«Өнеркәсіптік биотехнология негіздері» пәнінен ПӘннің ОҚУ-Әдістемелік кешені

«ӨНЕРКӘСІПТІК БИОТЕХНОЛОГИЯ НЕГІЗДЕРІ» пәнінен

ПӘННІҢ ОҚУ-ӘДІСТЕМЕЛІК КЕШЕНІ

5В070100 «Биотехнология»

Биотехнологияның даму тарихы негізгі бес этаптан тұрады:

1. 
   Пастерге дейінгі дәуір (1865ж дейін). Бұл кезеңде биотехнологиялық әдістермен сыра, шарап, ірімшік, нан, йогурт, айран, түрлі ферментті тағамдар алынды.
   
2. 
   Пастер дәуірі (1865-1940жж). Микроағзалар продуценттері анықталып, бұл этанол, бутанол, ацетон, глицерин, лимон қышқылы, көптеген вакциналар өндірісін құруға, аэробты микроағзалармен ағынды суларды биологиялық тазалау процестерін ұйымдастыруға мүмкіндік берді.
   
3. 
   Антибиотиктер дәуірі (1940-1960жж). Пенициллин, стрептомицин және т.б. антибиотиктер ашылып, жануар клеткасын культивирлеу технологиясы және вирусты вакцина алу, стероидты гормондар биотрансформациялау технологиясы қолға алынды.
   
4. 
   Антибиотиктен кейінгі дәуір (1960-1975жж). Аминқышқылын, мұнай парафиніндегі микробиологиялық белокты, жуғыш ұнтақта қолданылатын ферменттер алу технологиясы құрылды. Глюкозо-фруктозалы сироп алынатын ферменттерді иммобильдеу (тасымалдағаштарға бекіту) технологиясы зерттеле бастады. Ағынды суды аэробты тазалауға биогаз ала отырып қатты қалдықтарды анаэробты тазалау қосылды. Полисахаридтерді микробиологиялық әдіспен алу әдісі ашылды. Бұл дәуірде газ бөліну және жалпы автомобильге жанармай ретінде техникалық спиртке баса назар аударылды.
   

5. 
   Жаңа биотехнология дәуірі (1975ж кейін). Кезең микроағзалар геномын бағытты түрде өзгертіп, өсімдіктер мен жануарлардың геномынан алынған қасиеттерді тасымалдауға мүмкіндік беретін гендік инженерияны зерттеумен сипатталады. Бұл адам инсулині, интерферон, сомотропты және өсу гормондарының микробиологиялық технологиясын жасауға негіз болды.
   

Қарастырылған биотехнологиялық өндіріс негізі биотехнология көмегімен бүгінгі таңда өнімдердің мол санын алуға мүмкіндік беріп, қарқынды даму үстінде.

1. 
   Технология түрлері.
   
2. 
   Биотехнология деген не?
   
3. 
   Биотехнологиялық процестердің артықшылықтары.
   

• 
  Қайыннан (шикізаттан) үстел мен орындық (өнім) жасау;
  
• 
  Тас көмірден (шикізаттан) электр энергиясын (өнім) өндіру;
  
• 
  Табиғи газдан (шикізаттан) полиэтиленді пакеттер (өнім) алу;
  
• 
  Ауа мен табиғи газдан (шикізаттан) тынайтқыш – аммиакты селитра (өнім) алу;
  
• 
  Шөптен (шикізаттан) сүт (өнім) өндіру;
  
• 
  Қанттан спирт алу;
  
• 
  Қанттан дрожжиларды өндіру;
  
• 
  Сүттен (шикізаттан) кефир (өнім) өндіру. т.б.
  

Әдетте технология ұғымы екі бөлімнен құралады, ол 1-шісі «технология», 2-шісі – «өнім аты». Мысалы: Аммиакты селитра технологиясы, сүт технологиясы, дрожжилар технологиясы және т.б. Кейде ол «өнім өндіру технологиясы» деп те жазылады.

Физико-механикалық технология;

Химиялық технология;

Биотехнология.

Физико-механикалық технология. Атауына сәйкес мұндай технология қолданғанда бастапқы материал (шикізат) өнім өндіру процессі кезінде формасы мен агрегаттың қүйін ауыстырғанмен, өзінің химиялық құрамын өзгертпейді. Мысал ретінде ағаш жиһаздардың өндіру үшін ағашты өндеу, металды өндеу арқылы машина бөлшектерін өндіруді айтуға болады.

Химиялық технология. Өнімді химиялық технологиямен өндіру кезінде шикізаттын химиялық құрамы

Қарастырылған биотехнология өнімдері өзіндік биологиялық агенттері, шикізаты бар жекелеген технологиялар, өндіріс стадиясының саны және олардың технологиялық режимдері бойынша алынады. Соған қарамастан биотехнологиялық өндірістің жалпылама типтік сұлбасын ұсынуға болады.

