Кіріспе

Өнеркәсіптік өндірісте қолданылатын биохимиялық процесс. Өнеркәсіптік ашыту – өндіріс процестерінде ашытуды мақсатты түрде пайдалану. Ашытылған тағамдар мен сусындарды жаппай өндіруден басқа, өнеркәсіптік ферментация химия өнеркәсібінде де кеңінен қолданылады. Сияқты тауарлық химиялық заттар, мысалы, сірке қышқылы, лимон қышқылы және этанол ашыту арқылы өндіріледі. Сонымен қатар, липаза, инвертаза және реннин сияқты коммерциялық түрде өндірілетін барлық өнеркәсіптік ферменттер, генетикалық түрлендірілген микроорганизмдермен ашыту арқылы жасалады. Кейбір жағдайларда, биомассаның өзі өндірілу мақсаты болуы мүмкін, мысалы, бір жасушалы ақуыздар, нан пісіруші ашытқы және ірімшік жасау үшін қолданылатын сүт қышқылы бактерияларының бастапқы мәдениеттері. Жалпы, ашыту төрт түрге бөлінеді: биомассаны өндіру (тірі жасушалық материал), жасушадан тыс метаболиттерді өндіру (химиялық қосылыстар), жасушаішілік компоненттерді өндіру (ферменттер және басқа ақуыздар) және субстратты түрлендіру (мұнда түрлендірілген субстрат өзі өнім болып табылады). Бұл типтер бір-бірінен толығымен бөлек емес, бірақ тәсілдердегі айырмашылықтарды түсінуге арналған негізді құрайды. Қолданылатын организмдер әдетте микроорганизмдер болып табылады, әсіресе бактериялар, балдырлар және саңырауқұлақтар, мысалы, ашытқылар мен көбелектер, бірақ өнеркәсіптік ашыту өсімдіктер мен жануарлардың жасушалық мәдениеттерін де қамтуы мүмкін, мысалы, CHO жасушалары және жәндік жасушалары. Ашытуда қолданылатын нақты организмдер үшін, еритін оттегі деңгейі, қоректік заттар деңгейі және температура сияқты арнайы шаралар қажет. Ашыту жылдамдығы микроорганизмдердің, жасушалардың, жасушалық компоненттердің және ферменттердің концентрациясына, сондай-ақ температураға, pH және аэробты ашыту үшін оттегі деңгейіне байланысты. Өнімді алу жиі сұйытылған ерітіндіні шоғырландыруды қамтиды.

