Ферменттер — барлық тірі организмдер құрамына кіретін арнайы ақуыздар. Химиялық реакцияларды жеделдетеді. Реакция түрлеріне сай ферменттер 6 топқа бөлінеді:
Ферменттер жасушаларда синтезделіп, биохимиялық реакцияларға қатысатын ақуыздық табиғаттағы биокатализатор болып табылады. Фермент немесе энзим (лат. fermentum – ашу; грек. en – ішінде, zim – ашытқы; 19 ғ. Ван Гельмонт ұсынған) алғашқыда ашыту үдерістерінде анықталған зат. Энзимология, ферментология – ферменттерді зерттейтін ғылым саласы. Ол басқа ғылымдармен: биология, генетика, фармакология, химиямен тығыз байланысты. Ферменттердің қызметі туралы алғашқы ғылыми еңбекті Кирхгофф (1814) жариялады. Кейін ашу үдерісі ашытқы жасушаларында ғана өтеді деген ұйғарым жасаған Л. Пастерге (1871), Либих ферменттер жасушалардың өмір сүруіндегі пайда болған өнім, ол жасушада да, олардан бөлек те қызмет атқарады деген қарсы пікір білдірді. Либихтің ғылыми көзқарасы М. Манассейна (1871), Бухнер (1897) зерттеулерінде эксперимент жүзінде дәлелденді. Жасушаларда синтезделген ферменттер өзіне тән арнайы қызметтерін организмнің барлық мүшелерінде атқарады. Ферменттік қасиет, негізінен глобулалық құрылымдағы ақуыздарға тән екені белгілі. Бірақ, қазіргі кезде кейбір фибриллалық ақуыздар да (актин, миозин) катализдік белсенділік көрсететіні анықталды.
Ферментті препараттардың биотехнологиясы
Ферментті препараттар өндірісі заманауи Биотехнологиядағы жетекші орындардың біріналады және өнім көлемі үнемі өсіп келе жатқан салаларға жатады, ал қолдану аясы үнемікеңейіп келеді.
Тез даму мыналармен байланысты:
- ферменттер ақуыз текті жоғары белсенді, уытты емес биокатализаторлар болып табылады,
- табиғатта кең таралған,
- онсыз көптеген биохимиялық процестерді жүзеге асыру мүмкін емес.
Ферментті препараттарды алу көздері
1. Өсімдік шикізаты,
1. Ферменттердің көзі әр түрлі дәнді дақылдардың (уыт) өсірілген астығы болуы мүмкін:
- тікелей техникалық ферментті препарат ретінде пайдаланылуы мүмкін,
- тазартылған ферментті препараттарды алу үшін бастапқы материал болып табылады.
2. Тропикалық және субтропикалық елдерде өнеркәсіптік өндіріс үшін шикізат протеиназ ретінде қауын ағашыныңлатексін, фикус өсімдіктерінің латексін (мысалы,жапырақтары, інжір өркендері, ананас жасыл массасының шырыны және т. б.) пайдаланады. )
Ферментті препараттарды алу көздері
2. Жануарлардың ағзалары мен тіндері.Барлық ет өңдеу комбинаттарында ферменттері бар шикізатты жинап, оны консервілейді және ферменттік препараттарды алу үшін пайдаланады.
Бұл шикізат:
- ұйқы безі (құрамында химотрипсин, коллагеназ, эластаз, трипсин, амилаз, липаз және т.б. бар),
- шошқаның асқазандары мен аш ішектерінің шырышты қабықтары (пепсин және липаза),
- ірі қара малдың сығындылары (пепсин және липаза),
- сүт бұзаулары мен қозылардың сығындылары (реннин (мәйекті фермент) ),
- жыныстық жетілген жануарлардың тұқымдары (фермент құрамында фермент бар фермент бар). гиалуронидаз).
3. Микроорганизмдер
3. Микроорганизмдер бір мезгілде тұтас ферменттер кешенін синтездеуі мүмкін, бірақ, әсіресе моноферментті болып табылатын және үлкен мөлшерде тек бір ферментті құрайтын мутантты штамдар арасында бар.
Микроағзалардың артықшылықтары:
- қоректік ортаның құрамына қарапайым,
- бір ферменттің синтезінен екіншісіне оңай ауысады,
- салыстырмалы қысқа өсу циклі бар (16 -100 с).
