Биореакторларды жүйелеу

Белгілі бір рецептура бойынша қоректік ортаны дайындау үшін араластырғышы бар биореакторды (ферментер, ферментатор) қолданады. Ол әртүрлі материалдардан жасалған болуы мүмкін. Мысалы, зертханалық биореакторлар шыныдан жасалады, ал өнеркәсіптік биореакторлар – таттанбайтын болаттан, әртүрлі конструкциялы ішкі бөлігі бос және ішінде араластырғышы бар ыдыстар түрінде жасалады. Қоректік ортаны залалсыздандыру үшін арнайы қондырғыны таңдау және дайындау қажет. Биореакторлар субстрат қосылып отырылатын мерзімділік, жартылай мерзімділік және ағынды режимдерде жұмыс жасай алады. Мерзімділік режимде жұмыс істегенде реакторға керекті компоненттер салынады, процесті жүргізіп, түзілген арнаулы өнімді жинап алады. Субстрат қосылып тұратын мерзімділік режимде субстратты оқтын-оқтын немесе үздіксіз енгізеді де, қажетті өнімді процесс аяқталғаннан соң бірден жинап алады.

Жартылай үздіксіз процесті жартылай оқтын-оқтын тәсілмен атқарады да, артынан реактор ішіндегі сұйықтың жартысын құйып алып, яғни өнімді жартылай жинап, ыдысқа сондай мөлшерде жаңа қоректік ортаны құяды да, процесті ақырына дейін жүргізеді. Кейін жұмысты осы жүйемен қайталап отырады. Бұндай режим өндірістік қондырғыны толық пайдалануға мүмкіндік береді.

Үздіксіз істейтін биореакторлар екі типке бөлінеді:

1. Әмбебапты араластырғышы бар реактор, хемостат сияқты жұмыс істейді. Культураның өнебойы тығыздығы шектеуші субстратты пайдалану есебінен немесе басқа қоректік заттар, болмаса турбидостат сияқты жұмыс істейді. Бұндағы жарық сезгіш аспап культураның тығыздығын өне-бойы бақылайды, арнаулы құрылым көмегімен тұрақтылығын үзбей бірқалыпты күйде ұстап тұрады. Өнеркәсіпте хемостат режимінде жұмыс істейтін реакторлар қолданылады.

2. Ағындық реактор. Толық ығыстырып шығарушы режимде жұмыс істейді (поршенді реактор). Суспензиялы культуралар үшін сирек қолданылады.

Өнеркәсіпте бұрыннан қолданылып келе жатқан дәстүрлі мерзімдік әдіспен өсіру көбінесе микробтар синтезі кезінде қолданылады, жартылай үздіксіз әдіс – микробтар биомассасын өндіруде, ал үздіксіз әдіс – оқтын-оқтын лас суларды тазартуда және сірке суының өндірістік қалдықтарын өңдеуде қолданылады. Соңғы жылдары химиялық өзгерістер үшін оқтын-оқтын режимді және субстратты қосып тұратын реакторларды қолданып келеді. Биомассаны алу үшін оқтын-оқтын істейтін ағынды режимдегі реакторлар қолданылады.

Өсіру кезінде массаны алмастыру. Биореакторларда микробтар популяциясының дамуында масса алмасу қатты (микроорганизмдер), сұйық (қоректік орталар) және газ тәрізді (ауамен қамтамасыз ету) үш фазаның қатысуымен жүзеге асырылады. Масса алмасу барысында бұл фазалар аралығында клеткалар қоректік заттар және оттегімен қамтамасыз етіліп, қажетсіз метаболиттер шығарылып тасталып, отырылады. Оттегі нашар еритін болғандықтан оның енуі мен кейбір газ тәрізді метаболизмдердің сыртқа шығарылуы, мысалы, көмірқышқылы, ауаны үздіксіз барбатер көмегімен араластыра отырып, жаңарту арқылы жүзеге асырылады.

Реактордың ауаны айдау мен онда араластыру конструкциясы мен істеу принципі әртүрлі жүйелер көмегімен қамтамасыз етіледі. Араластыруға кететін қуат масса алмасудағы реактордың басты сипаттамасы болып есептеледі. Клеткаға оттегін жеткізуге шек қойылмауына байланысты ол азаяды да, газ тәрізді метаболиттердің десорбциялауын қамтамасыз етеді, әрі культураларды сұйықтың араласуы әсерінен реактордың көлеміне қарай биомасса мен сұйықтың және субстраттың бірқалыпты таралуын реттеп отырады. Араластыру клеткаға механикалық әсер етеді. Егер де олар клетка конглометраттарын ғана бүлдірсе, онда қолайлы әсер деп, ал олар клетканы зақымдайтын болса – зиянды деп есептеледі.

