Микроорганизмдер биотехнологиясының негіздері

Микроорганизмдер биотехнологиясының мақсаты микроорганизмдердің бірінші және екінші ретті метаболиттер мен биомассасы мен өнімін медицина мен ауыл шаруашылығы немесе түрлі өнеркәсіп саласы үнемдеп алудың бұрынғы және қазіргі жаңа озық технологияларымен танысу.

Микроорганзмдер биотехнологиясы биотехнологияның негізгі салаларының бірі. Көптеген маңызды биопрепараттар мен өнімдерді алудың атап айтқанда витаминдер мен ферменттерді полисахаридтер мен бейтарап өнімдерді алудың жолын осы микроорганизмдер биотехнологиясы зерттейді.

Ашу өндірісі. Ашу – субстраттың толық тотығуы жүрмейтін және АТФ түзілуімен сипатталатын метаболиттік процесс. Көмірсутегілер мен бірқатар басқа да заттардың ашуы кезінде, мынандай өнімдер түзілуі мүмкін: этанол, лактат, пропионат, формиат, бутират, сукцинат, капронат. ацетат, н-бутанол, 2,3-бутандиол, ацетон, 2-пропанол, көмірқышқыл газы және молекулалық сутегі. Түзілген өнімнің түріне байланысты ашу процесінің бірнеше түрін ажыратады:

  1. Спирттік ашу процесі;
  2. Сүт қышқылдық ашу процесі;
  3. Пропион қышқылдық ашу процесі;
  4. Құмырсқа қышқылдық ашу процесі;
  5. Май қышқылдық ашу процесі;
  6. Сірке қышқылдық ашу процесі.

Ашу процесін жүргізетін микроорганизмдердің көбісі облигатты анаэробтар, кейде факультативті анаэробтар да кездеседі. Оттегі ашу процесін тежейді, ал тыныс алу процесін активтендіреді.

Спирттік ашу процесі. Этанолды алу

Қазіргі кездегі тамақ, химиялық және отын өнеркәсібінде кең пайдалынатын көне ашу өндірісі – этанолды алу болып табылады. Спирттік ашу процесін әр түрлі микроорганизмдер жүргізеді. Мысалы, көмірсутегілерден тұратын шикізаттан ферментациялық жолмен этанолды алу үшін көбінесе Saccharomyces туысына жататын ашытқыларды пайдаланады, ал Шығыс елінде спирттік сусын саке дайындау үшін – Aspergillus oryzae саңырауқұлағын, ал Мексикада алкагольдік өнім пулькені Zymomonas mobilis бактериясы көмегімен дайындайды, сүт сарысуындағы лактозаны ашыту үшін сүт ашытқысы деп аталатын ұйытқыны алу үшін Kluyveromyces fragilis, Kluyveromyces lactis және т.б. кеңінен қолданады.

Saccharomyces туысының ашытқыларының спирттік ашу процесінің негізінде глюкозаның пирожүзім қышқылына ыдырауы және келесі
сатысында сол қосылыстың этанол және көмірқышқыл газының
түзілуімен қайта тотыға декарбоксилденуі жатады. Бұл процестің энергетикалық тиімділігі – тотықсызданған глюкозаның бір молекуласынан екі молекула АТФ түзіледі. Candida туысының кейбір ашытқылары пентозаларды пентозофосфатты жол арқылы тотықтырып, пайдалануға қабілетті болып келеді. Спирттік сусындар өндірісінде рафинозаны ашыту қабілеттілігімен ерекшеленетін Saccharomyces carlsbergenses және Saccharomyces cerevisiae ашытқы штамдары қолданылады. Спирт өндірісінде қолданылатын ашытқыларды төменгі деңгейдегі ашу процесінің рассалары және жоғары деңгейдегі рассалар деп екіге бөледі.

Төменгі деңгейдегі ашу рассалары 6-100 С және одан да төмен температурада қызмет етеді, ал процесс соңында ыдыс түбіне шөгіп, қалың тығыз тұнба түзеді. Оларға көбінесе шараптық және сыра сахаромицеттері жатады.

Жоғары деңгейдегі ашу рассалары 14-25°С температурада жұмыс жасайды, ал процесс соңында шараптың бетіне көтеріліп, қалпақ тәрізді қабық түзейді. Бұл қабық ашытқы клеткаларының бүршіктенуден кейін топтасқан күйінде қалып, көмірқышқыл газының көпіршіктерімен бірге жоғары көтеріледі. Жоғары деңгейдегі ашу рассаларына спирт, нан және сыра өндірісінің ашытқылары жатады.