Ферментті препараттарды өнеркәсіптік алу үшін табиғи объектілерден бөлінген микроорганизмдердің табиғи штаммдарын да, мутантты штаммдарды да пайдаланады.
Ферменттердің продуценттері: бактериялар,саңырауқұлақтар,ашытқы, актиномицет болуы мүмкін.
Ферменттерді қолдану саласы
Қазір 2000-ға жуық ферменттер сәйкестендірілген. Өнеркәсіптік 250ге жуықатау шығарылады.Шығарылатын препараттардың арасында ең үлкен үлес салмағын протеиназа мен амилазалар алады (ферментті препараттарды шығарудың жалпы көлемінің 60% - ын құрайды).
Ірі салалар
– тұтынушылар:
– фармацевтика15 %;
– шарап және шырын өндірісі 10 %;
– спирт өндірісі8 %;
– ірімшік өндірісі5 %;
– нан пісіру5 %;
– сыра қайнату6 %;
– аналитикалық мақсаттар мен ғылыми зерттеулер
шамамен 1%;
– өзге салалар6%
болып табылады.
* РБ-да, сонымен қатар ферменттер жемшөп өндірісіне енгізілуде.
Штаммды және өсіру шарттарын таңдау
Микроорганизмдерді қолданудың орындылығы мыналардан тұрады:
1) генетикалық манипуляциялармен катаболиттік деңгейін мың және одан да көп есе және биосинтетикалық ферменттердің деңгейін бірнеше жүз есе арттыра алады;
2) қымбат емес орталарды қолдануға және микроорганизмдердің жылдам өсуіне байланысты микробтық жасушаларды үлкен ауқымда өсіру энергетикалықтұрғыдан ақталады;
3) микроорганизмдер қабілетті реакциялардың үлкен әртүрлілігі (әсіресе екінші рет метаболизмге қатысты);
4) микроорганизмдер еш жерде анықталмаған (целлюлоза, танназа, гидрогеназа, кератиназа, нитрогеназа, пенициллиназа және т.б.) бірнеше бірегей ферменттердің көзі болып табылады. Қысылтаяң жоғары температураларда (87 ºС)
С) дамитын түрлер бар, осыған байланысты термостабильді штаммдар жасау мүмкін;
5) әр түрлі жағдайларға бейімделу қабілеті, бұл дақылдарды өндіруге, арзан субстраттарда өсіруге мүмкіндік береді.
Ферменттерді өнеркәсіптік өндіру және қолдану екі маңызды факторға негізделген:
- біріншіден, ферменттер тірі жасушаларда қалыптасады;
- екіншіден, ферменттер тірі жасушаларға қарамастан ортада өз әсерін көрсете алады.
Продуцентке қойылатын талаптар:
1) жасушадан тыс ферменттердің түзілуі жақсырақ, себебі оларды бөліп алу оңай;
2) ферменттің қысқа уақыт ішінде жоғары шығуы;
3) ферментті дақылдық сұйықтықтан тазарту жеңіл болуы тиіс;
4) штаммдар антибиотиктерді, уытты заттарды өндірмеуі тиі
с және уыттар түзетін штаммдардың туысы болмауы тиіс.
Продуценттерді өсіру технологиясы
• Технологиялық процесті үш сатыға бөлуге болады:
1) Егіс материалын алу;
2) өндірістік дақылды беткі немесе терең қопсыту әдістерімен алу;
3) Дайын өндірістік дақылдан техникалық немесе тазартылған ферментті препараттарды бөлу.
Беттік әдіс кюветтерде орналастырылған ылғалданған стерилденген кебектердің бетінде микроорганизмдерді өсіруден тұрады (инкубацияны арнайы термостатацияланатын цехта температураны, ылғалдылықты және ауаның берілуін тұрақты бақылау кезінде жүргізеді).
Тереңдік әдіс үнемді. Оны сату үшін сұйық қоректік ортаға стерильді ауаны араластыруға және беруге арналған құрылғылармен жабдықталған тот баспайтын болаттан жасалған ферментер қолданылады.
Белсенді продуценттерді алу.
