Дәріс №6

Тақ ырыбы: Иммобилизацияланғ ан жасушалары бар реакторлардың тү рлері

Жоспары:

1. Қ азіргі биореакторлардың тү рлері

2. Мерзімді ә рекет ететін реактор

Дә ріс мақ саты: Иммобилизацияланғ ан жасушалары бар реакторлардың тү рлерін қ арастыру

Иммобилизацияланғ ан жасушаларды алғ аш рет мақ сатты бағ ыттай отырып қ олдану Л.Пастердің осында Асеtоbасtеr жасушалары ағ аш жоң қ асының бетіне қ олданылғ ан, сірке алуғ а арналғ ан агрегатты жасауы болуы мү мкін. Биореактордың бұ л тү рі, тамшылы филтр, ә лі кү нге дейін шарап сіркесін ө ндіру кезінде жә не своды тазарту ү шін қ олданылып келеді.

Қ азіргі биореакторлардың кө пшілігі араластыра отырып мерзімді кутьтивациялауғ а арналғ ан ферментерлер болып келеді. Алайда, жасушаларды иммобилизациялау мә селесі ү здіксіз кутлтивациялаумен тығ ыз байланысты. Онымен қ оса, араластыруы бар ферментерлерде иммобилизацияланғ ан жасушалары бар бө лшектер кө бінесе бұ зылады. Сондық тан иммобилизацияланғ ан жасуша­ларды пайдалану ү шін реакторлардың басқ а типтерін жасау қ ажет.

Ә рбір нақ тылы ү деріс ү шін реакторды таң дап алу сан кө птеген факторлармен анық талады. Мұ нда иммобилизациялау ә дісі, бө лшектердің сипаттамалары (пішіні, ө лшемі, тығ ыздыгы, беріктігі), субстраттың табиғ аты, ингибиторлардың ә сер етуі, одан ө зге, гидродинамикалық жә не экономикалық тү сініктер кіреді.

Жалпы алғ анда бірінші режимнің артық шылық тары бірашама кө бірек болғ анымен, иммобилизацияланғ ан жасушалары бар реакторлар мерзімді жә не ү здіксіз режимдерде жұ мыс істей алады. Ү здіксіз режимде жұ мыс істейтін жү йелер идеалды ығ ыстыру реак­торы ретінде немесе толық араластыру реакторы ретінде пайдаланылуы мү мкін. Оның ингибирлеуші ә серіне орай ферментерде субстраттың жоғ ары концентрациялары ниет етілмеген жағ дайларда толық араластыру реакторлары артығ ырақ, бірақ олар, барлық жасушалар ө німнің ингибирлеуші концентрацияларының ә серіне ұ шырағ ан болып шығ атындық тан, ү дерісті ақ ырғ ы ө нім ингибирлеген жағ дайда онша жарамды бола бермейді.

Иммобилизацияланғ ан жасушалары бар катализдеу жү йелері бос жасушалардың негізіндегі микробиологиялық синтездің дә стү рлі ү дерістерімен салыстырғ анда технологиялық жә не экономикалық артық шылық тарды қ амтамасыз етуге тиіс. Тікелей иммобилизацияланғ анраттың биокатализатордың қ асиеттерінен (ерімеушілік, жоғ ары белсенділік, кофакторларды регенерациялаудың ө з жү йесі жә не т.с.) ө зге, осындай артық шылық тарды іске асыруда маң ызды рө лді иммобилизацияланғ ан жасушалармен ү дерістерді аппаратурамен безендіру, басқ аша айтар болсақ, биокатализдеу ү дерістері жү зеге асырылатын реакторлардың конструкцияларын таң дап алу маң ызды рө л ойнайды.

Осының ө зін шектеп ұ ратын беті бар жә не осында биохимиялық ү дерістер ө рбитін кез келген жү йені реактор (биореактор) деп атайды. Масса ағ ындарын ұ йымдастыру тү рғ ысынан алғ анда реакторлар, оның ішінде ө неркә сіптік реакторлар мерзімді режимде, субстратты қ осымша қ ұ я отырып мерзімді режимде, жартылай ү здіксіз (жартылай мерзімді) жә не ү здіксіз ағ ынды режимдерде жұ мыс істей алады.

