Дәріс № 8. Биотехнологиядағы үрдістер

Биотехнология ғылым ретінде техникада және өнеркәсіп өндірісінде биологиялық үрдістерді пайдалану үшін қолданылады. Бұл үдерістер- мамандардың тізбекті әрекеттерінің құрамы ретінде биообъектілерді эксплуатациялаумен тиісті нәтижелердің жетістіктеріне бағытталған. Биотехнологиялық үдерістерді шартты түрде биологиялық, биохимиялық және биоаналикалық деп бөлуге болады. Біріншіге аккариот, прокариот және эукариотты пайдалануға негізделетіндерді жатқызады, екіншісі-ферменттерді пайдалануға, үшінші (биоаналикалық) – химиялық синтезде немесе заттардың жартылай синтезінде, қызметі ұқсас немесе тірі ағзалардың эквивалентті бірінші немесе екінші метаболиттері (пенциллин және цефалоспорин, тетрациклин, нуклеинді негіздерді және т.б. өнімдерін алу).

Арнайы биотехнологиялық үрдістер жоғарғы деңгейде биообъектілердің ерекшелігімен байланысты.

Барлық арнайы биотехнологиялық үрдістер микробиологиялық, фито- және зообиотехнологиялық. Басқа сөзбен айтқанда, біз микробты биотехнологияны, фитобиотехнологияны және зообиотехнологияны қарастырамыз.

Үрдістер мен биообъектілердің өзара байланысы. Биообъектілер мынандай көрсеткіштермен сипатталады, құрылымды бірлік деңгейі ретінде, көбеюге қабілетті (немесе репродукцияға), белгілі шарттармен дақылдауда тиісті метаболизмнің болуы немесе болмауы. Биообъектілердің сипаттайтын болсақ, онда оның құрылым бірлігін түсіну қажет. Сол себепті биообъектілер молекула (ферменттер, иммуномодуляторлар, нуклеозидтер, олиго – және полипептидтер, және т.б.) ретінде көрсетілуі мүмкін, бөліктерден (вирустар, фагтар, вироидтар), бір жасушалы (бактерия, ашытқы) және көп жасушалы особьтардан (жоғарғы саңырауқұлақтар, өсімдікті каллустар, сүтқоректілердің жасушаларының бірқабатты дақылдары), тұтас өсімдіктер мен жануарлар организмдерінен құрылған.

Біржасушалы түрлері прокариот және эукариот биотехнологиялық үрдістерде монокультур немесе ассоциация түрінде пайдалануы мүмкін. Салыстыру үшін қандайда бір антибиотиктің (пенициллин, рифамицин және басқалары) өндірісін айтуға болады тиісті продуценттің таза дақылдау көмегімен, сонымен бірге айран өндірісінде айранды «зерен» көмегімен, құрамында лактобактерия және ашытқылар кіретін. Сәйкесінше, соңғы жағдайда табиғи микооргазимдердің ассоциациясын қолданады, және айран аралас ашу өнімі болып табылады – сүтқышқылды және спиртті. Пирожүзім қышқыл негізгі өнім ретінде, лактоза гидролизінен кейін моносахаридтен (моноз) туындайтын, лактобактериямен сүтқышқылына дейін тасымалданады, ал ашықтылар «жеткізеді» приуваттан этанолға дейін.

Осындай байланыстар болуы микробтар арасында ғана емес- микробиоценоздар, сонымен бірге басқа ағзаларда – микробтар мен өсімдіктер, микробтар мен жануарлар, өсімдіктер арасында, және т.б; бұл жағдайда биоценозды айтады. Егер ағзалар тірі қалса, бірақ берілген нақты шарттарда көбеймейді, онда олардың анабиоза жағдайында тұрғаны анықталады. Егер де ағзалар тіршілік ортасында өсіп, дамыса және көбейсе, онда олардың метаболизм жағдайында тұрғанын біледі. Байланыста немесе одан тыс жағдайда ағзаларың өлуі абиоз түсінігімен сипатталады.

Биотехнологияда метабиоз, абиоз және анабиоз түсініктерін жиі кездестіруге болады. Анабиоз, метабиоз, абиоз және жыртқыштық ағзаларың тіршілік деңгейін түсіну қатарына жатады. Метабиоз кезінде әрқашан серіктес ағзалардың болуы жорамалданады, өзарабайланысқа түсетін немесе түскен. Өзарабайланыс шындығында олар екеу – симбиоз және антибиоз.

Симбиотикалық өзарабайланыс түріне комменсализм тән,мысалы, саңырауқұлаққа пенцилл, пенициллин түзетін, және ішек таяқшасында, пенициллиназа ферментін өндіретін, антибиотикті пенициллді қышқылға дейін гидролиздейді – ол активті емес болады.

