биотехнология кітап

Сүзіп алу (фильтрлеу) əдісін кіші көлемді культуралды сұйықтықтарына– рамалы сүзгілері арқылы, ал көп көлемді сұйықтықтарында– барабанды вакуумсүзгілері арқылы жүзеге асырады.

Центрифугалау əдісі – бөлшекті заттарды центрифуга қондырғысы арқылы үдемелі айналдыру кезінде пайда болатын сыртқа тебу(центробежный) күштерін пайдалану нəтижесінде мəжбүрлі түрде тұндыру жолымен жүзеге асырылады.

Тұнба түзу əдісі– дəстүрлі ашу үдерістері жəне қалдықтарды кең көлемді қайта өңдеу кездерінде қолданылады. Бұны седиментация əдісінің жалғасы ретінде де қарауға болады.

Флотация əдісін (ағылш .floatation – қалқып шығу) – мысалы, диагностикалық мақсатта патологиялық материялдан өкпе құрты микобактерияларын жинақтау үшін

буларды немесе еріген заттарды сорып алуға негізделеді. Сорбцияға қатты дене беті қатысатын жағдайды – адсорбция деп атаса, сұйықтық бетімен қажетті заттарды сорып алу – абсорбция делінеді. Сонымен бірге, хемосорбция – сорғыш зат пен газ арасындағы химиялық əсерлер болатын газды сорулар; десорбция – қатты заттың немесе сұйықтық бетіне сорылған заттардың қайта бөлінуіне негізделген, яғ и сорбцияға қарама-қарсы үдерістері болады.

Тұндыру əдісі – микробиотехнологиядағы ақуыздарды (мысалы ферменттерді), полисахаридтерді, бірталай антибиотиктерін жəне де басқа заттарды алуда кеңінен қолданылады. Мұнда ақуыздарды ажыратып-бөлуде, рН көрсеткіштерінің изоэлектрлік деңгейге дейін өзгерулерінде, ерітіндінің диэлектрлік өткізгіштігінің нашарлауы, ақуыз молекуласының сальватация деңгейлерінің төмендеуі сияқты жағдайларда пайдаланылады.

Хроматография əдісі – БАЗ-ды (биологиялық активті заттар) ажыратуларының əртүрлі варианттарында қолданылады: гель-фильтрация немесе гель-өткізгішті – молекулярлы хроматография ситаларында, ионалмасулы (ионнообменная) хроматографияда.

Ген-фильтрациясын молекулалық массасы əртүрлі болып келетін қоспаларды ажырату мақсатында қолданады. Бұлар микроорганизмдердің түрлі метаболиттері,

70

тұтқыш (гель-насадка) құрамына еніп кететіндіктен хроматографиялық колоннада ақырын жылжыса, ірілеу молекулалылары – гель құрамына кіре алмағандықтан тез

жылжымайтын қабат болып келсе, бұған керісінше, мысалға алғанда ақуыздар

жүзеге асырады. Нəтижесінде бірінші болып КЦМ-мен əлсіз байланысқан ақуыздар эллюцияға ұшырайды.

Мембрана арқылы бөлу əдісібиотехнологияда кеңінен қолданыла бастады. Мұнда теріс осмос немесе ультрафильтрация əдістерін таңдау ,кезд ажыратушы заттардың молекулалары мен бөлшектерінің диаметрлері шешуші роль атқарады. Мысал ретінде, кейбір заттар молекулалары мен жасушалардың шамамен алғандағы мөлшерін (көлемін) мкм өлшемімен көрсете кетейік: су (ММ 18 ДА) – 0,0002, ММ 100 ден 500 ДА дейінгі органикалық қышқылдар– 0,0004-0,0008, ММ 180 нен 400 ДА дейінгі моноза мен биозалары– 0,0008-0,001, ММ 300-ден 100 ДА дейінгі кейбір антибиотиктер – 0,0006-0,0012, ММ 10000нан 1000000 ДА дейінгі протеиндер мен гликандар– 0,002-0,01, көптеген бактериялардың жасушалары–

еріткішке) басталады. Мұның нəтижесінде ертілген заттардың концентрациясы арта бастайды, яғни кері осмос құбылысы белең алады.

5. Халық шаруашылығында қолданылатын биореакторлардың түрлері

Биореакторларда көптеген мөлшердегі тірі жасушалар немесе реагенттер мен ферменттердің қосындылары сақталуы мүмкін. Биокаталикалық үдерістерінің көпшілігі сулы ортада жүреді. Мұндағы басты мақсат, жасушаларды немесе

71

реагенттерді адамдарға қажетті ақырғы өнімін алуға бағыттап индукция. Қондырғыда өтетін үдеріс аяқталып біткеннен кейін, дайын өнімдері жиналып алынады.