Көбік түзілу мен оны басу. Масса алмастыруды қарқындату үшін реакцияланушы ортаны араластырып отырады. Бұл бәлкім пайдалы ма, әлде зиянды ма, әйтеуір көпшілік жағдайда көбіктің жиі, қарқынды түрде түзілуімен қабаттаса жүреді. Көбік түзілу еріген заттардың беттік активтілігіне байланысты. Көбік күрделі физика - химиялық дисперсиялы система. Ол өте тұрақты зат. Егер де олар қасиеті жағынан қатты денені елестететін заттардың молекулаларынан түзілген болса, онда оның беттік қабаттағы молекулалары жиналып екі өлшемді белгілі жаққа бағыттталған құрылымды түзеді. Бірақ ол қасиеті жағынан қатты затты еске түсіреді. Культуралардың сұйық қоспаларындағы амин, сабын, белоктар сияқты заттардың түзілуі көбіктің бөлінуіне көмектеседі. Бұндағы белок беттік активті заттар (БАЗ) бөлек есептеледі. Олар судың беттік керуін төмендетіп, жоғары қабатта екі өлшемді кристалға ұқсас құрылымды қайталамайтындай етіп ұйытады.

Микроорганизмдердің өсуі барысында пайда болған көбікпен күресу (оны басу) өте күрделі процесс, ол арнаулы тәсілдер мен құралдардың болуын талап етеді.

а) Физико-химиялық тәсіл. Бұған әртүрлі физикалық - химиялық препараттарды қолдану жатады. Көбікті басушыларды: табиғи (өсімдік және жануарлар майы) және жасанды (кремийорганикалық және полиэфирлік, полиметилсиликон ПМС-200, пропенол Б-400 сияқты қосылыстар) деп бөледі.

б) Физикалық әдіс. Әртүрлі механикалық қондырғылар, ультрадыбыстық тербелу, бу ағынында, электр өрісі т.б. заттардың көмегімен көбікті бұзып-бүлдіруге болады.

Микробиологиялық синтездегі жылудың алмасуы. Биотехнологиялық өндірістерде түзгіштер ретінде негізінен гетеротрофты микроорганизмдерді қолданады. Олар жәй заттардан күрделі органикалық қосылыстарды түзетін көмірсулары мен басқа да субстраттардың тотығу процесі кезінде түзілетін химиялық байланыстардан қуатты қамтиды. Катаболизм кезінде босап шығатын қуаттың мөлшерінің 40-45 пайызы конструктивті алмасуға жұмсалса, қалғандары жылу күйінде қоршаған ортаға тарап кетеді. Сыйымдылығы азғантай реакторларды зертханада қолданғанда жылу әсері көп білінбейді. Өндірістік жағдайда сыйымдылығы үлкен ферментация кезінде едәуір мөлшерде жылу бөлінетін аппараттарды қолданады. Бұндайда процесс кезінде көп жылу бөлінеді.

Барлық цикл кезінде қолайлы температураны өне-бойы сүйемелдеп тұру жылу алмастырушы қондырғылар арқылы атқарылады. Бұлардың жобасын жасау биореактордың салмақ көп түсетін жылу алмасу қондырғысын дәл математикалық есептеуді талап етеді. Бұл қондырғылар биореакторлардың ішінде (жылан түтік түрінде) немесе сыртқы (теп-тегіс жабын сияқты) орналастырылуы мүмкін. Қазіргі кезде сыртқы жабын мен ішкі жылан түтікті құрастырып жасалған қондырғылар пайдаланылады.

Микроорганизмдерді өсіруде асептикалық жағдайларды қамтамасыз ету қажет. Өсірілетін өндірістік штамм-түзгіштерді бөгде микроорганизмдерден қорғау – микробиологиялық синтез технологиясының негізгі талабы болып есептеледі.

Ірі көлемді өнеркәсіптік өндірістерде асептиканы қамтамасыз ету екі жолмен атқарылатын ең бір күрделі инженерлік міндет:

1. Ортаның бөгде микроорганизмдермен ластану және жұмыс бөлмесінде штамм-түзгіштердің таралып кетуін тежеу тәсілдері мен түрлі құралдар көмегімен өндірістік технологиялық гигиенаны қамтамасыз ету.