Процесстің жалпы шолуы

Көптеген өнеркәсіптік ферментацияларда организмдер немесе эукариотикалық жасушалар сұйық ортаға енгізіледі, ал басқаларында, мысалы, какао бұршақтары, кофе жидектері және мисо ашытуда, ашыту ортаның ылғалды бетінде жүзеге асады. Ферментация процесіне қатысты өнеркәсіптік мәселелер де бар. Мысалы, биологиялық процестердің ластануын болдырмау үшін ферментация ортасы, ауа және жабдық стерильдендіріледі. Көбіктің пайда болуын механикалық жою немесе химиялық көбікқұрыштар арқылы болдыруға болады. Қысым, температура, араластырғыш білігінің қуаты және тұтқырлық сияқты бірнеше факторларды өлшеу және бақылау қажет. Өнеркәсіптік ферментация үшін маңызды элемент – масштабтау. Бұл зертханалық процедураны өнеркәсіптік процеске айналдыру. Өнеркәсіптік микробиология саласында зертханалық масштабта жақсы жұмыс істейтін нәрселер алғаш рет үлкен масштабта қолданғанда нашар немесе толығымен жұмыс істемей қалуы мүмкін екені жақсы белгілі. Зертханада жұмыс істеген ашыту жағдайларын алып, оларды өнеркәсіптік масштабтағы жабдыққа түгелдей қолдану әдетте мүмкін емес. Көптеген параметрлер масштабтау критерийлері ретінде сынақтан өткізілсе де, ашыту процестерінің әртүрлілігіне байланысты жалпы формула жоқ. Ең маңызды әдістер – бірлік көлемдегі тұрақты қуат тұтынуын және тұрақты көлемдік трансфер жылдамдығын сақтау. Жақындау фазасынан кейін организмнің өсу жылдамдығы белгілі бір кезеңге дейін үнемі артады – бұл кезең логарифмдік немесе экспоненциалдық фаза болып табылады. Құн төмендету үшін қант құмырасының немесе қант қызылшасының шырыны қолданылады. Көбірек сезімтал ашытулар орнына тазартылған глюкоза, сахароза, глицерин немесе басқа қанттарды пайдалануы мүмкін, бұл өзгергіштікті азайтады және соңғы өнімнің тазалығын қамтамасыз етуге көмектеседі. Бета-галактозидаза, инвертаза немесе басқа амилазалар сияқты ферменттерді өндіруге арналған организмдерге ферменттерді көп мөлшерде өндіретін организмдерді іріктеу үшін крахмал беріледі. Көптеген организмдер үшін белоктарды, нуклеин қышқылдарын және басқа жасушалық компоненттерді синтездеу үшін тұрақты азот көздері қажет. Организмнің ферменттік қабілеттеріне байланысты азот соя ұны сияқты белок түрінде, пептон немесе триптон сияқты алдын ала қорытылған полипептидтер түрінде немесе аммиак немесе нитрат тұздары түрінде берілуі мүмкін. Азот көзін таңдауда құн да маңызды фактор болып табылады. Фосфор жасушалық мембраналардағы фосфолипидтерді және нуклеин қышқылдарын өндіру үшін қажет. Қосылатын фосфат мөлшері ортаның құрамына, организмнің қажеттіліктеріне және ашыту мақсатына байланысты болады. Мысалы, кейбір мәдениеттер фосфаттың қатысуымен екіншілік метаболиттерді өндірмейді. Өсу факторлары мен микроэлементтер қажетті витаминдердің барлығын өндіре алмайтын организмдер үшін ашыту ортасына қосылады. Ашытқы экстракты – ашыту ортасы үшін микроэлементтер мен витаминдердің көп тараған көзі. Темір, мырыш, мыс, марганец, молибден және кобальт сияқты микроэлементтерді қоса алғанда, органикалық емес қоректік заттар тазартылмаған көміртек және азот көздерінде әдетте болады, бірақ тазартылған көміртек және азот көздерін қолданғанда оларды қосу қажет болуы мүмкін. Көп мөлшерде газ өндіретін (немесе газ қосуды қажет ететін) ашытулар көбік қабатын қалыптастыруға бейім, өйткені ашыту ортасында көбікті күшейтетін әртүрлі белоктар, пептидтер немесе крахмалдар болады. Бұл көбіктің пайда болуын немесе жиналуын болдырмау үшін көбікқұрыштарды қосуға болады. pH-ты оңтайлы деңгейге жақын тұрақтандыру үшін карбонаттар мен фосфаттар сияқты минералды буферлік тұздарды қолдануға болады. Металл иондары жоғары концентрацияда болған жағдайда келаттаушы агентті қолдану қажет болуы мүмкін. Ашыту үшін оңтайлы ортаны әзірлеу тиімді оптимизацияның кілтті ұғымы болып табылады. Бір уақытта бір фактор (OFAT) – зерттеушілер орта құрамын жобалау үшін қолданатын басым таңдау. Бұл әдіс басқа концентрацияларды тұрақты ұстай отырып, бір мезгілде бір ғана факторды өзгертуді қамтиды. Бұл әдіс бірнеше кіші топтарға бөлінеді. Бірі – "Алып тастау тәжірибелері". Бұл тәжірибеде ортаның барлық компоненттері бірінен соң бірі алынып тасталады және олардың ортаға тигізетін әсері байқалады. Толықтыру тәжірибелері азот пен көміртек қоспаларының өндіріске тигізетін әсерін бағалауды қамтиды. Соңғы тәжірибе – алмастыру тәжірибесі. Бұл азот пен көміртек көздерін алмастыруды қамтиды, олар күтілетін өндіріске жағымды әсер етеді. Жалпы алғанда, OFAT басқа оптимизация әдістеріне қарағанда қарапайымдылығының арқасында үлкен артықшылыққа ие.

Биомасса өндірісі

Кейде ферментацияның тікелей өнімдері микробтық жасушалар немесе биомасса болып табылады. Мысалдарға бір жасушалы ақуыз, нан пісіруші ашытқысы, лактобациллалар, E. coli және тағы да басқалары жатады. Бір жасушалы ақуыз өндіріліп алынса, балдырлар фотосинтез процесін жүзеге асыруға мүмкіндік беретін үлкен, ашық тоғандарда өсіріледі. Егер биомасса басқа ферментацияларды іске қосу үшін қолданылса, мутациялардың пайда болуын болдырмауға ерекше назар қойылуы керек.

Жасушадан тыс метаболиттер өндірісі

Метаболиттерді екі топқа бөлуге болады: организмнің өсу фазасында пайда болатын, біріншілік метаболиттер деп аталатындар және стационарлық фазасында пайда болатын, екіншілік метаболиттер деп аталатындар. Біріншілік метаболиттердің мысалдары: этанол, лимон қышқылы, глутамин қышқылы, лизин, витаминдер және полисахаридтер. Екіншілік метаболиттерге пенициллин, циклоспорин А, гиббереллин және ловастатин жатады. Сондай-ақ, кейбір Corynebacterium түрлері лизин, треонин, триптофан және басқа да аминқышқылдарын өндіреді. Бұл барлық заттар клетканың қалыпты қызметі барысында түзіліп, сыртқы ортаға бөлінеді. Сондықтан өнімді алу үшін клеткаларды бұзудың қажеті жоқ.