1. Табиғи көздерден анықталған белсенді штаммдар мутагеннің әсеріне бірнеше рет ұшырайды,яғни сатылы селекцияны жүзеге асырады.
Химиялық және физикалық табиғи мутагендердің жиі аралас әсері.
Осылайша, этилениминді және ультракүлгін сәулеленуді сатылы іріктеумен бірге қолдану Asp өте белсенді штамдарын алуға мүмкіндік
берді. амилолитикалық, протеолитикалық және басқа да ферменттік кешендердің продуценттері ретінде қолданылатын awamori. Өндірістік құнды штаммдардың селекциясы өндіріс жағдайында да жүргізіледі.
2. Продуценттерді сақтау бойынша іс-шаралар.
Олардың жоғары биохимиялық белсенділігін қамтамасыз ететін өндірістік құнды штаммдарды сақтаудың бірқатар әдістері бар. Зауыттық зертханалар жанындағы тірі дақылдар мұражайларында мезгіл-мезгіл қиылысады және дақылды тығыз ортада дамытқаннан кейін оны стерильді вазелин майы құяды. Көптеген жағдайларда дақылдардың лиофилизациясы сақтаудың ең жақсы тәсілі болып табылады.
Микроорганизмдерді өсіруге арналған қоректік орта.
Мақсаты бойынша топтарға бөлінеді:
1. Зертханада және мұражайда штамм-продуценттерді ұстап тұратын орталар (микроорганизмдердің физиологиялық қажеттіліктеріне сүйене отырып таңдалады).
2. Егу материалын алуға арналған орталар.
3. Негізгі өндіріс процесінде үлкен көлемде қолданылатын орта.
Қандай да бір ферменттің жинақталуын қамтамасыз ететін ортаның құрамы продуценттер мәдениетін бөлу және қолдау үшін қолданылатын ортаның құрамынан айтарлықтай өзгеше болуы мүмкін.
Микроорганизмдердің кейбір ферменттері өз синтезі үшін индуктор ортасында болуын талап етеді. Мысалы, ApS липазасын синтездеу үшін, егер. niger ортада өсімдік майы, ал рибонуклеаза синтезі үшін - нуклеин қышқылдары, онда α-амилазаның жоғары синтезі үшін. polymyxa казеин гидролизатын қосу қажет.
Ферментация процестерінің технологиялық ерекшеліктері -
Ферментация процестерінің технологиялық ерекшеліктері Технологиялық ресімдеу бойынша мынадай процестерді ажыратады:
- аэробты өсіру,
- анаэробты өсіру;
- қатты фазалы өсіру,
- беттік өсіру,
- терең қопсыту;
- мерзімді өсіру,
- үздіксіз өсіру.
Аэробты өсіру - ортаның аэрациясы-аэробты микроорганизмдер-продуценттер пайдаланылатын микробиологиялық үдерістердегі міндетті емес шарт.
Субстратты қарқынды тұтыну кезінде көміртегі көзіне қарамастан продуцент 0, 83– 4, 0 мг оттегі/1 л орта/мин ассимиляциялайды.
1 л дистилденген судың 0, 1 МПа қысымы және 30°С температурада ерітілген оттегінің ең көп мөлшері 7, 5 мг құрайды.
Нақты қоректік ортада оттегінің максималды ерігіштігі 2 – 5 мг/л
аралығында ауытқиды. Ортадағы оттегі қоры аэробты продуценттің тыныс-тіршілігін 0, 5-2 мин бойы қамтамасыз етеді.
Жасушалардың тыныс алу имитациясы байқалатын оттегінің критикалық концентрациясы
Құрамында қанты бар субстраттарда өсетін аэробты микроорганизмдердің көпшілігі үшін оттегінің критикалық концентрациясы 0, 05– 0, 10 мг/л, бұл ортаның оттегімен толық қанығуынан 3-5%– ға сәйкес келеді.
Биомассаның өсуі үшін толық қанығудан 50-60% оттегі концентрациясы, мақсатты метаболиттердің биосинтезі үшін– 10-20% оңтайлы болып саналады.
Микроорганизмдердегі биологиялық тотығудың анаэробтық
процестері үш топқа бөлінеді:
— тыныс алу (акцептор - оттегі);
— ашыту (акцептор - органикалық зат);
— анаэробтық тыныс алу (акцептор-Бейорганикалық зат: нитратт
ар, сульфаттар және т.б.).