Иммобилизацияланғ ан жасушалар бар реактордың жұ мыс кө леміндегі микроорганизмдердің жоғ ары концентрациясы масса берудің жоғ ары жылдамдық тарын жасау қ ажеттігін анық тайды, бұ л оттегінің жеткіліксі қ арқ ынды масса беруі мақ сатты ө німнің тү зілу жылдамдығ ын лимиттеуі мү мкін аэробты ү дерістер ү шін, ә сіресе маң ызды. Бұ л талаптар жұ мыс кө леміндегі ортаны араластыру қ ажеттігіне алып келеді. Осыдан келіп, биокатализатордың оның тү йіршіктерінің жэне бө лшектерінің механикалық ү йкелуіне, ұ нтақ тануына тө зімді болуы керектігі келіп шығ ады. Солай болғ андада, иммобилизациялан-ғ ан биокатализаторлардың механикалық беріктігі жеткіліксіз болады, сондық тан оны тиісті конструкциядағ ы реакторлар жасап шығ ару арқ ылы ө теп отырғ ан жө н. Осыны негізге ала отырып, иммобилизацияланғ ан жасушаларғ а арналғ ан реакторларды қ атты фазаның (биокатализатордың) бө лшектерінің салыстырмалы қ озғ алысы бойынша жіктеген ың ғ айлы. Бұ л белгі бойынша реакторлардың барлық тү рлерін екі типке - қ атты фаза бө лшектерінің қ озғ алысы жоқ жә не қ озғ алысы бар реакторларғ а бө луге болады.

Бұ л жіктеме бойынша реакторлардың типтерінің айтарлық тай шартты екендігін жә не олардың қ ұ рылысы мен міндет атқ аруының тек ең жалпы принциптерін кө рсететіндігін атап корсете кетейік. Іс- тә жірибеде қ андай да болсын реакторлар екі типтің де принциптерін ү йлестіруі, олардың ә р алуан модификацияларын кө рсетуі мү мкін. Реакторлардың нақ ты тү рлерін толығ ырақ қ арастырып шығ айық.

2.Мерзімді ә рекет ететін реактор қ арапайым қ ұ рылғ ан: ол осында биокатализатор жэне субстрат ерітіндісі (қ оректік орта) орналастырылатын, араластырғ ышы бар сыйымдылық болып келеді. Ү деріс аяқ талғ аннан кейін иммобилизацияланғ ан жасушаларды ө німдерден центрифугалаумен немесе филтрациялаумен бө ліп алады жә не биокатализдік цикл басынан басталады. Мұ ндай реакторлардың ө німділігі жеткіліксіз екендігі, биокатализатордың кө п шығ ындалуымен сипатталатындығ ы жә не, микроорганизмдердің бос жасушаларын пайдалануғ а негізделген дә стү рлі микроорганизмдер ө неркэсібі ү шін реактордың мұ ндай типі ең кең таралғ ан болып табылатындығ ын атай кетуіміз керек болса да, тек шектеулі қ олданыс тауып отырғ андығ ы айдан анық.

Араластыруы бар ағ ынды реактор алдындағ ы реактордан ә рбір катализдеу ү дерісінен кейін биокатализатордың бө лінуі жү рмейтіндігімен, субстраттың оқ тын-оқ тын қ ұ йылып отыратындығ ымен, ал ө німдердің мезгіл-мезгіл бө лініп отыратындығ ымен ерекшеленеді. Осындай реактордың тиімділігі мерзімді реактордікіне қ арағ анда жоғ арырақ. Араластыруы бар идеалды ағ ынды реакторда ішіндегі заттар тепе-тең дік жағ дайында болады жэне жү йе хемостатты - микроорганизмдердің бос жасушаларын ү здіксіз ө сіру варианттарының бірін еске тү сіреді.

Ағ ынды реакторлар катализатордың қ озғ алыссыз немесе араластырылатын қ абатына ие болуы мү мкін. Алдымен қ озғ алыссыз қ абаты бар реакторларды қ арастырамыз. Иммобилизацияланғ ан жасушалар (тү йіршіктер, жоң қ а, дискілер, дэндер, талшық тар жә не

т.с. тү ріндегі), қ озғ алыссыз қ абат тү зе отырып, бағ анада оң ай оралуы мү мкін. Субстрат биокатализатордың қ абаты арқ ылы жоғ арыдан немесе тө меннен ө теді. Егер сұ йық тық ағ ынының профилі реактордың кө лденең қ имасын дә л жауып тастаса, онда реактор пор- шеньдік тип бойынша жұ мыс істейді. Субстраттың концентрациясы реакторғ а кіретін жерде, ал ө німдердің концентрациясы - реактордан шығ ар жерде максималды, демек, бұ л реакторлар ө німдердің ингибирленуімен ілесе жү ретін ү дерістер ү шін, ә сіресе ың ғ айлы. Осы тә різдес реакторлар ө неркә сіптік қ олданысын тапты, жекелей алғ анда, своды тазарту, сірке, алма, аспарагин қ ышқ ылдарын, глюкоза-фруктоза шырынын алу ү шін, сондай-ақ иммобилизацияланғ ан ферменттермен ү дерістер ү шін пайдаланылады. Қ озғ алмайтын қ абаты бар ағ ынды реактордан ө зге, осындай реакторлардың сериясын, сондай-ақ рециркуляция жү ретін қ озғ алмайтын қ абаты бар ағ ынды реактор қ олданылады.

