Мақсатқа арналған өнімдерді бөліп алу
Биореакторлар ішіндегі заттар микробтар клеткаларынан, метаболизмнің клеткадан тыс өнімдерінен, микроорганизмдер тіршілігі барысында түзілген клеткаішілік өнімдерден, сонымен қатар өзгеріске ұшырай қоймаған субстрат компоненттері сияқты күрделі қоспалардан тұрады.
Заттарды бөліп алу тәсілдеріне қойылатын талап – қандай өнімдерді алу қажеттігіне байланысты. Олар биомассаны алуға бағытталған өнімдер мен ерекше таза препараттар үшін әртүрлі болып келеді және ол культуральдық сұйықтың бастапқы қасиетіне, яғни оның температурасына тұтқырлығына, рН көрсеткішіне, иондық күшіне, өнім концентрациясына, қоспаның түріне байланысты болады.
Қолданылатын тәсілді таңдап алу мақсатты өнімдер үшін белгілі бір мәні бар: ол ақырғы өнімдердің түріне байланысты. Олар: кристалл заттар, концентрациясы күшті ерітінділер, кептірілген ұнтақтар немесе басқа да өнімдер. Егер де бастапқы заттарға бөлетін қасиеті бар микроорганизмдер штамдарымен алдын-ала жұмыс істелсе, онда осы ақырғы өнімдерді бөліп алу едәуір оңайға түседі және культураларды бөліп алудың маңыздылығына күмән келтірмейді.
Қоректік орта жайында сөз болғанда көңіл аударарлық мәселе - өте арзан, тазартылмаған қосындысы көп субстраттарды бұл мақсатта қолдану экономикалық тұрғыдан алғанда тиімсіз, өйткені ол өнімдерді бөліп алу операциясын қиындатып және қымбаттатып жібереді.
Сонымен, субстраттарды, биокатализатормен бөліп алу әдісін нақты процесті ескере отырып, өте ұқыпты үйлесімділікпен таңдап ала білу биотехнологияның негізгі міндеті болып саналады.
Көптеген өндірістер үшін өнімді бөліп алудың алғашқы сатысы – микробтық биомассаны оқшаулап алу. Бұған мынадай жағдайлар себепкер бола алады:
- Биомасса биопроцестің ең ақырғы өнімі;
- Биомасса клеткаларды келешек операцияларда еріту және клеткаішілік өнімдерді бөлудің бастапқы материалы болып саналады;
- Биомассаны клеткалары механикалық жолмен дезинтеграцияланған немесе еріген күйінен соң экстрациялап алып, бөлу керек;
- Ерігіш субстраттың жауап қайтармаған мөлшерін регенерациялау мен биомассаны оқшаулап алғаннан кейін және реакторда қалған клеткаларды қайтадан регенерациялап, содан соң қолдануға болады;
- Кейбір жағдайда реакциялаушы ортадан биомассаны оқшаулау жұмысы одан өнімді алып болған соң жүргізіледі.
Биотехнологиялық препараттарды бөліп алу мен тазарту мынадай жолмен атқарылады:
Ерімейтін заттарды бөлу. Системаның ерімейтін компоненттерін ерітіндіден сүзу, центрифугалау, тұндыру, декантациялау және диализ арқылы бөлуге болады. Бұл бөлшектерді бөліп алуды 10-100 есе шапшаңдатуға оларды алдымен жоғары температурада флокулянттар және т.б. жолмен өңдеу арқылы іске жаратуға болады. Биомассаның ақырғы өнімінде қалған ылғал мөлшеріне байланысты әртүрлі әдістерді қолдануға болады. Ірі көлемді қалдықтарды өңдеуде әдеттегіше ашу процесін суспензияны тұндыру арқылы жүргізеді. Бұнда түзілген қалдықта бірнеше пайыздай қатты заттар болады. Бұл тәсіл қарапайым және орындалуы жеңіл. Ол қалдықтарды биологиялық өңдеу процесінде қолданылады. Бұнда сыра қайнату және бір клеткалы организмдерден белокты өндіру мақсатында биомассаның қайтадан айналымға түсуі үшін активті балшық әдісін пайдаланады. Флокуляцияға тым бейімді ашытқы саңырауқұлақтары штамдарын қолдана отырып, биомассаның тұну шапшаңдығын едәуір арттыруға болады. Егер де тұндырылған биомассаның одан әрі ылғалын азайту қажет болса, оны центрифугалайды немесе сүзеді. Центрифугалау биомассаны қоюландырып, паста күйінде алуға көмектеседі. Оның құрамында биомасса бойынша 15 пайызға дейін қатты заттар болады. Дегенмен сұйыққа тән кейбір қасиеттерін сақтап қалады. Бастапқы суспензияның табиғаты мен қасиетіне байланысты тұндырманы алу үшін ішкі құрылысы әртүрлі конструкциялы центрифугаларды қолданады.
