Дәріс №4

Тақ ырыбы: Биотехнологиялық ү дерістердің негізгі элементтері

Жоспары:

1.Субстраттар, орталар жә не аппаратура

2.Ө німдер

Дә ріс мақ саты: Биотехнологиялық ү дерістердің негізгі элементтерін қ арастыру

1.Субстраттар. Биотехнологияда пайдаланылатын субстраттар аса ә р алуан жә не олардың спектрі ү здіксіз кең ейіп отыр. Ө неркә сіп ү дерістерінің дамуымен осылар биотехнология ә дістерімен зарарсыздандырылуы жә не конвертациялануы мү мкін қ алдық тардың жаң а тү рлерінің жинақ талуы жү ріп отыр. Бір жағ ынан, қ ауырт қ арқ ын- дармен дамып келе жатқ ан биотехнологиялық ө неркә сіптік бағ ыттар шикізаттың дә стү рлі тү рлерінің тү гесілу мә селесімен бетпе-бет ұ шырасуда, сондық тан шикізат базасын кең ейту қ ажеттігі туындауда, екінші жағ ынан, жинақ талып жатқ ан қ алдық тар кө лемінің артуы оларды ө ң деуің дә стү рлі емес, оның ішінде биотехнологиялық тә сілдерін жасап шығ аруды қ ажет етуде. Қ азіргі таң да биотехнологтардың табиғ и қ алпына келетін ресурстарғ а - фотосинтез ө німдеріне, дү ниежү зілік мұ хиттың биоресурстарына деген қ ызығ ушылығ ының ө суі байқ алуда.

Орталар Биотехнологиялық ү дерістерге арналғ ан орталардың қ ұ рамына кө міртегі мен қ уат кө здері, сондай-ақ минералды элементтер мен ө су факторлары кіреді.

Экологиялық -биотехнологиялық ү дерістерде кө міртегі мен қ уаттың кө здері ретінде негізінен алғ анда белгісіз қ ұ рамдағ ы, осыларда кө міртегі қ осылыстарынан ө зге сонымен қ атар минералдық элементтер мен осу факторлары флатын кешенді орталар (ә ртү рлі ө ндірістердің қ алдық тары, ө сімдік шикізатын ө ң деу ө німдері, тө гінді сулардың қ ұ рамдас бө ліктері жә не т.с.) қ олданылуда.

Биотехнологиялық субстраттар дә режесіне целлюлоза, полисахаридтер мен ағ аш гидролизаттары айтарлық тай кең інен енгізілген. Ө сімдік шикізатының гидролизаттары 30 жылғ а жуық бір жасушалылардың ақ уызын алу ү шін пайдаланылып келеді.

Биологиялық агенттердің ө суі ү шін қ ажетті жә не қ оректік орталардың қ ұ рамына кіретін минералды элементтер макро жә не микроэлементтерге бө лінеді. Макроэлементтердің арасында бірінші орында азот тұ р, ө йткені биологиялық нысандардағ ы оғ ан деген қ ажеттілік басқ а элементтерге (фосфорғ а, кү кіртке, калийге жә не магнийге) деген қ ажеттіліктен бір шамағ а жоғ арырақ. Азотты микроорганизмдер эдетте қ алпына келген тү рінде пайдаланады (мочевина, аммоний немесе оның тү здары). Азот басқ а макроэлементтермен - фосформен, кү кіртпен бір кешенде жиі енгізіліп отырады. Бұ л ү шін олардың кө здері ретінде тү здарды (аммоний сулфаттарын немесефосфаттарын) пайдаланады. Бірқ атар жекелеген продуценттер ү шін ең жақ сы болып азоттың нитриттері немесе органикалық қ осылыстары табылады. Продуценттің азотпен қ оректенуін қ амтамасыз етуде айтарлық тай маң ызғ а азоттың тү рі ғ ана емес, оның ортадағ ы концентрациясы да ие болып келеді, ө йткені С: N қ атынасының ө згеруі, продуценттің ө су жылдамдығ ына, метаболизмге ә сер ете отырып, бірқ атар мақ сатты ө німдердің (амин қ ышқ ылдарының, полисахаридтердің жә не т.б.) асыра синтезделуін тудырады.