Облигациялық анаэробтарда ашыту энергия алудың жалғыз мүмкін тәсілі болып табылады.
Факультативтік анаэробтарда ол глюкоза катаболизмінің бірінші сатысын құрайды, одан кейін пайда болған өнімдердің аэробтық тотығуы болуы мүмкін.
Оқшауланған аралық топ анаэробты процесте, яғни субстратты
фосфорлану деңгейінде өмір сүру үшін қажетті энергияны алатын
және сонымен бір мезгілде оттегін сіңіру және қолайлы анаэробты жағдайлар жасау үшін тыныс алу тізбегі бар аэротолерантты
микроорганизмдер болып табылады. Бұл әсер "тыныс қорғау әсері" деп аталады .
Қатты фазалы ферментацияның әдетте ылғалдылығы 30-80 % құрайтын қатты, борпылдақ немесе паста тәрізді ортада өткізеді.
Қатты фазалы процестердің үш түрі бар
• беттік процестер: субстрат қабаты, мысалы сабан, 3-7см аспайды ("жұқа қабат"); биореактордың рөлі үлкен, ауданы бірнеше шаршы метрге дейін, алюминийден жасалған подностар немесе культивациялық камералар);
• араласпайтын қабаттағы терең қатты фазалы процестер ("жоғары қабат"): биореакторлар терең ашық ыдыстар болып табылады. Аэробтық процестер үшін диффузиялық және конвективті газ алмасуды қамтамасыз ететін құрылғылар әзірленді;
• гомогенді немесе сұйықтықта өлшенген қатты субстрат б
өлшектерінен тұратын, араласатын және аэрирленетін с
убстраттың массасындағы қатты фазалық процестер.
Қатты фазалы ферменттеудің кемшіліктері:
1. Микроорганизмдерді оттегімен қамтамасыз ету субстрат
қабатының ұлғаюымен қиындайды.
2.Егер мицелиалды микроорганизмдер, мысалы микромицеттер өсірілсе және араластырылмауынан микроорганизмдердің
өсуі отарлау принципі бойынша жүреді, сондықтан қоректік заттардың жергілікті жетіспеуі жиі пайда болса, қабатты араластыруға жол берілмейді.
3. Барлық ферментациялық ортада жылулықты бұру және тұрақты температураны ұстап тұру өте қиын.
Қатты фазалы ферменттеудің артықшылықтары:
• * зертханалық жабдық пен пайдалануға аз шығындарды талап етеді;
• * * субстраттың сипаты өнімді бөлуді және тазартуды жеңілдетеді;
• • • субстраттағы судың төмен мөлшері продуцент мәдениетінің бөгде микрофлорамен залалдануына кедергі келтіреді;
• * * қатты фазалық процестер қоршаған ортаға ағынды сулардың көп мөлшерін ағызумен байланысты емес.
Өнеркәсіптік жағдайларда қатты фазалы ферменттеудің басқарылатын процесі микромицеттерді пайдалана отырып ферменттерді өндіру кезінде жүзеге асырылды.
Дақылы бар сусымалы субстрат ауаның оңтайлы температурасы мен ылғалдылығын қолдайтын камераларда орналасқан кюветтерде жұқа қабатта (3-5 см) инкубацияланады, ферменттелетін субстрат бетінің бойымен газ фазасының мәжбүрлі айналымын қамтамасыз етеді (бұл жағдайда ауа аэрациялаушы және жылу бөлетін агент болып табылады).
Түйіршіктелген крахмал бар субстраттың қалың қабаты ASP
көмегімен (20% дейін) азықты протеиндеу үшін қолданылады. niger. Бұл жағдайда орталарды интенсивті емес араластыру қолданылады.
Сұйық субстраттардағы беттік ферменттеу камераның ауасымен желдетілген ортасы бар кюветтерде іске асырылады.
Микроағзалар дақылы сұйық орта бетінде үлдір немесе қатты қабат түрінде биомассаны құрайды.
Дақыл тікелей газ фазасы — ауадан оттегі тұтынады.
Мұндай жағдайларда жаппай алмасу азоинсенсивті.