2. Реакторға салынатын заттардың барлығын (ауаландырғыш, қоректік орта, көбікті басқыштар т.б.) және ыдыстың ішін залалсыздандыруда қолданылатын сүзгі, түрлі залалсыздандырғыштар т.б. сияқты арнаулы технологиялық құрал-жабдықтарды пайдалану.

Аспаптарды және өткізгіш түтіктерді қаныққан су буымен өңдеу залалсыздандырудың ең бір кең тараған әдісі болып саналады. Температураның ең аз деңгейі (115-120°С) бір сағаттай уақытта реактордың ең оңай тексерілетін бөлігінде байқалады. Реакторға өне-бойы ендіріліп тұратын сұйық көбік басқыштарды залалсыздандыру үшін ылғалдандырғыш ерітінділерді (тұз, глюкоза) немесе рН шамасын тексеріп тұратын түзеткіштерді (аммиак суы), сүзу және центрифугалау, жылумен өңдеу, әртүрлі дезинфанттарды, гамма-ультракүлгін сәуле сияқты әдістерді қолданады.

Ауаны залалсыздандыру. Қаланың ауа бассейнінде микроорганизмдердің орташа концентрациясы 10³ – 10⁴м³ (клетка). Микробиологиялық заводтар орналасқан жерлерде олар едәуір көп кездеседі. (10⁹ – 10¹⁰м³) клетка. Ауа микрофлорасының спекторы түрліше, бірақ барлық жағдайда микроорганизмдердің құрғақшылыққа және күн сәулесінің радиациясының әсеріне төзімді топтары тіршілік етеді. Ауаны залалсыздандыру үшін екі тәсілді қолданады:

1). Ауада жүрген майда бөлшектерді жою.

Қазіргі кезде тазартудың өте-мөте тиімді және жан-жақты әдістері мен технологиялық залалсыздандыруды, мысалы, желдеткіштер ауасын тазартқанда, саңылауы бар үйме қабаттардан өткізіп сүзу немесе талшықты материалдарды қолдану арқылы орындауға болады.

2). Микроорганизмдерді ауадан тазартпай-ақ тұрып құрту. Бұл үшін жоғары температурада, әртүрлі сәулелерді және т.б. қолданады.

Егер сұйықтық көлемі үлкен болмаса, белсенді заттарды культуралық сұйықтықтан бөлу үшін жүйелі әсер ету экстрактылары пайдаланылады. Дегенмен, өндірісте үлкен көлемдегі сұйықтықпен жұмыс жасалады, сондықтан белсенді заттарды жоймас үшін тездетіп өңдеу қажет болады. Сондықтан да экстрактор - араластырғыштар және циклон типіндегі фазалық эмульсия бөлгіштер, орталық жинақтау сеператорлары, ашытқы саңырауқұлақтарын айыру сеператорлары, ал антибиотиктер өндірісінде де кешенді экстрактор-сеператорлар қолданылады. Бұндай қондырғыларға экстрактор - сеператор «Россия» - ны жатқызуға болады.

Ион алмасу, айдау, ректификация, буландыру, криссталдау және басқа да үрдістерді микробиология өндірісінде жүзеге асыру үшін химиялық технология қондырғылары қолданылады. Белсенді заттарды кептіру үшін көбінесе лиофилизация немесе температура әсеріне тұрақты – кептіру құралдары пайдаланылады.

Іріктеп салу бөлімдерінде қатты заттарды ұнтақтайтын және ыдыстарды даярлауға және маркерлеуге арналған автоматтар пайдаланылады.

Микробтық синтез процесін басқару. Ферменттік катализатор немесе клеткалар популяцияларының белсенділігі мен тіршілігінің пайдалы уақыты, оларды қоршаған ортаға байланысты. Сондықтан биореакторларды тиімді пайдалану үшін катализаторлардың қасиетіне тигізетін олардың әсерін бақылау және білу қажет. Бұның бәрі популяциядағы клеткалардың күй-жағдайларын өне-бойы бақылап отыруға және орта мен газдың физикалық, химиялық параметрлерін анықтауға арналған детекторы бар биотехнологиялық өндірісті аспаптармен жабдықтау арқасында мүмкіндік болды.