Ашу ортасындағы төмен және жоғары деңгейлеріне қарамастан, ашытқылардың қызметіне байланысты мақта тәрізді, түйіршік тәрізді және тұнбаға түсетін немесе беткі қабатқа көтеріліп, жүзіп жүретін тозаң тәрізді түрлерге бөледі. Мақта тәрізді ашытқылардың жақсы хош иіс түзетіні көрсетілген.

Спирттік ашытқыларға төмендегідей талаптар қойылады: жоғары ашу белсенділігі (активтілігі), соңғы өнімге, яғни спиртке және әртүрлі инфекцияларға төзімділігі ескеріледі. Этанолды алу үшін 70 жыл бойы Sаccharomyces cerevisiae Х-11 рассасын пайдаланып келеді. Этанол өндірісінде шикізат ретінде әртүрлі көмірсутегі бар өсімдік тектес материалдар – бидай дәні, картоп, зақымдалған қант қызылшасы, ағаш ұнтағы, меласса және ауыл шаруашылық өсімдіктерді өңдеудегі қалдықтар қолданылады.

Крахмалды шикізатты ферментацияға дайындау: оны ұнтақтау, крахмалды еріту және бөліп алу үшін қайнату, кейін қайнатылған биомассаны сұйытылған күйінде бидайдың немесе Aspergillus oryzae, Aspergillus niger және т.б. саңырауқұлақтардың амилолитикалық ферменттерімен өңдеуден тұрады. Құрамында көмірсутегілердің қоспалары (глюкоза, мальтоза және декстриндер), аминқышқылдар, пептидтер, фосфоорганикалық қосылыстар, минералды тұздар және микроэлементтері бар қантталған биомассаны (осахаренный затор) мерзімді немесе үздіксіз ағынды әдіспен ашытады. Пастерленген және 300С температураға дейін салқындатылған заттарды бөгде микрофлораның өсуінен сақтау үшін күкірт қышқылымен рН 3,8-4,0 дейін қышқылдандырады. Мұндай орта ашытқылардың өсуіне қолайсыз болғанымен, заласызданбаған жағдайда дақылдардың тазалығын қамтамасыз етеді.

Спирттік ашытқыларды мерзімді дақылдау кезінде бастапқы концентрациясында 20-25% қанттан 10-13% этанол түзіледі. Ферментация уақыты 48-72 сағат. Бұл әдіс 25,5 кг бидайдан 8,7-9,8 л спирт және 7,7 кг құрғақ зат қалдықтарын алуға мүмкіндік береді.

Целлюлозалы өсімдік шикізаттары қысым әсерімен қышқылдық гидролизге ұшырайды. Алынған гидролизат шамамен 3,2-3,5% редуцияланатын қанттардан яғни глюкоза, галактоза, маннноза және ментозалардан тұрады.

Ағаш тектес шикізаттардың өнеркөсіпте қолданылуы шектеулі, тек ТМД-нің 14 зауыттарында және Жапонияның бірнеше зауыттарында пайдаланады.

Дистиляциялау процессі, яғни ашытылған қоспадан соңғы өнімді бөліп алу мынандай сатылардан: сұйықтықтан ұшқыш және қатты заттарды бөліп алу, этанолды салмағы 30-96%-ға дейін дистилляторда концентрлеу және ұшқыш компоненттерден толық тазалау, яғни ректификациялаудан тұрады.

Спирт өндірісінде қосымша өнім ретінде көмір қышқыл газы және азықтық жемге қоспа ретінде қосуға (утилизирлеуге) болатын ашытқы биомассасы түзіледі.

Этанолдың биотехнологиялық өндірісі дәстүрлі кішігірім зауыттарда жүзеге асады және өндірістің шектелуі шикізаттың болуымен байланысты. Мысалы, бір күнде 1 млн л спирт өндіретін зауыттың бір жылда 200 жұмыс күніне шамамен 40 мың гектар алқапта өскен қант қызылшасы керек. Сондықтан, спирт өндірісіне басқа да тиімді субстраттардың көзін іздестіру маңызды мәселелердің бірі болып саналады.

Соңғы кезде зерттеушілердің назарын спирт өндірісінде, субстрат ретінде екіншілік шикізаттарды қолдану мәселелері қызықтыруда. Мәселен, сүтті және майсызданған сүтті ірімшік, сүзбе, казеин және әр түрлі сүт-белоктық концентраттарды өңдеуде түзілген екіншілік шикізат – сүт сарысуын пайдалануға көп көңіл бөлінуде. Сүт сарысуы сүттің 50-75% құрғақ заты мен сүт қанты-лактозаның 4,5% мөлшерінен тұратын биологиялық бағалы және құндылығы жоғары шикізат болып табылады. Жыл сайын әлемдегі сүт өнімдерін өңдеуден 74 млн тонна сүт сарысуы алынады, оның ішіндегі 16 млн тонна АҚШ, шамамен 25 млн тонна ЕЭО елдерінде, ал ТМД елдерінде шамамен 15 млн тонна өндіріледі.

