Бақылау сұрақтар

1. Түптік культивирлеуде аэробты микроорганизмді өсірудің ерекшелігі

неде?

2. Микроорганизм өсуіне оптимальды жағдай жасау үшін ферментер-лерде жылу және зат алмасу үшін қандай арнайы қондырғылар қамсыз етілуі керек?

3. Ферментерді қандай принципке сүйене отырып үш топқа бөледі?

4. Қандай ферментерлер газды фазаға энергия таситын аппаратқа жатады?

5. Аэратор (барбатер)дегеніміз не?

6. Диффузорлы аппараттың жұмыс істеу принципін түсіндіріңдер (Лефрансуа жүйесінің ферментатері)

7. Бағана түрлі ферментер құрылысының ерекшелігі неде?

8. Сұйық фазаға энергия тасмалдайтын аппараттарға қандай ферментерлер жатады?

9. Өзі соратын құбырлы аппараттың жұмыс істеу принципі неге негізделген?

10. Құбырэжекторлы араластырғыш қондырғысы бар (түрі Б-50) ферментердің жұмыс істеу принципін түсіндіріңдер.

11. Комбинирленген энергия тасмалдайтын ферментердің құрлысының негізгі ерекшелігі қандай?

12. “ Аэрация ” және “ араластыру ” терминдерін қалай түсінесіз?

13. Газды фазадан оттегі қалай жасушаға түседі?

14. Оттегінің ферментерге зат тасымалдағыштығын анықтау үшін қандай әдістер қолданылады?

15. Ферментация процесіне көбік қалай әсер етеді?

16. Ферментация процесіне қандай химиялық көбік сөндіргіш әдістері қолданылады және олардың әсер ету механизмдері қандай?

17. Активті және пассивті механикалық көбік сөндіргіштерде көбікті сөндіру қалай іске асырылады?

18. Комбинирленген көбік сөндіргіш қалай іске асырылады?

19. Автоматты көбік сөндіргіш жүйесінің жұмыс істеу принципін түсіндіріңдер?

Культуральды сұйықтықтан биомассаны бөліп алу және концентрлеу сатысы

Ферментация процесі аяқталғаннан кейін культуральды сұйықтықтың құрамында микроорганизмдердің тіршілік етуіне қажетті заттар, қоректік ортаның қалдықтары, көбік сөндіргіш, еріген және ерімеген заттар болады.

Биосинтез процесінің дайын өнімі болып, культуральды сұйықтықта еріген зат немесе микроорганизм жасушасының ішіндегі микроорганизмнің өзі, әлде оның метаболиттері саналады. Барлық жағдайда дайын өнімді бөліп алу үшін, культуральды сұйықтықтан микроорганизмдер массасының өлшенген фазасын бөліп алу қажет.

Культуральды сұйықтықтағы микроорганизмдердің құрамы төмен. 1л культуральды сұйықтықтың құрамында 5-10г ҚБ (құрғақ биомасса) болады. Фазаның мұндай мөлшерін бөліп алуда күрделі технологиялық процесс жүреді, әр түрлі әдістер қолданылады, барлық уақытта биомассаны концентрлеумен шешіледі (флотирлеу, сепарирлеу, буландыру). Өндірістік жағдайда үлкен көлемде қиын фильтрленуші суспензияны өңдеуде көп мөлшерде энергияның жұмсалуына әкеліп соқтырады.

Культуральды сұйықтықтан микроорганизм жасушасының биомассасын бөліп алу әдістерін механикалық (центрифугирлеу, фильтрлеу, тұндыру) және жылутехникалық (кептіру) бөлімдеріне бөлуге болады. Соңғы өнімге байланысты осы әдістің сәйкес келетінін таңдауға болады. Культуральды сұйықтықтағы микроорганизм концентрациясын, биопрепараттың тауарлы формасын ескеріп, концентрлеудің және биомассаны бөліп алудың сызба нұсқасы таңдап алынып, экономика жағынан бағасы беріледі.

Флотирлеу

Азықтық ақуыз өндірісінде ашытқы жасушасын концентрлеу үшін флотирлеу әдісі қолданылады. Орындалу мақсаты культуральды сұйқтық көбіктенгенде ашытқының негізгі массасы ауамен бірге көбікке ауысады, оны культуральды сұйықтықтан бөліп алады. Флотирлеу процесі арнайы аппаратта – құрылысы әр түрлі флотаторда жүргізеді. Биотехнологиялық өндірісте флотаторлы аппарат қолданылады, бірнеше вариантта орындалады: көлденең конусты, тігінен цилиндрлі, бір сатылы және екі сатылы ішінде стаканы бар болып келеді.