Биореакторлардағы басты артықшылық, үдерістер тоқтатылмай, ұдайы жалғасын тауып жатқанда, мұндағы түзілетін өнімдері белгілі бір мерзімде

заттары, азот көздері жəне ауасы бар ортаға салынады. Жасушалардың қоректік ортадағы белгілі бір тығыздыққа дейін өсуіп-көбеюіне мүмкіндік беріледі. Мұндағы жүретін үдерістердің жақсы өтуі үшін, қоректік ортаның құрамында жасушаға қажетті барлық химиялық элементтер болуы қажет. Сондықтан, жасушалардың өсірілу ортасының жағдайы əрдайым қадағаланылып, басқарылып отырылуы тиіс. Қоректік ортадағы қоректік заттардың жасушаның айналасындағы айналымы қамтамасыз ету жəне зат алмасуы нəтижесінде пайда болатын көмірқышқыл газы мен басқа да қажетсіз заттардан арылту мақсатында, төмендегі шаралар жасалынып тұруы қажет:

1.Деміл-деміл араластырылып тұруы.

2.Циркуляцияланатын ортада микроорганизмдер суспензиясын пайдалану.

Қоректік ортадағы ерітілген оттегінің жасушаларға əрдайым жеткізі тұрылуын естен шығармау қажет. Жасушалар қоректік орта құрамындағы алғашқы заттардан, адамдарға қажетті заттарды синтездейді. Кейіннен, жасуша шырыны (секреті) ретінде бөлініп шыққан қажетті заттар тазартылып, немесе химиялық жолмен өндіріліп алынады.

Өсірілетін дақылдар мен ондағы алынатын өнім түрлеріне байланыс, биотехнологиялық үдерістер өтуге арналған қондырғыларды келесі типтерге бөлуге болады:

1.Бактериялар мен микроскопиялық саңырауқұлақтарды өндіруге арналған.

2.Өсімдіктер жасушалары мен ұлпаларын өсіруге арналған.

3.Хайуандар мен адамдардың жасушалары мен ұлпаларын өсіруге арналған. Қондырғыларды бұлайша ,бөлубактериялар мен микроскопиялық

саңырауқұлақтарды көбінесе өз құрылымында ферментатор, ə түрлі заттарды (қоректік орта, себінді материялдар, сулы заттар жəне т.б.) жеткізуге арналған көп корпусты стерильді бұрандалы тұтқалар(вентил), рН ортасын реттейтін жүйе, ауа жеткізілуін қамтамасыз етуші жүйе, ионбасушы, элетрлік қоздырғышы бар бір типті биореакторларын қолдану мүмкіндігінен туындаған.

Жасушалық қабаты бар өсімдік жасушалары болса(бактериялар мен микроскопиялық саңырауқұлақтарындағы сияқты), бактериялар мен микроскопиялық саңырауқұлақтарға қарағанда көбеюі, өсуі мен дамуына ұзағырақ уақытты талап етуі себепті, бұларда өтетін биотехнологиялық үдерістерінің өзгешелеу жүруін жəне қондырғы құрылымының да біршама басқаша жасалуын қажет етеді.

Ал, хайуандар мен адамдардың жасушалары мен ұлпаларында жасуша қабаты болмағандықтан, басқа да эукариот жəне прокариот жасушаларымен салыстырғанда, өте бүлінгіш жəне өздерінің тіршілік ету жағдайына аса сезімтал келеді. Сондықтан, осындай биозаттардың баппен қаралып-күтілуіне жағдай жасау , үшінбұларға

72

арналған қондырғылар «баяу қозғалатын» болып келуі қажет. Кейбір жағдайларда,

саңырауқұлақтарды өсіруге арналған қондырғылар да пайдаланылуы мүмкін.

4-кесте. Өндірістік биореакторлардың пилотты жəне зертханалық түрлеріме салыстырғандағы кейбір техникалық сипаттары.

істейтін (анаэробты) жəне ауа жеткізіп тұрылатын(аэробты) деп екіге бөліп те атайды.

Аэрацияланатын (аэробты) биореакторлар өз кезегінде араластырғыштары (қозғағыш) бар жəне жоқ болып бөлінеді.

Соңғы кездері мембраналы биореакторлар, жалпақ пішінділері жəне . тб сынақтан өткізіле бастады.

73

Биореакторларды құрастыру кезінде, əртүрлі микроорганизмдер өкілдерінің

қатынасымен анықталады жəне бұл қатынас көбінесе1:2 ден 1:6 дейінгі аралықта болады.

Əржақты жəне көп қолданылатын ферментаторлар қатарына, анаэробты жəне аэробты түрлері жатады. Бұл ферментаторларды өз кезегінде араластыру үшін қажетті энергия көздерінің жеткізілуіне байланысты:

-газды фазалы (ГФ);

-сұйықтық фазалы (СФ),

-газды жəне сұйықтық фазалы (ГСФ) деп бөледі.

