор араластырғыш бұлғағышпен жабдықталған айналу жиілігі 30 айн/мин кем болмауы керек. Араластырғыш жүйе гидролизат пен әк сүті немесе аммиакты суды толық араластыруды қамтамасыз етеді және гидролизатпен бірге қатты бөлшектің өлшенген жағдайын ұстау керек және гипс кристалының пайда болуын ұстау керек.