Ашық табиғи симбиотикалық өзара байланыс түрі мутуализм қыналар болып табылады, серіктестікке цианобактериялар (немесе жасыл балдырлар) мен саңырауқұлақтар түседі; адам ішегінің кәдімгі микрофлорасының жеке өкілі; Сирек жағдайда – нейтрализмде серіктестер – өзара байланыстар –өзерін осы сияқты ұстайы, егер олары жеке дақылдаса – өсу жылдамдығы екі жағдайдада бірдей. Мысалы, сүтқышқылды бактериялар мен сүтқышқылды стрептококкалар қышқыл сүтті өнімдерді (йогурт) ашытуда оқшауланған жағдайдағы культурамен салыстырғанда өсу жылдамдығы ауытқуды көрсетпейді. Паразитизмдік жағдайда ассоциаттардың (өзара байланыстылар) біреуі үнемі басқасына зиян келтіреді. Микробтардың ішінде прокаритттық түрлердің фагтармен жұқтырылуы жақсы белгілі; өсімдіктер, жылуқанды жануарлар мен адамдар – вируспен, патогенді бактериялармен және саңырауқұлақтармен.

Антибиоз көптеген микро- және макроорганизмдер түрлеріне тән. Ассоциацияда (өзара байланыс) серіктестік басылымдығына маңызды рольді негізгі антибиоз бен тағам қайнарына бәсекелестік алу мүмкін. Негізгі антибиоз көбінесе біріншілік (ферменттер) есебінде немесе екіншілік метаболиттермен қамтамасыз етіледі, мысалы, токсиндер, антибиотиктер. Ол біржақты және екіжақты болу мүмкін. Бәсекелесті антибиоз жағдайында түрлер арасында антагонизм байқалады қоректік заттарға қажеттіліктен; мұнда артықшылықты қабілеттілеу түрі алады; қабілетсіздер қысылады немесе өледі. Аутоантибиозда ингибирлену немесе ағзаның өлімін өзінің метаболиттерінің әрекеттерінен деп түсіну қажет. Мысалы, сүтқышқылды коккалар мен бактериялар, қоректік ортада сүт қышқылын жинақтап, өсы метаболиттің әрекетінің нәтижесінде жойылады. Басқа мысал ашықтылармен – сахаромицетпен, этил спиртінің өндірісінде қолданылады. Ашу үрдісі кезінде тек олардың жеке бастамасы этанолды 15%ға дейін жинақтай алады. Жоғарғы концентрация Сахаромукес церефизияға терең әсер етеді.

Үрдісті жүргізу шартымен стерильденбеген (ашытқы өндірісінде) және стерильді өндіріс (антибиотиктер, витаминдер, моноклонды антидене және т.б.) деп бөледі; аэробты, немесе ауа беру) және анаэробты (ауасыз беру) – сәйкесінше лимон қышқылы мен полисахарид декстрана өндірісі.

Үрдістерді жүзеге асыруда оларды үш режимнің бірінде жүргізуге тырысады: пероиодты, үзілмейтінде, үзіліссіз. Бірінші жағдайда биотехнологиялық үрдіс басынан аяғына дейін регламент бойынша жүргізіледі, және барлық операциялар аяқталғаннан кейін оны қайталайды. Екінші жағдайда Құйып алу – құю үрдісі орындалады, мысалы, қандайда бір антибиотиктің «үдемелі» биосинтезінен 25-75% дақылдық сұйықтықты бөліп алады және бірдей сондай мөлшерде жаңа қоректік ортаны қосады. Үзіліссіз үрдістер дақылдық сұйықтықты үзіліссіз жинақтауға негізделген және бірдей мөлшерде жаңа қоректік орта үзіліссіз түседі. Үзіліссіз режим ашытқы өндірісінде древесинаны гидролиздеуде, сыра, бутанол және ацетон және т.б. өндірісінде қолданылады.

Биотехнология өндірісінде құрамалардың фазалы қалыпта қолданылуы қатты фазалы үрдісте ажыратылады, мысалы, дөрекі жемдердің флуидизация немесе протеинизация дақылды өсімдіктердің қамыстары негізінде кейбір саңырауқұлақтардың қатысуымен, тығыз ортада дәрілік өсімдіктерден терілік культураларды алу, сосын оған әсер етуші заттарды қосады, сыра өндірісі нәруызды сүттен және басқалары.; газофазды үрдістер газды (мысалы, метан) қолданып, метилтрофты бактериялардың өзарабайланысы арқылы микробты нәруызды алуға қолданылады.

Соңында, үрдісті жүрзігу шартымен бірсатылы, екісатылы және көпсатылыларды ерекшелеп алады.

Екісатылы үрдістер әртүрлі фазалы жағдайда болатын жасушаларды қолдануға негізделген (трофофазада және идофазада). Сонымен, мысалы, екіқатарлы үрдіс полисахаридті курдаланы алудан болуы мүмкін – бірінші сатысында қоректік ортада продуцент тегістеледі, оны трофофазада қолдап; екінші сатысында культураны басқа биореакторға ауыстырады, қоректік орта жоққа, бірақ глюкоза болатын, одан курдлан синтезделеді.