Келтірілген классификация арқылы ферментерлердің констру бөлшектеріне лайықты инженерлік есептеулер мен олардың жұмыс режимдерінің біртекті əдістерін қалыптастыру мүмкін болады.

Осы үш типті ферментерлердің көптеген элементтерінде жалпылай ұқсастық бар. Мұндағы негізгі айырмашылықтар– аэрациялайтын жəне араластыратын бөліктерінде ғана.

16-сурет. Эрлифті ферментатор 1-ағызу штуцері, 2-аэратор, 3-иректі пластинка, 4-толтыруға арналған штуцер. 5-

люк, 6-аппарат корпусы, 7-диффузор, 8-көйлегі, 9-қысым азайтқыш түтігі.

ГФ тобындағы ферментаторлардың ішіндегі конструктивті сипаты түрінде сыйымдылығы 63 м3 келетін эрлифті пішінін айтуға болады. Бұл қондырғыда механикалық араластырғыштың болмауы себепті, асептикалық жағдайды ұстап тұру оңай. Ортаның аэрациясына қажетті ауа ферментатордың ішімен вертикалд

74

орналасқан түтік арқылы беріледі. Диффузордың төменгі жағында орналасқан жəне конструкциясы шығатын ауаның ұйытқуын тудыратын аэратор арқылы, қоректік орта ауамен қамтамасыз етіледі. Газды-сұйықтық диффузор арқылы жоғары көтеріліп, оның шеті арқылы араластырылады. Дəл осы аймақта ауаның бір бөлігі

жүзеге асып отырылады. Ферментатор ішінде биологиялық үдерістер нəтижесінде пайда болатын ыстық ауаны шығаруға арналған арнаулы түтік(змеевик) болады, жəне қондырғы секциялық бөлімдер арқылы қорғалады. Қазіргі кезде мұндай ферментаторлардың сыйымдылығы 25, 49, 63 жəне 200 м3 арналған түрлері бар.

Малазықтық ақуыз өндіру мақсатында кеңінен қолданылатын ферментерлер

Ашытқының таза культурасын шығаруға арналған сиымдылығы 0,32, 3,2 жəне 50 м3 көлемдеріндегі ферментерлер бар. Бұл ферментерлер тігінен орналасқан дөңгелек

17-сурет. Арнайы сору қабілетіне ие араластырғышы бар ферментатор

75

1-корпусы, 2-диффузор, 3-арнайы сору қабілетті араластырғыш. 4-жылу ауыстырғыш, 5-сүзгі.

Микробиологиялық өндірісіндегі сұйық парафинде ашытқыларды өсіруде, арнайы сору қабілетті араластырғышы бар ферментатор пайдаланылады. Оның сыйымдылығы 800 м3 (жұмыс сыйымдылығы 320 м3) жəне олар 12 секцияға бөлінген. Ферментациялық орта осы секциялардың барлығынан кезегімен өткізіліп, ең соңғысында құрамында парафин мөлшері аз, ал биомассаға өте бай болып келетін культуралды сұйықтығы алынады. Бұлардың əр секциясында басқа биологиялық белсенді заттарын алу мақсатында қолданысқа енген болатын. Бұл қондырғылардың

жалпы аумағы ауа алып келетін түтіктің көлденең қиындысынан25% артық болуы керек. Барботерден шығатын ауа араластырғыштың аумағына ілінуі үшін, оның диаметрі араластырғыш диаметріне сай келуі қажет.

Ферментатородың тиімді жұмыс істеуі, оның жиі араластырылып тұруына байланысты. Араластырылудың мақсаты, қондырғының өн бойындағ температураның бірқалыпты сақталуы, жасушаларға қоректік заттарды дер кезінде

76

жеткізіп, зат алмасу үдерісі барысында ыдырайтын метаболизм өнімдерін шығару

дер кезінде шығарып тұру да, микроағзалардың қалыпты өмір сүруіне өз əсерін

ірілендірілген балық шаруашылықтарында ашық типті фитобиореактор көпте пайдаланыла басталды (сурет-18,19).

18,19-сурет. Микробалдырларды өндірістік мақсатта өсіруге арналған ашық типті фитобиореактордың сыртқы көрінісі

қолданылады. Мұнда биореакторлар ішінде ыстық бу бармай қалатын жерле болмауы қажет. Стерилизацияға қондырғы құрамындағы барлық клапандар, датчиктер, кіру жəне шығу тесіктері ілігуі керек. Асептикалық жағдайда жұмыс істеуі қажет биотехнологиялық қондырғының стерильдігі, оның герметикалық қамтамасыз етілуіне тікелей байланысты.

