adyrbaikyzy_bioinjeneriya_umk_kz

4.	Микроорганизмдердің				тіршілігіне		негізделген, процесс			барысында
алынған өнімдердің негізгі топтарын атаңыз.
5.	Организмдерді			культивирлеудің			хемостатты		жəне	турбидостатты
əдістерін		сипаттаңыз,		олар	неге	негізделген, үздіксіз			культивирлеудің
басымдылығы неде?
3-дəрістің			тақырыбы:		Биотехнологияның			биоагенттері			-
биоинженерияның нысандары.
Биотехнологиялық				процесті			құрастыратын			элементтер.

Биотехнологиялық процесті құрастыратын негізгі элементтерге биологиялық агент, субстрат, құрал-жабдықтар жəне өнім жатады.

Биотехнологиялық процестердің белсенді бастауы болыпбиологиялық агент саналады жəне ол көптеген маңызды элементтерінің бірі. Биологиялық агенттердің номенклатурасы қарқындап өсіп келеді, б рақ қазіргі уақытта микроб клеткасы дəстүрлі объект ретінде маңызды орын алады.

Əр түрлі химиялық-технологиялық қасиеттерімен микроб клеткаларын табиғи көздерінен алуға болады жəне одан əрі оларды дəстүр(селекцияі, сұрыптау) жəне жаңа (клеткалық жəне генетикалық инженерия) əдістер арқылы елеулі модифицирлеп жəне жақсартып алуға болады. Биологиялық агентті таңдағанда жəне оны өндіріске қойғанда, алдымен, штамдардың технологиялық принципін сақтау қажет. Мұның мəні мынада: микроб клеткасы, популяция немесе особьтар бірлестігі

-өзінің негізгі физиологиялы-биохимиялық қасиеттерін ұзақ ферментация процесінде сақтайды;

-мутациялық əсерлерге, фагтарға, бөтен микрофлораны жұқтырмау (контаминациялар) тұрақтылығына ие болуы қажет ;

-адамға жəне қоршаған ортаға зиянсыз болуы қажет, өсіру кезінде зат алмасуда жəне шығындыларда бөтен улы өнімдер болмауы керек;

- өнімнің жəне техникалы-экономикалық көрсеткіштері жоғары болуы

тиіс.

Қазіргі уақытта көптеген өндірістік микробты технологиялар(кесте) гетеротрофты организмдерді қолдануында негізделген. Тапшы органикалық ортаға мұқтаждықсыз өсу үшін келешекте продуценттер арасында автотрофты микроорганизмдер жəне де экстремофилдер– ортаның экстремалды жағдайында дамитын (термофилды, алкаложəне ацидофилды) организмдер маңызды орынға ие болады.

3.1-кесте Өндірісте арнайы өнімді алу үшін пайдаланатын микроорганизмдер

Организм	Типі	Өнім
Saccharomyces cerevisiae	Дрожжылар	наубайшылық дрожжылар, шарап,
	Бактериялар	эль, саке
Streptococcus thermophilus		Иогурт
Propionibacterium shermanii	Бактериялар	Швейцар сыры
Gluconobacterium suboxidans	Бактериялар	Сірке су
Penicillium roquefortii	Өңез	Рокфор сыры

21

Aspergillus oryzae			Өңез		Саке
Saccharomyces cerevisiae			Дрожжылар		Этанол
Clostridium acetobutylicum			Бактериялар		Ацетон
Xanthomonas campestris			Бактериялар		Полисахаридтер
Corynebacterium glutamicum			Бактериялар		L-Лизин
Candida utilis			Дрожжылар		Микробты белок
Propionibacterium			Бактериялар		Витамин В12
Aspergilus oryzae			Өңез		Амилаза
Kluyveromyces fragilis			Дрожжылар		Лактаза
Saccharomycopsis lipolytica			Дрожжылар		Липаза
Bacillus			Бактериялар		Протеазалар
Endothia parasitica			Өңез		Ұлтабар ферменті
Leocanostoc mesenteroides			Бактериялар		Декстран
Xanthomonas campestris			Бактериялар		Ксантан
Penicillium chrysogenum			Өңез		Пенициллин
Chehalosporium acremonium			Өңез		Цефалоспирин
Rhizopus nigricans			Өңез		Стероидтар	трансформациясы
					стероидтар
Гибридомдар			–		Иммуноглобулин		жəне
					моноклонды антидене
Сүт қоректілердің клеткалық жолы			–		Интерферон
E. coli (рекомбинантты штамдар)			Бактериялар		Инсулин,	өсу	гормоны,
					интерферон
Blakeslea trispora			Өңез		β-Каратин
Phaffia rhodozyma			Дрожжылар		Астаксантин
Bacillus thuringiensis, Bacillus popilliae			Бактериялар		Биоинсектицидтер
Bacillus popilliae			Бактериялар		Биоинсектицидтер
Биотехнологияда биологиялық агенттердің ерекше тобы–							ферменттер,
атап айтқанда, биологиялық		тектес катализаторлар. Ферменттер əр түрлі
биотехнологиялық	процестерде			жəне	шаруашылық		саласында	көбнесе