44-суретте қарапайым бір сатылы флотатордың жалпы түрі келтірілген. Флотатор түбі тегіс цилиндрлі корпустан тұрады және ішкі жағында көбік жинағыш стаканы бар болады. Корпус пен көбік жинағыштың арасындағы сақиналы кеңістік (1-V) тігінен секциялы бөліктерге бөлінген. Бөлгіш қоршаулар бірінші мен соңғы секциядан басқасының түбіне жетпей тұрады. ІІ-V секцияда аэратор орнатылған.

Ашытқы суспензиясы, ашытқы өсіруші аппараттан бірінші ұзындығы бойынша ең үлкен флотатордың секциясына келеді, осы жерде ашытқының негізгі массасы газ суспензиясы құрамының есебінен флотирлеу іске асырылады. Пайда болған көбік ішкі стаканның жоғарғы жағынан асып ағып түсіп, көбік жинағышқа келеді. Культуральды сұйықтықта қалған ашытқы, флотирлеудің қалған секциясында, аэратор арқылы берілген ауаның көмегімен іске асырылады. Пайда болған көбік, көбік жинағышқа келіп түседі.Көбік жинағыштағы көбікті механикалық көбік сөндіргішпен сөндіреді. Көбік жинағыштан ашытқы концентраты сепарацияға беріледі.

Сурет 44 - Бірсатылы флотатор:

1- ашытқы суспензиясын құюға арналған патрубка;

2-корпус;

3-ішкі стакан;

4-бірігіп тұратын қалта;

5-механикалық көбік сөндіргіш;

6-аэраторлар.

Өңделген культуральды сұйықтық соңғы секциядағы гидрозатордың қызметін атқаратын қалтасынан шығарылады. Флотатордың өнімділігі бастапқы ашытқы суспензиясы бойынша 40-70 м³/сағ құрайды. Флотирлеу әдісі тек қана ашытқыны концентрлеу үшін қолданылады.

Сепарирлеу

Микроорганизмнің биомассасын концентрлеу, сепарирлеу әдісімен жүргізіледі, үлкен көлемдегі қиын фильтрленетін суспензияны жоғарғы жылдамдықта өңдеуге мүмкіндік жасалады.

Сепарирлеу процесі флотирлеу процесімен салыстырғанда энергия көлемі көлемді жұмсалады, сондықтан алдын ала флотирлеуге мүмкіндік жасайды, ол сепарирлеу сатысының санын қысқартады.

Культуральды сұйықтықты сепарирлеу алдында сұйылтуға немесе газдан тазарту үшін деэмульгирлейді. Культуральды сұйықтықты сепарирлеу үшін және культуральды сұйықтықтың бірқалыпты құйылуына мүмкіндік жасайды.

Деэмульгирлеу әр түрлі әдіспен іске асырылады: механикалық (флотаторда механикалық көбік сөндіру немесе флотирлеу сатысы болмаған кезде механикалық көбік сөндіру), химялық (көбік сөндіруге химиялық заттарды қолдану) немесе табиғи (арнайы деэмульгаторлар) заттарды қолданады.

Сурет 45 -Ашытқы сепараторы

Сепарирлеу процесі ықшам және өнімділігі жоғары сепаратор аппаратында жүргізіледі.

Биомассаны бөліп алу сепараторда ортадан тепкіш күштің әсерінен жүргізіледі. Сепаратордың жұмысшы құралы барабан болып табылады, оның ішінде табақты ұстағыш конусты табаққа бекітіледі (45-сурет). Табақтың сырт жағында қабырғасы бар, осының арасында 0,8 мм саңылау пайда болады. Барабан ұршық – білікке кигізілген. Сепаратордың осы құрылысының кемшілігі табақтардың арасындағы бос жерлеріне биомасса қалдығының тез толып қалатындығы. Сепаратордың жұмыс істеу ұзақтығы 12 - 24 сағатқа дейін созылады, содан соң барабанды ажыратып алып жуады.

Ыстықпен өңдеу және булау

Биотехногиялық өндірісте дайын өнімді алдын ала концентрлеу әдісінде булау процесі кеңінен таралған. Кұрғақ затты концентрлеуде культуральды сұйықтықты булау 20-40 % жетеді.

Сурет 46 - Ағатын қабықпен буландыру аппарат

Негізінде биосинтездің дайын өнімін қыздырғанда (термолабильді) шыдамайды және 5-15 минутта 50-60⁰С температурада белгілі бір дәрежеде инактивтеледі. Сондықтан буландыру процесі соңғы өнімінің биологиялық активтілігінің минимальді жоғалуын қамтамасыз ететін режимде жүргізіледі.

