ДӘРІС. БИОТЕХНОЛОГИЯДА ҚОЛДАНЫЛАТЫН ФИЗИКАЛЫҚ ЖӘНЕ БИОФИЗИКАЛЫҚ ӘДІСТЕР.

Ферментация процесінің аяқталуынан кейін культуральды сұйықтықта олардың тіршілік әрекеттерінің өнімдері, қоректену ортасының қалдықтары, көбікті өшіргіш, еритін және ерімейтін заттар болады. Биосинтездің негізгі өнімі ретінде микроорганизмдердің өзі немесе культуральды сұйықта еріген немесе микроорганизмдердің торындағы метаболиттер болуы мүмкін.

Тұтас өнімді алу үшін барлық жағдайда микроорганизмдердің мөлшерін культуральды сұйықтықтан алып тастау керек.

Культуральды сұйықтық әдетте өте күрделі қоспа болып табылады және олардың құрамында физика-химиялық қасиеттері бар компоненттері болады. Еріген минералды тұздарға, көмірсуларға, ақуыздарға және басқа да органикалық заттарға қарағанда культуральды сұйықтықтардың құрамында полидисперлі коллоидті бөлшектер көп кездеседі. Олар осыған сәйкес көпқұрамды ерітінді ғана емес, сонымен қатар суспензиялар болып табылады. Осы суспензиялардың дисперлі фазасы микроорганизмдердің торларынан және құрамында ұн, жүгері қоспалары бар қатты бөлшектерден тұрады. Культуралды сұйықтықтың құрамындағы микроорганизмдердің мөлшері өте төмен. Әдетте, 1 литрде 5-10 г құрғақ биомасса болады.

Өндіріс жағдайында күрделі фильтрленетін суспензиялардың көп мөлшерін өңдеу үшін көп энергия жұмсау қажет.

Микроорганизмдердің торлы биомассасын культуральды сұйықтықтан ажырату тәсілдерін былайша бөлуге болады:

- механикалық (қорғау, фильтрлеу, центрифугалау)

- жылытехникалық (сушка).

Микробиологиялық синтездің көптеген тұтас өнімдері тұрақты емес және оларға көптеген факторлар әсер етуі мүмкін. Мысалы, ақуыздар қыздыруға өте рН ортасының өзгеруіне, көптеген физикалық және химиялық әсерлерге сезімтал болып келеді.

Көп жағдайда тұтас өнімді бір ғана тәсіл арқылы анықтау мүмкін емес. Сол себептен бірнеше тәсілдер қолданылады.

МИКРОБИОЛОГИЯЛЫҚ СИНТЕЗДЕГІ ӨНІМДЕРДІ ШОҒЫРЛАНДЫРУ ЖӘНЕ АНЫҚТАУ ТӘСІЛДЕРІ.

Бұл тәсілдерді таңдауда келесі факторларды ескеру қажет:

1. Культуральды сұйықтықтың физикалық-химиялық қасиеттері.

2. Өнімнің қасиеттері (термолабильді, әртүрлі химиялық әсерлерге тұрақтылығы және т.б.).

3. Өнімнің соңғы формасына талаптар (тазалық және шоғырландыру деңгейі).

4. Технологиялық және технико-экономикалық көрсеткіштері показатели (өнімнің шығуы, выход продукта, жабдықтар өнімділігі, одан әрі өңдеудің қажеттілігі және т.б.).

Культуральды сұйықтықтан микробиологиялық синтез өнімдерін бөліп алудың барлық тәсілдерін екі топқа бөлуге болады:

1. Экстракция, ионды алмасу, адсорбция, кристаллизация –егер өнім ерітіндіде болса.

2. Тұндыру, фильтрлеу, центрифугалау, сепарирлеу–егер өнім қатты болса.

Көп жағдайда тұтас өнімді бір ғана тәсіл арқылы анықтау мүмкін емес, сол кезде бірнеше тәсілдер қолданылады, нәтижесінде өнімді еритін формадан ерімейтін формаға ауыстырады (немесе керісінше). Бұл жағдайда осаждение, фильтрлеу, центрифугалау, сепарирлеу және мембрана тәсілдері (электродиализ, ультра және микрофильтрация)арқылы өңдеуге және тазартуға болады.

Тұндыру (седиментация) –ауырлық күші әсері арқылы дисперлік жүйелердің қабыршақтану және дисперлік фазаны тұнба ретінде бөліп алу процесі.

Седиментацияның қарапайым тәсілін–қорғауды келесі жағдайларда қолданады:

1. Диаметрі 3 мкм астам болғанда және броун қозғалысы қорғау тәсіліне әсер етпеген жағдайда.