қолданылады, бірақ оларды қиыншылықпен алғандықтан, тұрақты болмауынан, бағасы жоғары болғандықтан 60-шы жылға дейін бұл бағыт тоқталып қалды. Жаңа биологиялық агенттерді шығару жəне пайдалану барысында жеке сала ретінде иммобилизацияланған ферменттерді айтуға болады, оларды келісті қызмет атқаратын жүйе деп көрсетуге болады. Оның əрекеті дұрыс ферментті таңдап алу, иммобилизацияның тəсілі мен оны алып жүруімен анықталады. Мобильді ферменттердің ерітілгендерден айырмашылығы мынада: тұрақты жəне белсенділігі жоғары, реактор көлемінде ұстамды, арнайы өнімдерді толық жəне тез шығаруы жəне дүркі-дүркін биологиялық агенттерді пайдаланып, ферментацияның үздіксіз процестерін ұйымдастыра алады. Аналитикада қолданатын, энергияны өзгертетін жəне биоэлектрокатализде биологиялық микроқұрылысты жасайтын иммобильді ферменттер жаңа мүмкіншілікті ашты.

Биотехнологияның осы даму кезеңіндеəстүрлі						емес биологиялық
агенттерге	өсімдік	пен	жануарлар		ұлпалары	, жатадысоның	ішінде
гибридомдар,	трансплантанттар.			Қазіргі	уақытта	жаңа	биологиялық

агенттерді – генді-инженерлі əдістермен микроорганизмдердің, өсімдіктердің, жануарлардың трансгенді клеткаларын алуға үлкен назар аударылады. Əр түрлі

22

синтетикалық жəне биологиялық материалдарды(берілген қасиеттері бар
мембраналар, изотоптар, магнитті материалдар, антиденелер) қолданып қолдан
жасалған клеткаларды алуға мүмкіншілігі бар тағыда жаңа əдістер дамыған.
Осындай реакциялық белсенділігі жоғары жəне	тұрақтылықты	қасиеттері бар
ферменттерді құрастыруға жолдар ашылып	келеді. Қазіргі	кезде керекті

стереоконфигурациялы полипептидтердің синтезі іске асты.
Сонымен,	биотехнологиялық	процестерде	ұйымдастырудың		əр	түрлі
деңгейінде – жасушалықтан молекулалыққа дейін түрлі биологиялық агенттерді
қолдануға мүмкіншілік бар.				орталар тым
Биотехнологияда қолданылатын убстраттар мен					əртүрлі
болады жəне олардың спектрі шексіз ұлғая береді (3.2-кесте).
Өндірістік	процестердің	дамуымен	қалдықтардың		жаңа	түрл
жинақталып келеді, олар биотехнологияның əдістерімен зарарсыздандырылады
жəне пайдалы өнімдерге конвертирлендіріледі. Қарқынды жылдамдықпен өсіп
келе жатқан	биотехнологиялық	өндірістік бағыт, бір		жағынан, шикізаттың

дəстүрлік түрлерінің сарқылу проблемасына ұрынып тұр. Сондықтан шикі зат базасын кеңейту қажеттілігі туады. Екінші жағынан, жинақталған қалдықтар көлемінің өсуі дəстүрлі емес өңдеуді, соның ішінде оларды қайта өңдеуінде биотехнологиялық тəсілдерді қажет етеді.

Қазіргі кезеңде сарқылмайтын табиғи ресурстарға - фотосинтез өнімдеріне, əлем мұхитының биоресурстарына биотехнологтардың қызығушылығы . зор Биотехнологиялық процестердің орта құрамына көмір сутегі жəне энергия көзі жəне де минералдық элементтер мен өсу факторлары жатады.