Көпсатылы үрдістер генетикалық инженерияға және рДНҚ биотехнологиясына тән. Биохимиялық технология үрдістері өндірістің технологиялық сызбасының жүзеге асыру деңгейімен жіктеледі: құралдарды және қоректік ортаны ддайындау, оларды стерилдеу, биообъектіні және ферментацияны отырғызу, бөліп алу, тазалау, кептіру, қаптау. Негізгі өнімге байланысты үрдістің деңгейінің саны не көп, не аз болуы мүмкін. Салыстырма ретінде жемісті ашытқылар мен стрептомицин антибиотигін айтуға болады. Бірінші жағдайда негізгі өнім ашытқы жасушалары болып табылады, екіншісінде- екіншілік метаболит, сырқат адам мен жануарға парентералді енгізу үшін арналған. Антибиотикті алу деңгейі, ашытқы жасушаларын алу деңгейінен қарағанда көп.

Ферментацияларды аяқтағаннан кейін не бізге керекті заттардан тұратын жасушаны (жасуша массасын), не соңғы өнім жиналған сұйықтықты бөліп алады. Бірінші жағдайда артықшылық дақылдық «бульонның» сұйық бөлігі бөлып табылады, ал екіншісінде-тығыз бөлік (жасуша). Дақылдық сұйықтық биообъектіден тұрады, қоректік ортаның қолданыла бітпен компоненттері, метаболизм өнімдері, күткен соңғы өнімді қосып алып. Негізгі өнімнің сапасына байланысты жасушаны сепарирлеу әдісінің таңдалуына байланысты.

Кейбір антибиотиктер өндірісінде ротационды вакуум-барабанды фильтрлер үзіліссіз әрекетте қолданады. Егер биообъектілер бактерия немесе ашытқы болса, онда суспензияны консентрлеу мақсатында және жасушалық биомассаны бөліп алуда центрифугирлеуді қолдануға болады. Центрифугаларды үзіліссіз немесе отырғызылған әрекетте қолданады. Бірінші жағдайда жасушалар шүмекпен енгізіледі, екіншісінде-бұрама (шнек) көмегімен.

Жасушаның массасын коагулянттарды (мысалы, поликатионды заттар) қолданып, отырғызу (седминтация) әдісімен бөліп алуға болады. Сыра қайнатуда қолданылатын ашытқылардың кейбір штаммдары, берілген фоликурлеу қабілеті бар, сол себепті олар осындай әдіспен оңай бөліне алады.

Жасушаларды концентирлеу мақсатымен пайдалы флотация болуы мүмкін, фаза бөлігінің шекарасында «ауа-сұйықтық» жиналады, мысалы, жасушалар бактериялары, нәруыздың продуценті ретінде ұсынылған.

Соңғы өнімдерді ерекшелеу мақсатында культуралды сұйықтықтан жасушаларды сепарилдеуден кейін отырғызуға жүгінеді, экстаркция, сорбция, ультрафильтрациялар немесе олардың бірігуі.

Механизмге соңғы өнімдердің құрылуын қолданып, биосинтез бен биотрансформациялар үрістерін айтуға болады.

Биотрансформация шығындарды компостирлеуде, биогазды алуда, жемдерді кептіруде және т.б орын алады.

Сонымен бірге, биохимиялық технология үрдістердің бөлімдері биосинтез бен биотрансформация негізінен нәтижелі әсерлермен байланысты, биохимиялық реакциялармен ағатын механизмдерге қарағанда.

Биотехнологиялық поцесстердің басқарылатын және басқарылмайтын бөлімдері тереңдікке және бақылау көлеміне сүйенеді, автоматика және ЭВМ тәсілін қолданып жүзеге асыраы. Басқарылмайтын үрістер қатарына мал шаруашылығында және фермада тығыз шығындарды залалсыздандыруының лезде ағуын жатқызуға болады. Басқарылатынға барлық өндірістік үрдістер жатады, микрағзаның, өсімдіктің және жануарлардың жасушаларын қолдануға негізделген. Бұл деңгейде екі басқару болуы мүмкін-операторлық және автоматикалық. Кейбір авторлар биотехнологиялық үрістерді қарапайым, бірлескен, жүйелі, сатылы түрлеріне бөледі. Қарапайымды қоректік заттарды метаболизм өніміне интермедиаторларды жинақтамай субстрант утилизациясында (немесе жасушалық өсуде) және метаболит түзілуінде қатаң анықталған стехиометриялар негізінде тасымалдау деп түсіндіріледі.

Бірлескен үрдістер деп интермедиаторлары жинақтамай, бірақ стехиометрия үрдістерінің өзгеру мүмкіндігімен қореккік заттарды метаболизм өніміне айналдыру орынның бар болуы саналады.

Биохимиялық технологияның жүйелі үрдістері қоректік заттардың негізгі өнімге тасымалдау кезінде интермедиаторлардың жинақталуымен сипатталады.

Биологиялық технологияның сатылы үрдістерінде қоректік заттар алғашында тұтасымен интермедиатқа көшіріледі де, осыдан кейін соңғы өнім түзіледі. Мысалы-лимон қышқылының биосинтезі.