Газдар бө ле жү ретін микробиологиялық ү дерістер ү шін (эта­нол алғ ан кезде, мысалы, С0₂ бө лінеді), газдарды тиімді бү ру ү шін ағ ынды ең іс реакторды немесе биокатализатордың бекітілген қ абаты бар горизонтал ағ ынды реакторды пайдаланғ ан мақ сатқ а лайық ты.

Биокатализатордың араластырылатын қ абаты бар ағ ынды реакторлар асылып тұ рғ ан (жалғ ан сү йылтылғ ан немесе қ айнағ ан) қ абаты бар, сондай-ақ қ озғ алатын бекітшген қ абаты бар болуы мү мкін. Осыларда бө лшектер сұ йық тық тың (кө бінесе газ бен сү йық тық тың қ оспасы) жоғ ары кө терілген ағ ысында суспензияланғ ан аталғ ан реакторлар соң ғ ы кездері назардың қ ақ ортасында тү р. Суды жә не своды осында қ атты бө лшектер, мысалы, қ ұ м немесе кеуек қ ұ рылымдар пайдаланылуы мү мкін реактордың кө мегімен биологиялық тазарту ерекше қ ызығ ушылық тудыруда. Асылып тұ рғ ан қ абаты бар реакторлар субстраттың тө меннен бө лшектерді асылып тү рғ ан кү йде ұ стап тұ ратындай айтарлық тай жылдам, бірақ бө лшектер сұ йық тық тың шығ ып жатқ ан ағ ынымен бірге алынып кететіндей сонша жылдам емес келіп тү сетіндігімен сипатталады. Аталғ ан жағ дайда толық араластыру (араластыруы бар ағ ынды реактордагыдай) жә не араластырудың жоқ тығ ы (порешь типіндегі реактордағ ыдай) арасындағ ы аралық режим іске асырылады.

Эрлифтті аппараттар. Қ арқ ынды араластыруғ а жә не аэрацияғ а ферментердің ішіндегі заттардың сыртқ ы жә не ішкі қ ұ быр арқ ылы циркуляциясын қ амтамасыз ету ү шін газды пайдаланғ анда қ ол жеткізіледі, оның ү стіне конструкцияда айналып тұ ратын бө ліктер болмайды. Осындай эрлифтілі (аіг lift - ауаның кө терілуі) ферментерлер конструкциясы бойынша жә не басқ аруда қ арапайым, қ уатты аз шығ ындайды, сондық тан ірі ауқ ымды ү дерістерді жү ргізу ү шін, ә сіресе қ олайлы. Биореактордың бұ л тү рі еркін жасушаларды да, агрегацияланғ ан жасушаларды да пайдаланатын ә ртү рлі ү дерістерде, мысалы, жасуша биомассасын алу ү шін кең інен қ олданылады.

Анаэробты реакторлар. Тазарту ү шін қ олданылатын қ азіргі анаэробты реакторлардың жұ мысы қ озғ алыссыз биомассаны пайдалануғ а негізделген. Бұ л лай қ абаты арқ ылы кө терілетін ағ ыны бар реактор жә не жалғ ан сұ йылтылғ ан қ абаты бар реактор. Тазарту ү шін пайдаланылатын қ азіргі анаэробты реакторлардың жұ мысы қ озғ алмайтын биомассаны пайдалануғ а негізделген. Бұ л лай қ абаты арқ ылы жоғ ары кө терілетін ағ ыны бар реактор жә не жалғ ан сұ йылтылғ ан қ абаты бар реактор. Жоғ ары кө терілетін ағ ыны бар реактордың елеулі ерекшеліктерінің бірі лайды жинақ ы тү йіршіктер тү рінде агрегациялау болып табылады. Олар гидравликалық ү йкелу кү штеріне тө зімді жә не тү нудың жоғ ары жылдамдығ ына (0, 012 м/с) ие. Алайда, бұ л ү шін калций мен фосфат иондарының болуы қ ажет болуы мү мкін екендігі белгілі болғ анымен де, олардың тү зілуі ү шін қ ажетті шарттар, жағ дайлар нашар зерттелген. Жалғ ан сұ йылтылғ ан қ абаты бар анаэробты реакторлар олардың қ атты ұ стағ ыштағ ы, мысалы, қ ұ мдағ ы биоқ абығ ы бар аналогтары секілді жұ мыс істейді.

Бақ ылау сұ рақ тары:

1.Жасушалардың иммобилизациясы не ү шін қ ажет?

2.Жасушаларды иммобилизациялаудың қ андай ә дістері бар?

3.Иммобилизацияланғ ан жасушалары бар қ андай реакторлар

бар?

4.Аэробты реакторлардың ерекшеліктері неден тұ рады?

5.Анаэробты реакторлардың ерекшеліктері неден тұ рады?

Пайдаланылғ ан ә дебиеттер:

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

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

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

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

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