Биотехнологиялық процесс үшін оптимальді қоректік ортаның құрамы дəстүрлі түрде ұзақ эмпирикалық іріктеу əдісімен анықталады, оны жүргізу барысында алдымен ортаның сапалық жəне сандық құрамын анықтайды. Продуценттің физиологиясы мен биохимия позициясынан орта құрамын негіздеуінде көптеген əрекеттер жасалды, бірақ қоректік заттардың мұқтаждығына түрлік жəне де штамдық ерекшелігі болғандықтан, əр бір нақты жағдайда арнайы продуцент үшін орта құрамын оптимальді таңдап алу қажет.

Кейінгі 20–25 жылдары эксперименттерді жоспарлауда математикалық əдіс, биотехнологиялық процестерді модельдеу кеңінен қолданып келеді; бұл қоректік ортаны конструкциялауында экономды жасауға негіздейді.

Аспаптар. Биотехнологиялық процестерді техникалық қамтамасыз ету сұрақтарымен биоинженерия айналасады. Түрлі процестер үшін алуан түрлі аспаптар болады: ферментация процесіне жеке жəне де дайын өнімді шығару жəне алу үшін.

Биотехнологияны техникалық жабдықтау техникалық биохимия мен тағам технологиясының жалпы қағидаларында негізделген, бірақ өзінің спецификасы бар. Биотехнологиялық процестердің таза химиялықтан принципиалды айырмашылығы мынадай:

–биологиялық агентттер физикалы-механикалық əсерлерге сезгіш;

–заттардың фазааралық тасымалы болады («сұйықтық – жасушалар», «газ

–сұйықтық – жасушалар» типі бойынша);

23

–асептика жағдайын талап етеді;

–жалпы көптеген процестердің өту жылдамдығы төмен; – арнайы өнімдер тұрақты емес;

–көбіктің пайда болуы;

–өсу мен биосинтездің регуляциялау механизмдері қиын.

3.2-кесте

Биологиялық

агенттер

мен

субстраттардың

жəне

биотехнологиялық

процестерде пайда болатын өнімдердің маңызды топтары(Виестур жəне

басқалары бойынша, 1987).

Субстраттар

Биологиялық агенттер

Өнімдер

Меласса,

қант

Микроорганизмдер,

өсімдік

Биотынайтқыштар

жəне

тростнигінің

шырыны,

жəне жануарлар клеткалары.

биоинсектицидтер,

микроб

өсімдік

полимерлерініңВирустар.

биомассасы,

гидролизаты.

Клетка

компоненттері: диагностикумдар,

Қант, спирт, органикалық

мембрана,

протопласт,

вакциналар.

қышқылдар.

митохондриялар, ферменттер.

Биогаз.

Мұнай парафины.

Клеткадан

тыс

өнімдер: Таза

өнімдер,

Жартылай

өнімдер,

ферменттер, коферменттер.

медикаменттер,

биотрансформацияның

Микроорганизмдердің,

диагностикумдар.

жолын салушылар.

өсімдіктердің

жəне

Гормондар

не

жə

Табиғи газ, сутегі.

жануарлардың

иммобильді,

биотрансформацияның

Ауыл

шаруашылық

жəнеолардың компоненттері жəне

басқа өнімдері.

орман

өнеркəсібінің

клеткадан тыс өнімдер.

Органикалық қышқылдар.

қалдықтары.

Полисахаридтер.

Өнеркəсібінің

Бір клеткалылардың белогі.

қалдықтары,

соның ішінде

Тағам өнімдері.

жеміс

жəне

жидектерді

Экстракттар,

қайта өңдеу.

гидролизаттар.

Тұрмыс қалдықтары,

ағып

Спирттер,

келіп қосылатын су.

органикалық ерітінділер.

Сүт іріткісі.

Антибиотиктер.

Картоп, астық.

Амин қышқылдары.

Өсімдіктердің

жасыл

Ферменттер, витаминдер.

биомассасы.

Металдар, метал еместер.

Моноклонды антиденелер.