Екіншілік метаболиттер

Екіншілік метаболиттер – тұрақты фазада түзілетін қосылыстар; мысалы, пенициллин Penicillium көкжасырларымен ресурстар үшін бәсекелесетін бактериялардың өсуін тоқтатады. Lactobacillus сияқты кейбір бактериялар бактериоциндер өндіре алады, олар да бактериялық бәсекелестердің өсуін тежейді. Бұл қосылыстар адамдар үшін бактериялардың өсуін болдырмау мақсатында, антибиотиктер немесе антисептиктер (мысалы, грамицидин S) ретінде ерекше құнды. Гризеофулвин сияқты фунгицидтер де екіншілік метаболиттер ретінде түзіледі.

Жасушааралық компоненттердің өндірісі

Жасуша ішіндегі компоненттердің ең маңыздысы – микробтық ферменттер: каталаза, амилаза, протеаза, пектиназа, целлюлаза, гемицеллюлаза, липаза, лактаза, стрептокиназа және тағы да басқалары. Инсулин, В гепатитіне қарсы вакцина, интерферон, гранулоциттер колониясын жандандыратын фактор, стрептокиназа сияқты рекомбинантты ақуыздар да осылай өндіріледі. Бұл ақуыздар адамзат микроорганизмдердің бар екенін білуге дейін-ақ жасалған. Мысалы, Мармит сияқты кейбір тағамдар ашыту процесінің қосалқы өнімі болып табылады, осы жағдайда сыра жасау кезінде пайда болады.

Этанол отыны

Ашыту – этанол отынын өндірудегі негізгі этанол көзі. Қант қамысы, картоп, маниок және жүгері сияқты көп тараған егістер ашытқымен ашытылып, одан әрі отынға айналдырылатын этанол алынады.

Қалдық суларды тазарту

Ағынды суларды тазарту процесінде, ағынды су бактериялар бөліп шығаратын ферменттердің әсерінен қорытылады. Қатты органикалық заттар зиянсыз, ерігіш заттарға және көмірқышқыл газына ыдырайды. Соның нәтижесінде пайда болатын сұйықтықтар өзендерге немесе теңізге құйылар алдында патогендерді жою үшін дезинфекцияланады немесе сұйық тыңайтқыш ретінде қолданылуы мүмкін. Қорытылған қатты заттар, сондай-ақ шлам деп те аталады, кептіріліп тыңайтқыш ретінде пайдаланылады. Метан сияқты газдан туындайтын қосалқы өнімдер электр генераторларын қуаттандыру үшін биогаз ретінде қолданылуы мүмкін. Бактериялық қорытудың бір артықшылығы – ол ағынды судың көлемін және жағымсыз иісін азайтады, соның салдарынан оны төгуге қажетті кеңістік мөлшері азаяды. Ағынды суларды тазартуда бактериялық қорытудың басты кемшілігі – бұл өте баяу процесс.

Ауыл шаруашылығы азықтары

Агроөнеркәсіптік қалдықтардың кең ассортиментін ферменттеу арқылы жануарларға, әсіресе кепшік жануарларға (рұмианттарға) азық ретінде қолдануға болады. Саңырауқұлақтар целлюлозалы қалдықтарды ыдырату үшін қолданылып, нәтижесінде ақуыз мазмұны артып, in vitro қорытылуы жақсарады.

Дәл тұндыру

Нақты ферментация – синтетикалық биологияны қолдану арқылы, әсіресе, генетикалық түрлендірілген геномдармен және қол жетімді ресурстармен ең тиімді түрде қажетті заттарды өндіруге бағытталған, жасанды "жасуша фабрикаларын" және метаболизмдік жолдарды жасау арқылы, белгілі бір функционалдық өнімдерді өндіру тәсілі. Генетикалық модификацияланған микроорганизмдерді нақты ферментациялау клеткалық мәдениет ортасына қажетті ақуыздарды өндіру үшін қолданылуы мүмкін, бұл мәдениетте өсірілген етті өндіру процесінде сарысусыз клеткалық мәдениет ортасын қамтамасыз етеді. 2021 жылғы жарияланым көрсеткендей, фотоэлектрлік қуатпен жүзеге асырылатын микробиологиялық ақуыз өндірісі, соя өсірумен салыстырғанда, бірдей көлемдегі ақуыз үшін 10 есе аз жерді пайдалана алады.