Сұйықтықтың стерильді берілуі, ыстық бу берілетін штуцер арқылы жүзеге асырылады. Биореактордың іске қосылуы культуралды сұйықтығының бөг

микроорганизмдермен бұзылуын (контомация) тудыруы мүмкін агенттер қатарында бактериялар, ашытқылар, зең саңырауқұлақтары, қарапайымдылар, микоплазмалар

бастапқы тазарту (көлемі 5 мкм үлкендеу заттардан), компрессордың алдындағы сору желісінде орналасқан тазартқыш фильтрлері арқылы(аралас құрамдағы терең тазарту фильтрлері – қағаз, картон, маталық материалдар) жəне майда заттардан (03 мкм дейінгі заттарды аластайтын фабрика өнімінің матасы) филтрлері арқылы жүзеге асырылады.

77

потенциалдарын да атқарылатын жұмыстарда арнайы есепке алады.

Зертхана немесе өндірісте қолданылатын биореакторлардан шыққан а

қарқындылығының жоғарылығы, арқырғы өнімі мол болатын арзан субстраттарда өніп-өсуінің шапшаңдығы, экономикалық тиімділігі, əртүрлі жұқпалы дерттерге төзімділігі мен тұрақтылығы жатады. Шаруашылықтарда жүргізілетін селекциялық жұмыстарында биоинженерияның əдістерін қолдана отырып алынған таб штаммдардың мутанттары пайдаланылады. Олар табиғи шатаммдардан қоректік ортаға бөлінетін метаболитті өнімдер алу үшін де пайдаланады. Бұл мақсатта табиғи штаммдарды қолдану жарамсыз, өйткені оларда метаболиттердің шамадан тыс мөлшерде бөлінуіне кедергі келтіретін, бақылаушы механизмдер болады.

микробтардан белгілі бір затты өндіру үшін штаммдардың табиғи қабілеттілігін күшейту қажеттілігі туындайды. Мұндай міндетті жүзеге асыру үшін, табиғи штаммдардың арасынан селекция əдісімен қажетті заттарды қарқынды тү синтездеу, немесе басқаша айтқанда оларды жоғары дəрежеде түзуге қабілеті бар мутанттарды табу керек.

78

Бастапқы өкілдегі белгілі бір штаммдарды таңдап, олардыңалу табиғи қасиеттеріне байланысты. Бұл микроорганизмдердің ортаға бірқатар мөлшерде алғашқылық жəне екіншілік деңгейдегі метаболиттерді түзу немесе түзе алма қабілеті, бірақ шамадан тыс жүретін синтез үдерісін тежеу үшін азғана мөлшерде болуымен анықталады. Егерде əртүрлі таксономиялық топтарға жататын табиғи штаммдар бар болса, олардың ішінен техникалық жағынан қиы келтірмейтіндерін таңдап алу керек. Микрорганизмдерді қоректік ортада белгілі бір мерзімде өсіргеннен кейін, штаммдардың сапалық көрсеткіштерін бағалау, олардың түзетін өнімдерімен жəне сол өнімдердің(антибиотиктердің, аминқышқылдарының т.б.) ортада жиналуы арқылы сипатталады. Ол қоректік ортаның көлеміне шаққандағы алынған дəрмектер массасының өлшем бірлігімен белгіленеді(мысалы: мкг/мл, г/л). Егерде бұл метаболит фермент болса, штаммның сандық сипаты ретінде тиісті өлшем бірлігіндегі фермент белсенділігі арқылы есептеледі.

Селекциялық жұмысқа бастапқы штаммды дайындау тəртібі мына: штаммдарды Петри табақшасына себу, типті жəне типті емес пішінді штаммдардың 100 жəне оданда көбірек колонияларының арасынан қиғаштала жасалған қоректік ортада оқшауланып алыған штаммдарды талдау əдісінің көмегімен өнімділігі анықтап, оған баға беру. Бұлардың ішінен өте жоғары деңгейде өнімділік көрсеткен жасушаларды, мутагендік əдістерді қолдана отырып келешек жұмыста пайдаланады. Мутаген ретінде əртүрлі физикалық жəне химиялық факторларды қоданады. Əсер

арқылы жұмыс бірнеше кезеңде атқарылатын болғандықтан, оны сатылық тəсіл деп атайды. Тəсілдің əрбір кезеңінде бірнеше мың клондардан сандық белгілеріне қарай, жоғары өнім алынатындарын сұрыптап, ақырғы үйлесімді продуценттер таңдап алынады. Мұндай селекцияның классикалық мысалы ретінде Америкада физикалық жəне химиялық мутагендердің көмегіменPenicillium chzysogeniu -ның алғашқы

сұрыптау жүргізу, мақсатқа сай өнімді синтездеу мен сол үдерісті реттеу жолдарын анықтап білу саналады. Бұл тəсіл көпшілік жағдайда алғашқы метаболиттерді алуда қолданылады.

79