Процестердің нəтижелігін бағалайтын критерийлер. Биотехнологияда нақты арнайы өнімді алуда əдісті таңдағанда, дəстүрлі əдістермен альтернативті осындай өнімді алғанда, міндетті түрде техникалы-экономикалық бағалауды өткізу керек. Мəліметтермен салыстырғанда, биотехнологиялық процестер өте технологиялы, экономды жəне экологиялы болу , керекнемесе тіпті альтернативтілерді болғызбауы керек. Варианттардың альтернативтігін тек өнімнің өзіндік құнымен бағалауыбіржақты. Алатын өнімнің сапасынан басқа, биотехнологияның нəтижелігін бағалауы болып процестің материалдыэнергиялық баланс бойынша есептелген экспериментті жəне теориялық өнімді шығаруын салыстыру саналады. Мұнда ірі масштабты биотехнологиялық

24

процестерде шикі		заттың	шығыны	мен бағасы, ереже түрде, анықтаушы
болады,	сондықтан	осы	жағдайда	материалды-энергиялық		бағалау		өте
маңызды.	Жəне	керісінше, жоғары		өнімді	рекомбинантты		-штамм

продуценттердің негізінде процестерді қолданғанда шығынның негізгі үлесі шикі затқа жатпайды, ол продуцентті жасауға жəне оны қолдауға, жəне де оны культивирлегенде арнайы жағдайды өңдеуі жатады, яғни осы жағдайда шикі заттық жəне энергоресурстардың экономикасы екінші дəрежедегі рөльді атқарады.

Қандай болсын биотехнологиялық процесте түйінді рольді биологиялық агент, оның табиғаты жəне физиологиялы-технологиялық қасиеттері атқарады.

Биообъектінің		өсуіне		бастапқы тіршілікке икемді себетін					материал, энергия
жəне	көміртек		көзі, биомассаның			синтезі	үшін	қоректік		орта , қажет
ингибиторлар өсуіне əсері болмауы керек, ферментацияға лайықты физикалы-
технологиялық жағдайлар (рН, температура, аэрация жəне басқалары) қажет.
Ферментация			жағдайының		адекваттілігін			сипаттайтын, негізгі			бір
көрсеткіш болып, продуценттің					өсу	жылдамдығы		саналады.		Периодты
культурада жақсы арластырылған ортадағы бинарлы бөлінген организмдердің
өсу	жылдамдығы (биомассаның					көбеюі)	микроб		биомассасының
концентрациясына			пропорционалды болады: dX/dt = μX, мұнда dX/dt –								өсу
жылдамдығы,		Х	–	биомасса,	μ	–пропорционалдың			коэффициент,
(«салыстырмалы			өсу	жылдамдығы»);		параметр	қосылған		процентке		ұқсас
(мəселен, егер		салыстырмалы			өсу	жылдамдығы0,1		ч–1 тең болса,			онда
биомассаның көбеюі сағатына 10 % тең). Егер μ тұрақты шама болса, мұндай
культивирлеудің белгіленген режимінде болады, онда берілген теңдеудегі
интегрирлеуі береді: lnX = lnX0 + μ t, мұнда Х0 – t уақыттың алғашқы кезеңіндегі
биомассасы.		байланыстық графигіlnX тік сызық μ еңкіш
Уақыттан									түрінде болады.

Негізгі параметрлердің бірі болып, продуценттің физиологиялық жағдайын сипаттайтын салыстырмалы өсу жылдамдығы саналады; осы көрсеткіш арқылы

басқа параметрлерді де көрсетуге болады.
Процестің өнімділігі бірлік				уақытында		биореактордың		көлемі	бірлігінде
алынған	өнімнің		санымен	сипатталады. Процестің			өнімділігі		көптеген
факторларға		байланысты: продуценттің				белсенділігіне,		пайдаланылған
субстраттан		өнімнің	шығу		коэффициентінің		мағнасына, ферментердағы
белсенді (активті) биомассаның				санына: П = qs Yp/s X [г/л				с], мұнда qs –
субстратты		пайдалану жылдамдығы(метаболикалық					коэффициент), Yp/s-
өнімнің		шығуы (экономикалық			коэффициент),		X –	биомассаның

концентрациясы, P – өнім, S – субстрат.

Өнімділік шамасына оның түрлі құрастырушыларын өзгерту жолымен əсер етуге болады, бірақ əр бір нақты жағдайда мұны жеке қарастыру тура келеді. Сонымен, Х шамасын ұлғайтқанда, аспаптың массасын айырбастау сипаттамасы бойынша, шектеулер жəне лимиттеуші жағдайлар пайда болуы мүмкін; қультураның метаболикалық коэффициент шамасын тек продуценттің

физиологиялы-биохимиялық сипаттамалары мен орта жағдайларының

25

арасындағы өзара байланыстарды терең біліп қана əсер етуге болады.

Өнімнің шығуы (Y) (экономикалық коэффициент) берілген субстрат санынан алынатын өнім саны анықталады: Y = X/Sо – S, мұнда S жəне So – соңғы жəне бастапқы субстраттың концентрациясы.