Әрбір өнімге сәйкес температурада буландыру аппаратына өнімнің келуі тәжірбиелі жүйеде анықталады.Культуральды сұйықтықты буландыру үшін 70-80⁰С температура қабылданады. Буландыру аппаратында сұйылуда мұндай температура қайнау температурасына жетеді.Буландыру көп корпусты немесе бір корпусты вакуум - буландырғыш қондырғыда жүргізіледі. Көп корпусты вакуум-буландырғыш қондырғыда культуральды сұйықтық бір аппарттан басқа аппаратқа тізбектеліп келіп, культуральды сұйықтық көп рет буландырылады. Буландыру аппараты 46-суретте көрсетілген, төменгі ағымдағы принциппен жұмыс істеледі. Культуральды сұйықтық қабылдағыш бактан насоспен буландырғыштың жоғарғы бөлігіне беріледі, құбырдың жоғарғы жағында тордың бетінде біркелкі таратылады және құбырдың ішкі жағында жоғарыдан төмен қарай жұқа қабықша түрінде ағады.

Құбыр аралық бос жердегі бірінші буландырғышқа ыстық бу беріледі. Культуральды сұйықтықты буландырғанда пайда болған буды екіншілік бу деп атайды,құбыр бойымен сұйықтық қабықша ағады, содан соң сұйықтық бөлгішке келіп түседі. Мұнда екіншілік будан буландырғыш сұйықтықты бөлу жүргізіледі. Екіншілік бу 80-87⁰С температурада, құбыр аралық бөлгішке екіншілік буландырғышқа жіберіледі.

47 сурет -Үш корпусты буландырғыш қондырғы:

І-бір сатылы буландырғыш;

2-шашыратып бөлгіш;

3-екіншілік буға арналған құбыр;

4-екі сатылы буландырғыш;

5-үш сатылы буландырғыш;

6-бетіндегі конденсатор;

7- насостар;

8-су сақиналы вакуум – насос.

Қоюланған культуральды сұйықтық бірінші буландырғыштың төменгі бөлігінен және бөлгіштен насостың көмегімен буландырғыштың екінші сатысына, содан соң үшіншісіне жіберіледі (47-сурет). Үшінші сатыдағы буландырғышта культуральды сұйықтықтағы биомассаның концентрациясының шығымы 18-22 % дейін жетеді (құрғақ зат бойынша есептегенде).

Фильтрлеу

Өндірісте кейбір биологиялық активті затты көбінесе антибиотикті, культуральды сұйықтықтан микроорганизм массасын бөліп алу үшін фильтрлеу әдісі қолданылады.Формасы жіпше тәрізді, бұтақша тәрізді болып келетін микроорганизм – продуцентін бөліп алу үшін осы әдіс қолданылады. Фильтрлеудің мақсаты культуральды сұйықтықта қатты және сұйық фазаны кеуек бөлгіш арқылы бөлу болып табылады. Фильтрлеудің қозғалушы күші болып қоршаудың екі жақтағы қысымның айырмашылығы болып табылады. Фильтрлеу процесінің негізгі сипаттамасының бірі болып жылдамдығы саналады, демек бір мезгілде W, м³/ ( м² ▪ с ) фильтрлеуші бетте алынған фильтраттың бірлік саны:

,

мұндағы: V-фильтраттың көлемі, м³,

F –фильтрлеуші беттің ауданы, м²,

τ– уақыт, с.

Фильтрлеудің жылдамдығы қысымына, тұнба қабатының қалыңдығына, оның құрылысына, сұйық фазаның тұтқырлығына және басқада факторларға байланысты.

Фильтрленуші сұйықтық екі кеуек қабат арқылы өтеді: тұнба қабат (ауыспалы қалыңдық) және фильтрлеуші қоршау.Фильтрлеу процесінің есебін білу үшін суспензияның сипатталуына байланысты және фильтрлеуші ұлпаны және тұнбаны білу қажет.Тұнбаның меншікті кедергісінің мәні және фильтрлеуші бөлгіш тәжірбиелі жолмен анықталады.