Минералды элементтер кез келген биологиялық агенттің ө суі ү шін қ ажет, бірақ олардың ортадағ ы концентрациясы пайдаланылатын бионысанның биологиясына жә не биотехнологиялық ү дерістің міндеттеріне байланысты ә ртү рлі. Микроэлементтерге деген қ ажеттіліктер шамалы жэне олардың орталардағ ы концентрациясы айтарлық тай тө мен – 10¹⁶-10 ¹⁸М. Сондық тан, олардың негізгі тұ здардағ ы жә не судағ ы қ оспалары продуценттердің қ ажеттіліктерін қ амтамасыз ететіндіктен, микроэлементтерді кө бінесе ортағ а арнайы енгізбейді.

Жекелеген продуценттер метаболизмініц немесе қ оректік қ ажеттіліктерінің ө згешелігіне орай ө су ү шін ортада осу факторларының (жекелеген амин қ ышқ ылдарының, витаминдердің жә не т.с.) бар болуына зә ру. Осындай табиғ аты бар таза дербес заттардан ө зге, іс-тә жірибеде ө су қ оспалары ретінде жү гері немесе ашытқ ы экстрактын, картоп шырынын, арпа ө скіндерінің, астық қ алдық тарының жә не сү т ө неркә сібі қ алдық тарының экстрактын жиі пайдаланып отырады. Аталғ ан ө су факторларының ынталандырушы ә сер етуі кө біне кө п қ олданылатын продуценттің жеке қ асиеттеріне, негізгі ортаның қ ұ рамына, ферменттеу жағ дайларына жә не т.б. байланысты болып келеді. Ө су факторларын қ осу мақ сатты ө німнің, мысалы, ферменттердің шығ ымын ондағ ан есе арттыруғ а қ абілетті.

Аппаратура. Биотехнологиялық ү дерістерді техникалық қ амтамасыз ету мә селе-лерімен биоинженерия айналысады. Биотехнологиялық ү дерістердің ө згешелігі оларғ а жанды жасушалар, субжасушалық қ ұ рылымдардан немесе жасушалардан бө лініп алынғ ан ферменттер мен олардың кешендері қ атысатындығ ынан тұ рады. Бұ л ә ртү рлі фазалар арасындағ ы масса беру - зат алмасу (мысалы, газ фазасынан сұ йық фазағ а оттегін кө шіру) ү дерістеріне жэне ө зара ә рекеттесуші фазалар арасында жылу алмасу - жылу қ уатын қ айта бө лу ү дерістеріне елеулі ә серін тигізеді. Сондық тан биореактордың аса маң ызды қ ұ рамдас бө лігі аппараттағ ы жағ дайлардың біртектілігі, биореактордагы су фазасы мен газ кө піршіктері немесе қ аттысубстраттың бө ліктері арасындағ ы, културалық сұ йық тық пен ө сірілетін жасушалар арасындағ ы, сондай-ақ оның ә ртү рлі қ абаттары арасында сұ йық тық шегінде тиімді салмақ беру ү шін қ ызмет атқ аратын араластыру жү йесі болып табылады.

Ә ртү рлі ү дерістер ү шін аппаратураның: ферменттеу ү дерісінің ө зіне арналғ ан, сонымен қ атар дайын ө німді бө луге жә не алуғ а арналғ ан аппаратураның орасан зор ә р алуандығ ы бар. Ферменттеу сатысына арналғ ан аппаратура ең кү рделі жә не ө згеше. Ферменттеудің техникалық тү рғ ыдан ең кү рделі ү дерісі аэробты, терең де жү ретін, стерилді, ү здіксіз (немесе субстратпен ү степ қ оректендіру) ү дерісі болып табылады. Беткейлік жә не анаэробты ферменттеуге арналғ ан аппараттар азырақ кү рделі жә не қ уатты азырақ тү тынады.