Берілген коэффициент арнайы өнімді алу үшін субстратты пайдалануының нəтижелігін көрсетеді жəне өте маңызды сипаттама болады, өйткені, тікелей өнімділікпен байланысты жəне соңғы өнімнің өзіндік құнына тікелей əсерін

тигізеді.

Субстраттың

ішіндегі

энергияның

өнімге

өту

дəрежесіме

сипатталатын

экономикалық

коэффициенттің

нақты

физикалық

мағнасы

болады. Берілген шама параметр түрінде есеп беруге жəне жалпы процесті

болжамдауға қажет жəне де түрлі процестерді басқару

жолы

мен

бақылауы

үшін жəне олардың нəтижелігін салыстыру үшін қолданылады.

Өнімнің соңғы концентрациясыпроцесс ұзақтылығының жəне өнімнің

шығу шамасының есебімен жоспарлануы керек. Өнімнің соңғы жоғары

концентрациясына жетуі дəлелденді, оның

шығуы, концентрирленуі

көп

еңбекті жəне қымбат тұрады.

Салыстырмалы энергия шығыны бағытына жəне ферментация процесінің

схемасына байланысты жəне де предфермерментациялық кезеңде шикі затты

даярлау жағдайы жəне

постферментациялық

процедурасы

түрлендіріліп

тұрады. Салыстырмалы энергия шығыны жəне де ферментациялық құрал-

жабдықтардың типіне өте елеулі байланысты.

Субстраттың өнімсіз шығыны(h) – бұл өнімнің өсуінде байқалмайтын

субстраттың

энергия

шығыны. Жалпы

түрде

ол

экономикалық

коэффициентімен көрсетіледі: h = Yэкспериментті/Yтеориялық < 1.

Биотехнологиялық

процестерді

бақылау

жəне

басқару; модельдеу

жəне оптимизациялау. Биотехнологиялық

процестерді нəтижелі

жүргізуі

бақылау

мен

басқару

тəсілдерінің мүлде

жетілдіруімен

тығыз

байланысты.

Басқарушы культивирленуді іске асыру үшін биотехнологиялық процестің моделінде негізделген басқарудың алгоритмын құрастыру .қажетҚазіргі заманғы биотехнологиялық процестерде көптеген тез өзгерілетін факторларды (субстраттың концентрациясын, биомассасын жəне культурадағы өнімді, рН, температураны, оттегінің парциалды қысымын жəне басқаларын) тіркеу жəне талдау қажет (кесте). Бұл электронды техниканы қолдануын қажет екеніне шақырады.

Негізгі əдебиеттер: 4[8-89], 5[204-246,306-369], 9[149-219]

Қосымша əдебиеттер : 2[157-159] Бақылау сұрақтары:

1.Биотехнологиялық процесс қандай элементтерден қосылған?

2.Биологиялық объектке қандай талаптар қойылады(микроорганизмдер мысалында)?

3.Процестер нəтижелігін бағалаудағы критерийлерді атап шығу.

4.Неге биотехнологиялық процестердінəтижелі жүргізуі бақылау мен басқару тəсілдерінің мүлде жетілдіруімен тығыз байланысты?

26

4-дəрістің тақырыбы: Биотехнологиялық процестерді аппараттық

безендіру.

Ферментация (аэробты жəне анаэробты) процесінің аппаратурасы.

Биоинженерия биотехнологиялық процестерді техникалық қамтамасыз ету мəселесімен айналасады. Əртүрлі процестер үшін алуан түрлі аппаратуралар бар: ферментация процесі үшін, жəне де дайын өнімді шығару мен алу үшін. Ферментациялық кезең үшін аппаратура өте күрделі жəне арнайы болып келеді.

Техникалы өте күрделі болыпаэробты түпкі стерильді жəне үздіксіз ферментация процесі саналады.

Үстінгі жəне анаэробты ферментация үшін аппараттар күрделі емес жəне энергиялық сиымды келеді.

Заманауи əдебиеттерде конструкциялары, жүмыс істеу принциптері жəне көлемі бойынша жүздеген биореакторлар(бірнеше литрден бірнеше мың кубометрге дейін) қарастырылған. Көптеген культивирлеу əдістері, аса көп қолданылатын биоагенттер алуан түрлі конструктивті шешімдерге əкелді, олар бірнеше факторларға байланысты: продуценттің типіне жəне ортаға, өндірістің технологиясына жəне масштабына, жəне де мақсатпен алынатын өнімге жəне

басқаларына.
Ферментер	негізгі	материал–	тот	баспайтын	болаттан	жасалған.
Лабораториялық	аппарат шыныдан жасалған. Негізінде				энергия	жүргізу
əдісімен жəне	қоректік	ортаны	аэрациялаумен		ферментердің	құрылысы

анықталады. Осы принципі бойынша ферментерді үш топқа бөлуге болады: 1) – азды фазаға, 2) – сұйық фазаға, 3) – комбинирленген.