Культуральды сұйықтықтың фильтрленуі микроорганизм – продуцентіне, қоректік ортаның сандық және сапалық құрамына, ферментация жағдайына байланысты. Продуценттер көлеміне және жасушаның пайда болу құрылысына қарай ажыратылады. Мысалы, пенициллин продуценті ұзынша талшықты мицелий «толық» жіпше диаметрі 5-50 мкм, сұйық фазадан бөліп алуда қиындық болмайды.Мицелий актиномицет жіңішке (0,2-1мкм) бұтақ жіпше көп санды бір-бірімен байланысқан болып сипатталады.Ферментация процесінің соңында сілекейлі жасуша байқалады, нәтижесінде сұйықтықта мицелиялы жасуша үзінді бөлігінен жұқа дисперсиялы фракция пайда болады. Мицелия аморфты, сілекейлі, жабысқақ тәрізді, фильтрлеуші материал саңылаулы тез бекітіледі. Тұнбаның меншікті кедергісі күшті. Культуральды сұйықтықтың фильтрленуіне ферментация процесінің жүргізілу жағдайы үлкен әсер етеді: шикізат саны, сапасы және құрамы, қоректік затты тұтынатын сұйықтықтың құрамы, май мөлшері, ферментация процесінің ұзақтығы. Мысалы, жүгері экстрактінің орнына соя ұнын қолданғанда, тұндыруда кедергіні кемітеді, фильтрлеу жылдамдығын жоғарылатады. Егер культуральды сұйықтыққа қоректік зат тұтынбайтын зат қатысса, фильтрлеу баяулайды. Көбік сөндіруде май қолданылса ферментация соңында фильтрлеу нашарлайды. Ферментация процесінің ұзақтығы да фильтрлеу процесіне кері әсерін тигізеді. Культуральды сұйықтағы көптеген антибиотиктегі фильтрлеуді жақсарту үшін мицелияны бөлу үшін арнайы өңдеулер жасалынады.

Культуральды сұйықтықты фильтрлеуді жақсарту әдісіне жылы коагуляция, қышқыл коагуляция, электролитпен өңдеу және фильтрлеуші ұнтақты қолдану жатады.

Ыстық коагуляция негізінде антибиотикті алғанда қолданылады, сулы ортада қыздырғанда бұзылмайды. Ол ақуыз денатурациясы жоғары температураға негізделген. Бұл жағдайда фильтрлеу жылдамдығы ақуыз коагуляциясына және ыдырау есебінен жоғарылайды. Тұнба мұндай кезде аз жабысатын, оңай сусызданатын болады. Одан басқада (70-75⁰С) жоғары температурада культуральды сұйықтықтың тұтқырлығы төмендейді. Бірақ жылумен өңдеу дайын өнімнің сапасына кері әсерін тигізеді.

Қышқыл коагуляция антибиотик өндірісінде кеңінен қолданылады, ертіндінің рН мәні төмен берік болып келеді. рН мәнін төмендету қышқылды таңдау антибиотикті келесідей химиялық тазарту талабымен анықталады.

Бірақ қышқыл коагуляциядан жақсы фильтрлеу процесі барлық культуральды сұйықтықты қамтамасыз етпейді. Кейбір жағдайда қышқыл – жылы коагуляция бірлескенде жақсы эффект береді.

Культуральды сұйықтықты фильтрлеуді жылдамдату үшін фильтрлеуші ұнтақ кеңінен қолданылады.Көбінесе силикат ұнтақ (перлит, диатомит және т.б.) немесе ағаш ұны қолданылады. Ұнтақ сулы суспензия түрінде фильтрге беріледі, фильтр бетіне 1-2мм қалыңдықта (шайынды) топырақ қабаты төселеді, содан соң сол арқылы культуральды сұйықтық фильтрленеді. Фильтрлеуші қабат топырақ қабаттың енгізгіштігі жоғары болғандықтан фильтрлеу жылдамдығын жоғарылатады. Кейде ұнтақты тікелей фильтрлеу алдында культуральды сұйықтыққа қосады, мұндай жағдайда фильтрлеу процесінің жылдамдығы бар жоғы 15-20 % ұлғаяды, ал бұл кезде топырақ қабатпен 1,5-2 есе жоғары болады.

Жоғарыда айтылған әдістердің барынша тиімділігі жеткілікті емес. Олар тұнбаның құрылысын өзгертпейді, қабатты жумай-ақ фильтрді бөлуге қолдануға болады.

Тиімді әдіс коагуляция, ол тұнбаның түрін жақсартады және фильтрлеу жылдамдығын жоғарылатады, культуральды сұйықтыққа реагентті қосқанда ерімейтін тұнба пайда болады, қор жиналушының пайда болу әдісі болып саналады. Мұндай реагенттер болып Ca, Ba, Fe, Al және т.б. тұздар атқарады, сулы ортада тұнба фосфор, шавел, және басқа қышқыл күкірт анионымен пайда болады. Культуральды сұйықтықта тұнбаның түсуі мицелия бөлшектерін алдын-ала салуынан түйіршіктердің пайда болуына ұмтылдырады.