Аздаған жоғары концентрациялы тұндырмаларды (массасы бойынша 20-30 пайыздай қатты заттары бар) немесе қатты биомассаны (биомасса бойынша 40 пайызды қатты заттар бар) алу үшін сүзгілеу әдісін қолданады. Минералды су суспензиясынан ұcақ бөлшектерді бөліп шығару үшін флотация әдісін қолданады. Бұл тәсіл ауаның жоғары қарай көтерілетін ағынымен ерімеген қатты бөлшектердің, бірге көтерілуін пайдалана отырып сулы суспензиядан қатты бөлшектерді бөліп алуға көмектеседі. Жоғары концентрациялы көбігі тұрақты белоктардан еріген күйіндегілерін бөліп алу үшін де флотацияны қолданады. Бұл, әсіресе европалық және ағылшындық сыраларда көбіктің көп түзіліп, тұрып қалуына қолайлы жағдай туғызады. Көбікпен флотациялау әдісі биомассаны электрохимиялық тұндырумен қатар бір клеткалы организмдерден белокты өндіру кезінде микроорганизмдерді концентрлеуде қолданылды. Бұл операция ерітінділермен экстракциялау, сорбциялау, тұндыру мен ультрасүзгілеу әдістерімен атқарылады. Соның арқасында ортада өнімдер концентрациясы едәуір артады. Экстракция әдісін екі фаза болғанда ғана қолдануға болады. Мысалы, антибиотиктерді бөліп алғанда негізінен су фазасында органикалық ерітінділерді экстракциялайды, ал белоктың фракциясын алу үшін полиэтилен-декстран сияқты «су-су» деген екі жаңа фазаны қолданады.
Сорбция дегеніміз – сұйық және қатты фазалар арасында еріген заттарды бөліп тарату. Сорбент – ретінде (қатты фаза) әдетте ион алмасу шайырлары қолданылады. Олардың ішінде бір ионы иммобилизацияланған диссосациялаушы иондар буы болып есептеледі.
Катион алмасатын жағдайда мынадай реакциялар орын алады:
/Сорбент/ Н+ + / ерігіш зат / ® / Сорбент // ерігіш зат / + Н+
Егер де сорбент ионалмастырғыш болса, онда:
/Сорбент / С+ + / ерігіш зат / ® / Сорбент // ерігіш зат / + С+
Сорбцияны қолдану – карбоксил тобы – (СООН) бар катион алмастырғыш көмегімен стрептомицинді бөліп алу көптен бері белгілі. Мысалы, антибиотик адсорбцияланған шайырды бұдан соң культуральды сұйықтан бөліп алады да, тиісті өнімді қышқылданған сумен өңдейді. Бұндайда антибиотик десорбцияға ұшырайды және ион алмасушы шайыр қайтадан қалпына келеді. Органикалық заттардың ерігіштігі температураға, рН, иондық күшке, ерітінділердің диэлектрикалық өткізгіштігіне байланысты болатыны мәлім. Сондықтан әртүрлі тәсілдерді қолдана отырып, олардың тұнуын индукциялауға болады. Мысалы, бұл жұмыс еріген затпен ерімейтін қосылыстарды түзе алатын тұндырғыштарды қосу, орта жағдайын өзгерту, яғни еріген және тағы басқа да заттардың тұрақтылық фазасын бұзу арқылы жүзеге асырылады.
Егер де бөліп алынатын өнім үнемі сулы ортада болса, онда заттарды фазаға көшірмей-ақ мембрана көмегімен бөлуге болады. Бұл осмостық кері қайтару құбылысы мен мембрананың әртүрлі мөлшердегі молекулаларды өткізу қабілетіне негізделген.
Қарапайым, жәй осмос мынадай құбылыс болып есептеледі: егер де қандай ма болмасын бір зат және таза еріткіш зат өтпейтін мембрана арқылы өтетін болса, онда осы екі заттың концентрация градиенті екі фазада тепе-тең болғанша еріткіш мембрана арқылы ерітіндіге өте береді. Ал егер де ерітінді шамадан тыс қысыммен әсер етсе, онда еріткіш градиентке қарсы еріген фазадан таза еріткіш фазасына қарай ауысады. Егер де қолданылатын мембрана саңылаулары 3 нм-ден аз, ал қысым 1-11,5 атм. тең болса, онда бұл құбылысты кері қайтармаса осмос деп атайды. Ал егер де ол саңылаулар 3-тен 100 нм, ал қысым 0,1- 2 атм. болса, онда оны ультрасүзгілеу деп атайды.