Газды фазаға энергия жүргізілген ферментерлер. Аппаратта культуральді сұйықтықты сығылған ауамен аэрациялаумен жəне араластырудың бұл тұрі ферментерге белгілі бір қысымның берілуімен іске асырылады. Компрессордың жұмыс істеуіне энергия жұмсалады. Компрессордың жұмыс істуіне энергия жұмсалады. Ферментердің құрылысы ауаны беру əдісімен жəне барбатердің, аэратордың құрылысымен ажыратылады.

Барботажды ферментердің құрылысы жағынан қарапайым. Формасы цилиндрлі ттемір ыдыс болып келеді. Аппараттың түбінде ай тəрізді барбатер орнатылған, одан сығылған ауа беріліп отырадды.

Сұйық фазаға энергия жүргізілген ферментерлер. Аппараттың бұл түрі өсімдік шикізаты гидролизатынан алынатын азықтық ашытқы өндірісіндегі

азырақ	қондырғы	ретінде бұрыннан қолданылады. Ірі тонналы өндірісте
өздігінен	сорғыш	құбырдың құрылысын жаңартуда, мұнай парафинінен

азықтық ашытқыны алу үшін аппараттарды құруға болады. Өздігінен сорғыш түтікті аппарат. Ферментерлердің бұл түрі құрылысы жағынан қарапайым жəне қолдануға қолайллы. Аппарат корпусына цилиндрлі диффузор орнатылған, ол оның астынғы жағында жабық түтік түрінде тарамдалған кішірек саңылауы бар табанша араластырғыш орнатылған.

Комбинирленген энергия жүргізілген ферментерлер. Бұл аппаратта энергия комбинирленіп жүргізу іске асырылған: газды фаза - аэрациялау үшін жəне сұйық фаза араластыру үшін. Ферментердің мұндай түрі микроорганизм–

27

продуцент көлемі ірі колония түзетін жəне одан басқа қоректік ортада жоғарғы

тұтқырлықта өсетін антибиотик өндірісінде кеңінен қолданылады.
Кейбір	ферментациялық	аппараттардың	типтерін	қарастырайы.
Анаэробты процестер үшін аппараттар қарапайым келеді жəне өсімдіктер шикі

затының, соның ішінде өсімдіктер қалдықтары, жəне де түрлі өнеркəсіп

қалдықтары конверсия процесінде қолданылады. Метанды ашытуда биогазды

алу үшін, жəне де басқа процестерде(ацетонды,

шампанды, шараптарды

алғанда)

ферментациялық

аппараттар (метанотенктер) қолданылады.

Бұндай

аппараттардың түрлі конструкциясы (қарапайым қазылған шұңқырдан күрделі

металды конструкциясы немесе темірбетонды құрылысына дейін) жəне көлемі

(бірнеше ден жүз кубометрге дейін) болады. Метанды қондырғылар шикізатты

беру жүйесімен, температураны стабилизациялау үшін жылу алмасу құбырлар

жүйесімен, продуценттің биомассасы мен шикізатты гомогенді орналастыру

үшін

күрделі

емес

араластыратын жабдықтармен, түзілген биогазды жинау

үшін

газды

колпакпен

жəне

салыстырмалы

көлемді(газгольдермен)

жабдығымен

жабдықталған.

Аэробты

ферментация

үшін

аппараттардың

конструкциясы ферментация мен шикізаттың типімен анықталады.

Органикалық

қышқылдар

мен

ферменттерді

өндіру

үшін

кеңіне

қолданылатын,

аэробты

үстінгі

ферментация

үшін

аппараттар, жəне

сұйықфазды мен қаттыфаздыға сəйкес, конструкциясы бойынша едəуір күрделі

емес болады. Үстінгі сұйықфазды ферментация, жалпақ металды кюветтер

стеллажда

орналасқан, ашытылған

вентиляцияланатын

камераларда

өтеді.