Микроорганизмдерді тереңдете өсіру құрамында ерітілген
субстрат бар сұйық қоректік ортаның барлық көлемінде жүргізіледі.
Ферментер мыналарды қамтамасыз етуі тиіс:
- сұйық фаза көлемінде микроорганизмдер популяцияларын
ың өсуі мен дамуын;
- қоректік заттардың микроорганизмдер жасушаларына жет
кізілуін;
- микробтық жасушалардан олардың зат алмасу өнімдерін
(метаболизм) бұруды;
- жасушалар бөлетін ортадан жылуды бұруды.
Терең егуді жүзеге асыруға болады: мерзімді және үздіксіз
тәсілдермен.
1. Мерзімді өсіру.
Өсірудің кезеңдік тәсілі кезінде ферментерге қоректік ортаның
барлық көлемін бірден жүктейді және егіс материалын енгізеді.
Микроорганизмдерді өсіру белгілі бір уақыт ішінде оңтайлы жағдайларда жүргізіледі, содан кейін процесс тоқтайды, ферментер ішіндегісін құяды және мақсатты өнімді бөледі.
Өсудің өсу кезеңі:
- лаг-фазаны,
- экспоненциалды фазаны,
- өсудің баяулау фазасын,
- стационарлық фазаны,
- өлу фазасын қамтиды.
2. Мерзімді өсіру кеңінен қолданылады.
3. Сонымен қатар, биореактордан көлемнің бір бөлігі ортаның эквивалентті көлемін (жартылай үздіксіз өсіру) қосу кезінде мезгіл-мезгіл алынып тасталғанда көлемді-қосымша өсіру да бар.
Үздіксіз процестер.
Үздіксіз тәсіл кезінде қоректік орта ферментерге (биореакторға) үздіксіз беріледі, онда микроорганизмдердің өсуі үшін оңтайлы жағдай жасайды, ал ферментерден (биореактордан) сондай-ақ микроорганизмдермен бірге дақылдық сұйықтық үздіксіз ағады.
Үздіксіз процестерде био объектісі өсудің экспоненциалды фазасында ұсталады.Бұл ретте жасушаларды бөлу есебінен биомассаның өсуі мен жаңа орталармен араласу нәтижесінде олардың кемуі арасында тепе-теңдік бар.
Үздіксіз үдерістерден терең ферментация әдісі жақсы зерттелген.
Процесс болуы мүмкін:
- гомогенді-үздіксіз (қарқынды араластыру жүргізілетін аппарат, барлық параметрлер уақыт бойынша тұрақты),
- гетерогенді-үздіксіз (бірнеше ферментер бірге қосылған).Қоректік орта бірінші аппаратқа түседі, дайын дақылдық сұйықтық соңғыдан ағады.
Микроорганизмдерді үздіксіз өсіру кезінде жүйеден өсіндіні жуудың алдын алу, яғни жасушалардың тұрақты шоғырлануын қамтамасыз ету қажет.
Стерильді жағдайда үздіксіз, ағынды әдіс ұзақ уақыт бойы
культураның физиологиялық белсенді күйде сақталуын қамтамасыз етеді.
Дақыл динамикалық тепе - теңдік жағдайында ұстап тұратын
әдіске байланысты:
- турбидостатты принцип (жүйенің биомассасының концентрациясы тұрақты),
- хемостатты принцип (жүйеде дақыл өсуінің бір қоректену элементімен (көміртегі, оттегі, витаминге сәйкес келетін және т.б.) қалғандарының лимиттелмеген мөлшері кезінде шектеледі),
-сондай-ақ р. Н (Р. Н-стат) бойынша, оттегі бойынша (оксистат) ағынды дақылдардың өсуін басқару әдістері де белгілі.
Технологиялық процестің сатылары
Сұйық қоректік орталарда терең тәсілмен ферментті препараттарды өндіруді келесі сатыға бөлуге болады:
— қоректік ортаны дайындау, стерилизациялау және салқындату;
— себу материалын дайындау және өндірістік дақылдарды өсіру;
— биомассаны бөлу және кептіру;
— қалдықтарды буып
— түю және фильтратты бөлу;
— концентратты концентрациялау және кептіру;
- препаратты тұндыру, кептіру және стандарттау;
- препаратты буып-түю.