Культуральды сұйықтықтан биомассаны бөлуге арналған фильтр. Үздіксіз және периодты әдістің әсерінен жұмыс жасау принципі бойынша фильтр ажыратылады. Қозғалушы күштің сипаты бойынша фильтрдің қысыммен және вакууммен жұмыс істеуін ажыратуға болады.

Биопрепарат өндірісінде мицелияны бөлуге арналған фильтрдің құрылысы барабанды вакуум – фильтр және рамалы фильтр – пресс қолданылады.

Рамалы фильтр – престің сызба нұсқасы 48-суретте келтірілген. Периодты жұмыс жасайтын аппарат, қысыммен жұмыс істейді. Фильтр – пресс 2 плита мен 3 рама кезектесіп бірдей размерден тұрады, оның арасында фильтр мата (салфетка) қысып тұрады. Рама мен плита екі параллель бүйіріндегі қондырғы 4 дөңгелек бөренеге тіреледі. Плита мен рама 1 маңлайшаға қысылып тұрады 5 жылжымалы маңлайшаның көмегімен маңлайшаға қысылып тұрады, плунжерлі гидравликалық қондырғыға 6 қысым әсер етеді. Плита тақтаның шеттерінің беті тегіс болып келеді, ал ортасы ирек таяқшалы болып келеді. Плита мен рамада 7 құюға арналған саңылау бар, жиналған кезде фильтрлеуші сұйықтық жүретін каналша пайда болады. Рамалы фильтр престе фильтрлеу процесі келесідей жүргізіледі.

48 сурет - Рамалы фильтр- пресс:

1-маңлайша; 2-рама; 3-плита; 4-бөрене;

5-жылжымалы маңлайша; 6-гидравликалық қондырғы;

7-құюға арналған саңылау; 8-шүмек.

Культуральды сұйықтық қысым арқылы каналға беріледі және одан раманың қабырғадағы саңылауы арқылы ішкі кеңістікке беріледі және ішкі раманың бетімен беріледі. Мицелия осы кеңістікте ұсталады, ол натрий ертіндісі фильтрлеуші сорғыш (салфетка) арқылы өтеді, содан соң науа мен канал арқылы шүмектен науаға ағады. Фильтраттың бірінші бөлігі мөлдір болмайды, оны культуральды сұйықтықты жинағышына қайтарады. Одан кейін матаға тұнба қабаттына жиналады, сол арқылы фильтрленеді. Фильтрат осы кезде мөлдірленеді.

Фильтрленгеннен кейін мицелияны жуады. Жуу мақсаты – тұнбадан натрий ертіндісін ығыстыру, антибиотиктің толық мицелиядан натрий ертіндісіне ауысуын қамтамасыз ету. Мицелияны жуып болғаннан кейін фильтрге сығылған ауамен үрлеп тұнба саңылауынан жуылған су шығарылады. Содан соң жылжымалы плитаны жылжытады. Плитаны және раманы жылжытып және тұнба бункерге жіберіледі, филтрлеуші шыт мата сумен жуылады.

Фильтрлеу процесі 0-ден 0,2-0,3 дейін МПа қысыммен фильтрдің жоғарғы өнімділігін қамтамасыз етеді, мұндай жағдайда барлық уақытта жоғары қысымда болады. Жоғарғы қысыммен фильтрлеудің алдыңғы кезеңінде фильтрлеуші матаның және топырақ қабаттың кеуектеріне тұнбаның майда бөлшектерінің енуін тудырады және оның нығыздалып бітелуі фльтрлеу жылдамдығын төмендейді.

Рамалы фильтр-престің кемшілігі болып, физикалық жұмыстың жоғары болуы, қызмет етушілерде санитарлық жағдайының ауыр болуы және фильтрлеу жылдамдығының төмен болуы саналады.

Рамалы фильтр–престің атықшылығы, құрылысы қарапайым, жылжымалы бөлшектердің болмауы, сондай-ақ мөлдір фильтрат алу мүмкіндігі.

Барабанды вакуум-фильтр вакуумның жұмыс істеуінің әсерінен үздіксіз жұмыс жасау қамтамасыз етіледі. Фильтрде көлденең перфорирленген барабанның болуы, фильтрлеуші мата қаптама қамтамасыз етілген (49-сурет).