Кюветтерге

сұйық

қоректік

ортаны

құяды, қабаттың

биіктігі 80–150

мм

құрайды,

содан

кейін

ортаны

қосылатын

ауа

ағынымен

продуценттер

спораларымен

инокуляциялайды. Камерада

ылғал, температура

жəне

ауаны

қосу жылдамдығы тұрақты болады. Процесс біткен соң культуралды сұйықты

штуцердің төменгі жағында орналасқан кюветтерден құйып алады да өңдеуге

жібереді.

Қаттыфазды ферментация процесі вентиляцияланатын камераларда өтеді,

бірақ кюветтердің орнына стеллажда, 10–15 мм қабатты қатты ортаны қосып,

лотоктарды орналастырады. Ортаның жақсы аэрациялануы үшін камерада ауа

перфорирленген лотоктардың түбінде өтеді.

Аэробты

терең

ферментация

үшін

қолданылатын

аппар

конструкциялы

жəне қолдануы бойынша өте

күрделі .

келедіОрта

мен

жасушаның масса жəне энергиямен алмасуын жоғары қарқынды қамтамасыз

етуі – басты талап болып саналады. Массамен алмасуы оттегі мен микробты

жасушаға ортадан басқа биогенді элементтерді тасымалдауымен жəне олардан

алмасу

өнімдерін

шығаруымен

анықталады. Ферментерда

массамен

алмасуының сипаттамасы болып оттегінің массаны тасымалдау коэффициенті

саналады, өйткені оттегі аэробты ферментациялық процестердің лимиттеуші

факторы болып табылады. 1 кг биомассаның түзілуіне, көміртекті шикізаттың

типіне жəне оның қайта пайда болу деңгейіне байланысты, оттегінің шығыны

0.75

тен

5.00

кг

құрайды. Жасушалар

оттегіні тек ерітілген түрінде ғана

утилизациялай

алады, сондықтан

бір

нақты продуцент

үшін

культурадағы

28

оттегінің концентрациясын əрқашанда оптималды деңгейде ұстап тұру қажет. Мұнда жасушаларға оттегінің түсіп тұратын жылдамдығы оның жасушаға ену

жылдамдығынан жоғары болуы керек, жəне жасушалар қасындағы										кеңістікте
«концентрациялық			шұңқырлар»		болмауы		керек. Бұдан басқа,			ерітілген
субстраттың жəне жасушалардың концентрациясы ферментердің барлық көлемі
бойынша		біркелкі		болуы		. керекСондықтан, аппаратта				қажетті
гидродинамикалық жағдайды қамтамасыз етіп тұратын, араластыру процесі
негізгі фактордың бірі болып саналады. Қарқынды түрде араластырса ауа көбігі
аппаратта		ыдырайды		жəне		диспергияланып«орта-жасуша»				фазалар
контактісінің		көлемін		үлкейтеді. Бірақ			көп	араластырса		биологиялық
объектілердің механикалық бұзылуы мүмкін.
	Өнімдер. Биотехнологиялық процестерде алынатын өнімдер ассортименті
аса кең. Əртүрлілігіне жəне өндіріс көлеміне байланысты бірінші											орында
тұратын микроорганизмдердің тіршілігінде негізделген процестерде алынатын
өнімдер. Осы өнімдер үш негізгі топтарға бөлінеді:
	1–топта	–	биомасса,	олар		белгілі		мақсатқа	арналған		өнімдер
(біржасушалықтардың ақуызы) немесе биологиялық агент ретінде қолданылады
(биометаногенез, металдарды бактериялар арқылы сілтісіздендіру);
	2–топта – алғашқы метаболиттер – бұлар төменмолекулалық қосындылар,
олар	микроорганизмдердің				өсуіне		макромолекулаларға, коферменттерге
құрылыстық		блоктар		ретінде		қажет(аминқышқылдары,			витаминдер,
органикалық қышқылдар);
	3–топта	–	екіншілік			метаболиттер (идиолиттер)			–	бұлар

микроорганизмдердің өсуіне қажет емес жəне олардың өсуіне байланысты емес қосындылар (антибиотиктер, алкалоидтар, өсу гормоны жəне токсиндер).

Микробиологиялық синтез өнімдерінің ішіндегілер– əртүрлі көп санды биологиялық белсенді заттар, соның ішінде ақуызды жəне дəрілік заттар, ферменттер, жəне де энергияны алып жүрушілер(биогаз, спирт) жəне минералды ресурстар (металдар), ауылшаруашылық дақылдарға зиянын келтіретін зиянды жəндіктермен күресуге арналған дəрілер(биоинсектицидтер) жəне биотынайтқыштар.