2. Тұрақты өнімдер болған жағдайда.

3. Басқа тәсілдерге қарағанда, шығынның аз болуы.

4. Бөлшектерді мөлшері бойынша фракцияларға бөлген жағдайда.

5. Егер суспензияны екі фракцияға бөлген жағдайда –тұнба және тұнбаасты сұйыққа.

Биомасса тұндырудың жылдамдығы секундына 10-6 – 10-7 м құрайды. Процесті жылдамдату үшін мыналарды қолданады:

1. Коагулянты – бөлшектерді агрегатты-тұрақсыз жағдайға ауыстыратын заттар.

2. Флокулянты – коллоидты құрылымдарды жоюға және ірі қауыздардың тұзілуіне әкелетін заттар.

Коагулянттар орнына әдетте желатинді, балық желімін, казеинді, ал флокуляттар орнына - метилцеллюлозаны, пектинді, натрийальгинатын және т.б. қолданады.

ЦЕНТРИФУГАЛАУ

Центрифугалау–орталық күштің әсері арқылы біртекті емес жүйелерді бөлу. Ол үшін әртүрлі конструкциялардың центрофугасы қолданылады.

Бөлуге жоғары әсері бар және тарельчатты барабаны бар центрофугалар сепаратор деп аталады. Микробиологиялық өндірісте сепараторлар кеңінен таралған. Сепараторлар тұнбаның 60-90% дейін ылғалдылығын ұстап тұра алады.

Соңғы жылдары сепаратордың сепарирлеу процесін автоматты режимде жүргізетін арнайы герметикалық түрлері шыққан.

Центрифугалауды қолдану салалары:

1. Биомассаны культуральды сұйықтықтан бөліп алу (ашытқылар, бактериялар, саңырауқұлақтар).

2. Микробиологиялық синтездегі кейбір тұтас өнімдерді бөліп алу (антибиотиктер, ферменттер, витаминдер және т.б.),

3. Экстракция кезінде түзілетін эмульсияны бөлу.

Центрифугалаудың кемшіліктері:

1. конструкция күрделілігі, энергия сыйымдылығының жоғарылығы және құны.

2. Пайдалану күрделілігі (тұрақсыздық, вибрация, шу, үнемі тазалаудың қажеттілігі).

3. Орталық күштің торына әсер ету, Воздействие на клетку центробежной силы, қыздыру.

Центрифугалаудың және сперирлеудің басты артықшылықтары – жоғары өнімділік және шоғырлану.

ФИЛЬТРЛЕУ

Фильтрлеу–кеуекті қалқа арқылы суспензияның қатты және сұйық фазасын өткізу арқылы бөлу.

Фильтрлеудің соңғы мақсаты–қатты және сұйық фазаны алу (оның біреуі қалдық зат).

Фильтрлеу - фильтрлі қабырғаның екі жағынан құрылатын жылдамдығы қысымға пропорционал болып келетін гидродинамикалық процесс.

Фильтрлеу процесіне әсер ететін факторларды екі топқа бөлуге болады:

1. Макрофакторлар–қысым айырымы, тұнба қабығының қалыңдығы, сұйық фазаның тұтқырлығы және т.б. Бұл факторлар танымал және құралдар арқылы бақыланып отырады.

2. Микрофакторлар–фильтрлі қабырғаның, тұнба бөлшектерінің мөлшері және формасы, бөлшектердің жоғарғы жағындағы электрлік қабаттың қалыңдығы. Бұл факторлар көп зерттелмеген және оларды тек қосымша әдістер арқылы сипаттайды. Дәл осы микрофакторлар фильтрлеу процесіне әсер етіп, оларды масштабтауды қиындатады.

Культуральды сұйықтықты фильтрлеу кезінде қарсылық көрсете білетін қауыз тәрізді сілікпелер немесе майда дәнді тұнбалар түзіледі. Фильтрлеудің орташа жылдамдығы сағатына 50 л/м2 құрайды.

Фильтрлеу жылдамдығын арттыру үшін әдетте мына екі тәсілді қолданады.

1. Суспензияларды алдын-ала өңдеу.

2. Қосымша фильтрлі материалды қолдану. Культуральды сұйықтықты алдын-ала өңдеу тұтас өнімді сұйық немесе қатты фазаға аударуға, фазаларды бөлуге және одан әрі тазартуға жарамды өнімді алуға мүмкіндік береді. Алдын-ала өңдеудің нәтижесінде бөлшектердің коагуляциясы жүреді.