Биотехнологиялық ү дерістердің таза химиялық ү дерістерден тү пкілікті айырмашылығ ы келесіден тұ рады:

- биологиялық агенттердің физикалық -механикалық ә сер етулерге сезімталдығ ы;

- заттарды фазааралық кө шірудің («сұ йық тық -жасушалар», «газ-сұ йық тық -

жасушалар» типі бойынша) бар болуы;

- асептика жағ дайларын талап ету;

- жалпы алғ анда кө птеген ү дерістердің ө рбуінің тө мен жылдамдық тары;

- мақ сатты ө німдердің тұ рақ сыздығ ы;

бағ а қ ұ ру;

-ө су мен биосинтезді реттеу механизмдерінің кү рделілігі.

Ферментациялық аппараттардың кейбір тү рлерін қ арастырып

шығ айық.

Анаэробты ү дерістерге арналғ ан аппараттар ө сімдік шикізатын, оның ішінде ө сімдік қ алдық тарын, сондай-ақ ә ртү рлі ө зге қ алдық тарды конверсиялау ү дерістерінде қ олданылады. Биогаз алу ү шін метанды ашытуда, сонымен қ атар бірқ атар басқ а ү дерістерде ферментациялау аппараттары (метантенктер) қ олданылады. Бү л аппараттар ә ртү рлі конструкцияғ а (қ арапайым кү релген апаннан бастап кү рделі темір-бетон қ ондырғ ыларғ а дейін) жә не кө лемдерге (бірнеше текше метрден жү здеген текше метрге дейінгі) ие болып келеді. Аталғ ан аппараттар шикізатты беру жү йесімен, температураны тұ рақ тандыруғ а арналғ ан жылу алмастырғ ыш қ ұ бырлар жү йесімен, шикізатты жә не продуценттің биомассасын гомогенді бө луге арналғ ан қ арапайым араластырғ ыш қ ондырғ ымен, газ қ алпағ ымен жә не тү зілетін биогазды жинап алуғ а арналғ ан айнымалы кө лем қ ұ рлығ ысымен (газголдермен) жабдық талғ ан.

Аэробты беткейлік ферменттеуге арналғ ан аппаратттар кең інен қ олданылады: сұ йық фазалы аппараттар – органикалық қ ышқ ылдар ө ндіру ү шін, қ атты фазалы аппараттар – ферменттер ө ндіру ү шін пайдалынады. Беткейлік сұ йық фазалы фераменттеу осыларда стеллаждарда жалпақ метал кюветарлар орналастырылғ ан ашытатын вениляцияланатын камералар деп аталатындарда ө рбиді.

Осылардың аса маң ызды мысалы болып аэраторлар - оттегімен қ амтамасыз етуге арналғ ан қ ондырғ ылар қ ызмет атқ аратын газбен жабдық тау жэне газды ә кету жү йелері тиімді, сенімді жә не дә л сол кезде ү немді қ ызмет жасауғ а тиіс. Технологқ а осы газбен қ анығ ып та қ ойғ ан сұ йық тық арқ ылы қ ажеттілік болмағ ан кезде ө ткізілетін оттегінің асыра шығ ындалу қ аупі мен, ә сіресе егер жасушалар тыныс алулары ү шін 0₂-ні белсенді тү рде тұ тынатын болса, ортада 0₂-нің таусылу қ атері арасында тепе-тең дік ұ стауғ а тура келеді.