Биотехнологияның жаңа əдістерінің (инженерлік энзимология, жасушалық жəне гендік инженерия) дамуына байланысты мақсат қойып алынып отырған өнімдердің спектрі үздіксіз қосылып тұрады. Солардың ішіне ең көп орын алатындарға диагностика жəне емдеу заттары(гибридомдар, моноклоналды антидене, вакциналар жəне сарысулар, гормондар, модифицирленген антибиотиктер) жатады.

Негізгі əдебиеттер: 4 [8-89], 5 [204-246, 306-369], 9 [149-219].

Қосымша əдебиеттер: 2 [157-159]. Бақылау сұрақтары:

1. Ферментация процесінің аппаратурасына нелер жатады?

2. Органикалық қышқылдар мен ферменттерді өндіру үшін қандай аспаптар қолданылады?

29

3. Аэробты терең ферментациялау үшін аппараттарды энергияға байланысты қандай топқа бөлген?

4.Ферментерді қандай принципке сүйене отырып үш топқа бөледі?

5.Микроорганизмдердің тіршілігінде негізделген процестерде алынатын өнімдер қандай топқа бөлінеді?

5-дəрістің тақырыбы: Биоинженерияның əдістері.
Биоинженерия	биотехнологияның	жаңа	.саласыОл	зертханалық

технология арқылы генетикалық жүйелер мен тұқымы өзгерген ағзаларды алу

жолын зерттейді. Биотехнология ғылымының	жетістіктерінің	нəтижесінде
пайда болған биоинженерия ағзаның бағалы	қасиетін сақтап	қана қоймай,

химиялық, физикалық, биологиялық қасиеттер бере алатыны дəлелденді.

Дəстүрлі түрде белсенді биологиялық агенттерді алу үшін селекция мен мутагенез қолданған. Селекция – бұл бағыт бойынша мутантты – ағзаларды

сұрыптау, олардың	тұқым	қуалауыДНҚ	нуклеотидтік	жүйелілігінде
құрылымдық модификация нəтижесінде секірмелі өзгерістерге ұшырайды.
Селекцияның генералдық жолы– бұл геномға			керекті продуценттерді соқыр

сұрыптау жолдан саналы жолмен құрастыру. Сұрыптаудың дəстүрлі əдістері микроағзаларды қолдануында түрлі технологиялардың дамуында өз кезеңінде маңызды рөльді атқарған. Микроағзалардың сыра, шарап, нан, сірке қышқылы жəне т.б. штамдары сұрыптап алынған. Селекция əдісінің шектелуі, геномда өзгерістерге əкелетін, спонтанды мутацияның төменгі жиілігімен байланысты.

Мутацияның пайда болуында ген орташа		шамамен106–108ге	екі	еселенуі
керек.
Идуцирленген	мутагенез селекция	процесін	маңызды		түрде
жылдамдатуына əкеледі (геномды қолдан		бұзғанда биообъектінің		мутация

жиілігі күрт жоғарлайды). Ультракүлгін жəне рентген сəулесі, химиялық қосындылар (азот қышқылы, бромурацил, антибиотиктер жəне басқаларында) мутагенді əсері болады. Популяцияны мутагенмен өңдеген соң алынған клондармен скринингті жүргізеді де өнімділігі жоғарыларын сұрыптайды. Сұрыптап алынған клондарды қайта өңдейді де жаңадан өнімділігі жоғары клондарды сұрыптайды, яғни қызықтырушы белгілері барларын сатылы сұрыптаудан өткізеді. Мұндай жұмыс өте көп шығын мен уақытты талап етеді. Сатылы сұрыптаудың кемшіліктерін генетикалық айырбастыру əдістерін қосып жоюға болады.

Іn vivo жағдайында генетикалық құрастыруға(жасушалық инженерия) мутанттарды алу мен шығару жəне тірі жасушалардан тұқым қуалау ақпаратпен алмасудың түрлі тəсілдерін қолдану кіреді.

Жасушалық инженерияның негізі болып бір тұтас түзілген жыныссыз жасушалардың (сомалық жасушалардың гибридизациясы) қосылуы саналады.

Жасушалардың қосылуы толық немесе жасуша-реципиент донор жасушасының жеке бөліктерін алуы мүмкін(митохондрияларды, цитоплазманы, ядролы геномды, хлоропласттарды жəне басқаларын). Қайта құрастыруға тірі жасушалардың генетикалық ақпаратымен алмасудағы əртүрлі процестеріне

30