Сүт сарысуы өте құнды бай қоректік орта болып табылады, сондықтан ол әр түрлі химиялық қосылыстарды түзетін микроорганизмдердің өсуі үшін толық құнды субстрат бола алады. Сүт сарысуы негізінде этанол өндірудің тиімділігі жоғары екендігі көрсетілген. Мысалы, АҚШ-та 1 жыл ішінде этанолды 1,6 млн тоннаға дейін өндіретін, ал 1 тәулікте 225 тоннаға дейін сүт сарысуын өңдейтін қондырғылар жұмыс істейді. Қазіргі кезде Жаңа Зеландия мен Бразилия елдерінде двигательдегі бензині 20-50% сүт сарысуынан алынған этанолға ауыстырылған. Сонымен бірге, сүт сарысуынан этанолдан басқа белоктар және спирттен кейінгі ашыған заттар сияқты аралық өнімдер түзіледі. Оларды кептіріп, ауыл шаруашылықта мал азығы ретінде пайдалануға болады. Этанолды сүт сарысуынан өндіру, картоп немесе бидай шикізатынан өндірумен салыстырғанда экономикалық тиімділігі жоғары.

Сүт қышқылын алу

1847 жылы С.Блондо алғаш рет сүт қышқылы – ашу процесінің өнімі екенін көрсетті, ал Луи Пастер бұл ашуды бактериялар туғызатынын дәлелдеді. Сүт қышқылын микробиологиялық синтез жолымен өндіру 1881 жылдан бері белгілі. Сүт қышқылы тамақ өнеркәсібінде, медицинада шикізат ретінде химиялық синтезде, тері және т.б. өндірістерде кеңінен қолданылады.

Көмірсулардың сүт қышқылына дейін ашуы сүтқышқылды бактериялардың көмегімен жүзеге асады. Оларды гомоферментативті және гетероферментативті сүтқышқыл бактериялары – деп екі топқа боледі. Гомоферментативті ашудың негізгі өнімі – сүт қышқылы, ал гетероферментативті ашудың өнімі сүт қышқылымен қатар сірке қышқылы, этанол және көмір қышқыл газы болып табылады. Гомоферментативті сүтқышқыл бактерияларда көмірсулардың ашуы гликолиз жолымен, ал гетероферментативті өкілдерінде пентозофосфатты жолмен жүреді. Сүтқышқыл бактерияларды 4 туысқа: Lactobacillus, Lactoccocus, Leuconostoc, Pediococcus деп бөледі. Өнеркәсіпте сүт қышқылының өндірушілері ретінде тез өсетін және аз уақыт ішінде көп мөлшерде сүт қышқылын түзетін гомоферментативті таяқша сүтқышқыл бактериялар – Lactobacillus delbrueckii, Lb. hulgaricus, Lb. leichmanii, Lb. casei штамдарын қолданады. Сүт қышқылы өндірісі үшін шикізат көзі ретінде меласса, минералды түздар, солод және жүгері экстрактысы қосылған қантталған картопты затор, жемісті сусындар өндірісінің қалдықтарын, сут сарысуын, сүттің және сүт сарысуының ультрафильтратын қолдануға болады. Бұл жағдайда ұйытқының құрамды бөлігі Streptococcus lactis бактериясы болып табылады. Ашу процесін біраз қышқылдандырьшған ортада 2-7 тәулік аралығыңда, 49-50°С температурада мерзімді дақылдау жағдайда жүргізеді, ал сүт қышқылын бөліп алу мен тазалау бірқатар қиыншылықтар туғызады. Сүт қышқылы нашар кристалданады және таза күйінде суды тез сіңіретін түссіз сироп түрінде болады (бұл көбінесе 65%-дық ерітінді күйінде кездеседі).

Жыл сайын микробиологиялық жолмен 20 мың тоннадан көп L (+)-сүт қышқылы өндіріледі. Сүт қышқылды ашу процесі арқылы көптеген сүт қышқылды өнімдер, май және ірімшік дайындалынады, сонымен бірге, орам жапырақты тұздауда, жемістерді консервілеуде, азықтық жемді сүрлеуде негізгі рөлді атқарады. Сүт қышқылды ашудың аралық өнімдері ортада бөгде микрофлораның өсуін тежейді, ферменттелінетін қоспаға жақсы органолептикалық қасиет беріп, адам мен жануарлар организміне пайдалы әсерін тигізеді.