Оттегі аэробты ферментациялық ү дерістердің негізгі шектеуі факторы болып табылатындық тан, оттегінің масса беру коэффициенті ферментердің масса алмасу сипттамаларының негізгі кө рсеткіші болып табылады. Жасушалар оттегін тек еріген тү рінде іске жаратуғ а қ абілетті, сондық тан оның културадағ ы концентрациясын ү немі оптималды дең гейде ұ стап отыру қ ажет. Бұ л кезде оттегінің жасушаларғ а келіп тү су жылдамдығ ы оның жасушаларғ а енгізілу жылдамдығ ынан артып тү суі керек. Бұ дан ө зге, жасушалардың жә не еріген субстраттың концентрациялары ферментердің бү кіл кө лемі бойынша бірқ алыпты болуғ а тиіс. Сондық тан араластыру сонымен бірге аппаратта қ ажетті гидродинамикалық жағ дайды қ амтамасыз етіп отыратын негізгі факторлардың бірі болып табылады. Қ арқ ынды араластырғ ан кезде ауаның кө піршіктері аппаратта бытырайды жә не дисперсиялана отырып, «ортажасуша» фазаларының тү йісу ауданын арттырады. Алайда ө те қ атты араластыру биологиялық нысандардың механикалық зақ ымдалуын тудыруы мү мкін.

Қ азіргі таң ғ а ә р алуан араластырғ ыш жә не аэрациялағ ыш қ ондырғ ылардың орасан зор саны жасалғ ан жә не қ олданылып отыр, сондық тан да оларды жіктеу (классификациялау) іс жү зінде мү мкін емес. Біздің пікірімізше, аэробты жағ дайда терең дете ферменттеуге арналғ ан ферменттеу аппараттарын қ уатты ә келу бойынша жіктеу бә рінен де сә тті шық қ ан. Осы жіктемеге сә йкес, осындай типтегі аппараттар қ уатты ә келу бойынша ү ш топқ а бө лінеді: 1 - газ фазасына, 2 - сұ йық фазағ а, 3 - қ ұ рама тү рде ә келу.

Ағ ысты ферментерлер (суғ а батырылғ ан немесе қ ұ райтын ағ ысты) қ уатты сораптармен жабдық талады, сораптар културалық сұ йық тық ты аппараттың тө менгі бө лігінен алып кетеді жә не қ ысым астындағ ы қ ұ быр арқ ылы ағ ысты аэрациялайтын қ ұ рылғ ығ а (шахталық сарқ ырама типіндегі немесе арынды-ағ ысты) алып келеді. Сұ йық тық тың ағ ысы қ ысым астында жоғ арыдан қ ұ лайды жә не аэрациялайтын сұ йық тық ты сұ йық тық тың тү біне дейін тесіп ө теді. Тө менде сұ йық тық ты қ айтадан сорап сорып алады жә не қ айтадан аппараттың жоғ арғ ы жағ ына беріледі, яғ ни циркуляцияның тұ йық талғ ан контуры туындайды. Аталғ ан аппараттардың кемшілігі сұ йық тық ты айдағ ан кезде қ уаттың шығ ындалуы, ағ ысты жә не эжекциялық қ ондырғ ылардың конструкцияларын жә не жұ мыс режимдерін есептеудің сенімді ә дістемелерінің болмауымен байланысты жобалаудың кемшіліктері болып табылады.

Аппараттардың ү шінші тобы - қ уатты газ жә не сұ йық фазалармен ә келетін топ (ГСФ тобы). Олардың негізгі конструкциялық элементтері болып барлық белгілі типтердегі араластырғ ыш қ ондырғ ылар, сонымен қ атар жиынтығ ында сораптардың жә не араластырғ ыш қ ондырғ ылардың бар болуы табылады. Бұ л ө здігінен соратын араластырғ ыштардың тобы жә не културалық сұ йық тық ты айдауғ а арналғ ан сорабы бар аппараттар жә не араластыратын жә не аэрациялайтын қ ондырғ ылардың басқ а да ү йлесімдері болуы мү мкін. Мұ ндай ферментерлердегі масса кө шіру коэффициенті тү птеп келгенде белгілі мә ндердің кез келгеніне ие болуы мү мкін. Аппараттардың тізіп кө рсетілген типтері негізінен антибиотиктер мен бір жасушалылардың ақ уызы «дә уірі» бойында пайда болғ ан жә не негізінен алғ анда техникалық микробиологияда қ олданылады.