Алдын-ала өңдеудің келесі тәсілдері кеңінен дамыған:

1. Қышқыл коагуляция (төмен рН-қа тұрақты антибиотиктерді анықтау үшін қолданылады).

2. Электролиттермен өңдеу.

3. Жылы коагуляция (өнімді 70-80°С дейін қыздырған жағдайда ықтимал).

4. Химиялық агенттердің қысымы кезіндегі толықтырғыштардың пайда толуы. Қосымша фильтрлі материал ретінде фильтрлі сұйыққа толықтырғыш болып келетін немесе жерасты қабат ретінде фильтрдің жоғары жағына қойылатын фильтрлі ұнтақ қолданылады.

ЭКСТРАКЦИЯ

Экстракция — қатты және сұйық қоспаларды таңдау (селективті) еріткіштері (экстрагенттер) арқылы бөлу процессі.

Экстракцияның физикалық мәнібайланысқан кезінде бір фаза компоненттерінің (сұйық немес қатты) сұйық экстрагент фазасына ауысу болып табылады.

Экстракцияпроцессі әдетте екі фазалы жүйеде жүреді:

«қатты дене-сұйық» немесе «сұйық-сұйық».

Экстракцияның қолданылу саласы: антибиотиктерді, витаминдерді және аминқышқылдарын анықтап тазарту.

Әдістің артықшылығы:

1. шығынның аз болуы.

2. экстракциялы процесстердің жоғары жылдамдығы.

Әдістің кемшілігі: зиянды, жарылғыш органикалық ерітінділерді қолдану

ИОН АЛМАСУ

Ион алмасу өз алды сорбциондыпроцессболып табылады.

Адсорбция –газ қоспасынан немесе ерітіндіден адсорбент қатты заты арқылы тұтас өнімнің бір немесе бірнеше компоненттерін жою процесі.

Адсорбция процестері (масса тапсырудың басқа да процестері сияқты) таңдаулы болып келеді. Осының негізінде десорбция процесін жүргізуге болады.

Алғаш биологиялық белсенді заттар мен антибиотиктердің сорбционды әдістері молекулярлық сорбенттерді (белсендірілген көмірлер, алюминий тотығы және т.б.)қолдануға негізделген.

Қазіргі таңда таңдаулығымен және жоғары ерекшелігімен сипатталатын ионалмасу сорбенттері (иониттер) жасалған.

Иониттер–құрамында белсенді иондары бар және осы иондарды электролиттердің иондарымен алмастыруға қабілетті, суда немесе еріткіштерде ерімейтін органикалық және органикалық емес заттар.

Көбінесе синтетикалық ионалмасу смолдары (КУ-2, КБ-4, КБ-ЧП-2, КМД, АВ-17, ЭДЭ-10 және т.б.)

Ионогенді топтардың болуына байланысты иониттерді 2 негізгі класқа бөлуге болады:

1.Құрамында – катиониттер (ерімейтін қышқылдар) қышқыл топтары бар ионалмасу сорбенттері.

2. Құрамында аниониттер (ерімейтін негіздер) негізгі топтары бар ионалмасу сорбенттері.

Иониттер антибиотиктерді өңдеу технологиясында кеңінен қолданылады.

КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Кристаллизация – ерітінділер мен балқытпалардан қатты фазаны крисстал түрінде шығару.

Антибиотиктердің және басқа да биологиялық белсенді заттардың кристализациясы ерітінді температурасын өзгерту нәтижесінде немесе оларды аз еритін химиялық формаға ауыстыру негізінде ерітіндіні азайтуға негізделген. Соңғысы рН ерітіндісінің өзгеруімен немесе соған сәйкес реагенттің қосылуымен жүреді.

Кристаллизация антибиотиктерді қатты күйінде алу ғана емес, сонымен қатар қоспаларды тазартудың маңызды құралы болып табылады.

Кристаллизация әдісі антибиотиктерді (тетрациклин, эритромицин және т.б.), витаминдерді, полисахаридтерді өнім алу технологиясында қолданылады.

БУЛАНУ

Булану–сұйықтықты жылыту кезде еріткішті буландыру арқылы сұйық ерітіндіні шоғырландыру процесі. Көп жағдайда булану ерітіндісі кристализацияға ұшырап жатады.

Булану нәтижесінде алынатын қоюланған ерітінділер мен қатты заттар тез өңделіп, сақтауға және көшіруге ыңғайлы болып келеді.

Әдетте антибиотиктерді өндірістерде буландыру вакуум ішінде 60-70°С температурада жүзеге асады, сол себептен бұл әдіспен термолабильді биологиялық белсенді заттарды өңдеуге болмайды.