Жасушалы жә не рекомбинациялы културалар алу саласындағ ы алғ а ілгерілеу биореакторларғ а арнайы талаптар қ ояды. Бұ л кезде алдың ғ ы қ атарғ а биологиялық агенттердің тұ рақ тылығ ы, асептикағ а аса жоғ ары талаптар, араластыру кезінде орта жағ дайларын шектеу жә не т.б. секілді кө рсеткіштер шығ ады. Алайда осындай конструкция- лардың кө пшілігі ә зірге тек эксперименттік сипат алып отыр.

2.Ө німдер. Биотехнологиялық ү дерістерде алынатын ө німдердің ассорти­менті ө те кең. Ә р алуандығ ы жә не ө ндіріс кө лемдері бойынша бірінші орында микроорганизмдердің тіршілік ә рекетіне негізделген ү деріс- терде алынатын ө німдер тү р. Бұ л ө німдер ү ш негізгі топқ а бө лінеді:

1. топ - мақ сатты ө нім болып табылатын (бір жасушалылардың ақ уызы) немесе биологиялық агент ретінде пайдаланылатын (биометаногенез, металдарды бактериялық сілтіден айыру) биомасса,

2. топ - бастапқ ы метаболиттер - бұ л макромолекулалардың, коферменттердің қ ұ рылыс блоктары ретінде микроорганизмдердің ө суі ү шін қ ажетті тө мен молекулалы қ осылыстар (амин қ ышқ ылдары, витаминдер, органикалық қ ышқ ылдар),

3.топ - екінші реттік метаболиттер (идиалиттер) - бұ л микроорганизмдердің ө суі ү шін қ ажет емес жә не олардың ө суімен байланысты емес қ осылыстар (антибиотиктер, алкалоидтар, ө су гормондары жә не токсиндер).

Микробиологиялық синтез ө німдерінің арасында ә ртү рлі биологиялық белсенді қ осылыстардың, оның ішінде ақ уызды жә не дә рілік заттардың, ферменттердің орасан зор мө лшері, сондай-ақ қ уат тасымалдағ ыштар (биогаз, спирттер) жә не минералды ресурстар (металдар), ауылшаруашылық дақ ылдарының зиянкестерімен кү ресу қ ұ ралдары (биоинсектицидтер) жә не биотың айтқ ыштар бар.

Биотехнологияның аса жаң а ә дістерінің (инженерлік энзимологияның, жасуша жә не ген инженериясының) дамуымен байланысты мақ сатты ө німдердің спектрі ү здіксіз толық тырылып отыруда. Олардың арасынан кү н ө ткен сайын ү лкен орынды диагностика жә не емдеу қ ұ ралдары (гибрид омдар, моноклоналды антиденелер, вакциналар мен сарысулар, гормондар, модификацияланган антибиотиктер) алып отыр.

Бақ ылау сұ рақ тары:

1.Биотехнологиялық ү дерістерге арналғ ан орталардың қ ұ рамына не кіреді?

2.Биотехнологиялық ү дерістердің химиялық ү дерістерден тү пкілікті ерекшелігі неден тұ рады?

3.Ферментациялық аппараттардың типтері қ андай?

4.Биотехнологиялық ү дерістерде алынатын ө німдердің ассор­тименті қ андай?

5.Ағ ысты ферментерлер

6. Анаэробты ү дерістерге арналғ ан аппараттар

7.Биотехнологиялық ү дерістерде алынатын ө німдердің ассорти­менттері

Пайдаланылғ ан ә дебиеттер:

1.Джусупова Д.Б. Экологиялық биотехнология. – Алматы 2013

2.Аубакиров Х.Ә. Биотехнология. – Алматы, 2011

6.Жұ банова А.А. Биотехнолгия негіздері. – Алматы: «Қ азақ Университеті», 2006

3.Тұ рашева С.Қ. Клеткалық биотехнология нгіздері. Оқ у қ ұ ралы., Алматы., «Қ азақ Университеті», 2009

4.Уалиханова Г.Ж.Ө сімдік биотехнологиясы. Оқ улық., ЖОО қ ауымдастығ ы., Алматы., 2009