Сұлба әрқайсысында шикізат белгілі бір технологиялық әсерлерден өтіп, ізінше күрделі жартылай өнімдерге айналып, соңғы өнім алынатын стадияларынан тұрады. Мұндай типтік сұлбаның жалпы көрінісі 3.1 суретте көрсетілген.

Биотехнологиялық стадия

Негізгі стадияға осы немесе басқа биологиялық агентті (микроағзалар, оқшауланған клеткалар, ферменттер немесе клеткалық органеллалар) қолдана отырып, шикізаттың осы немесе басқа өнімге айналуы жүретін өзіндік биотехнологиялық стадияға жатады. Биотехнологиялық стадияның негізгі мақсаты белгілі органикалық затты алу болып табылады.

Бірақ, биотехнологиялық стадия ережеге сай жаңа органикалық қосылыстардың синтезімен қоса, төмендегі көптеген биотехнологиялық процестерден тұрады (3.1 сурет).

Ферменттеу – микроағзаларды культивирлеу көмегімен жүзеге асырылатын процесс.

Биотрансформациялау – дайын ферменттерді немесе микроағзалар клеткаларының ферменттік белсенділігі әсерінен химиялық құрылымының өзгеру процесі. Бұл процесте микроағзалар клеткаларының жиналуы емес, заттың химиялық құрылымы аздап өзгереді. Негізінен дайын заттың биотрансформациялаудан химиялық өзгеруі жүреді: радикалдар, гидроксильды иондар қосылады немесе алынып тасталады, дегидрленеді және т.б. өтеді.

Биокатализ – биокатализатор – ферменттерді қолдану арқылы өтетін заттардың химиялық айналулары.

Биологиялық тотығу – аэробты жағдайда ластаушы заттардың микроағзалармен немесе микроағзалар ассоциациясымен пайдаланылуы.

Метанды ашу – анаэробты жағдайда метаногенді микроағзалар көмегімен органикалық қалдықтардың өңделуі.

Биокомпостау – ауаның еркін келуіне және біркелкі ылғалдануын қамтамасыз ететін арнайы борпылдақ құрылымы бар қатты қардықтар құрамындағы зиянды органикалық заттардың мөлшерін микроағзалар көмегімен төмендету.

Биосорбция – арнайы қатты тасымалдауыштарда бекітілген зиянды қоспалардың газдардан немесе сұйықтықтардан микроағзалармен сорбциялануы.

Бактериалды сілтісіздендіру – арнайы микроағзалар әсерінен зиянды қосылыстардың ыдырауы.

Қарапайым биотехнологиялық стадия шығатын ағын ретінде бір сұйықтық ағыны және бір газды ағыс, кейде бір-сұйықтықты ағыс болады. Егер процесс қатты фазада (мыс, сыранаң жетілуі немесе қалдықтарды биокомпостау), өңделген қатты өнім ағыны шығу ағысы болып табылады..

газ

Дайындық стадиялары биотехнологиялық стадияға қажетті шикізат түрлерін алдын ала жасау және дайындау үшін орындалады.

Дайындық стадиясында келесі процестер қолданылады.

Ортаны жасау, көбіне сұйық, биотехнологиялық стадияда қоректенуге қажетті компоненттерден тұрады.

Ортаны стерильдеу – бөгде микрофлора түсуі қажетсіз, ассептикалық биотехнологиялық процестер үшін жүргізіледі.

Газды дайындау және стерильдеу (ауаны). Биотехнологиялық процестердің өтуіне қолданады. Ауаны дайындау, оны шаң мен ылғалдан тазартудан, қажетті температураны қамтамасыз етуден және микроағзалардан, оның ішінде споралардан тазартудан тұрады.

Егінді материалдарды дайындау. Микробиологиялық процесті жүргізуге немесе өсімдіктер мен жануарлардың оқшауланған клеткаларын культивирлеу процестерін жүргізуге негізгі стадиямен салыстыруда алдын ала өсірілген аз мөлшердегі биологиялық агенттерден тұратын егінді материалды да дайындау қажет.

Биокатализаторды дайындау. Биотрансформация немесе биокатализ процестері үшін алдын ала биокатализатор немесе бос және тасымалдауышқа бекітілген фермент, немесе ферменттік белсенділігі көрінетін күйге дейін алдын ала өсірілген микроағзалар биомассалары дайындалады.

Шикізатты алдын ала өңдеу. Егер шикі зат өндіріске биотехнологиялық процесте қолдануға жарамайтын жағдайда түссе, шикізатты алдын ала өңдеу операциясы жүргізіледі. Мыс: спирт алуда бидайды алдымен ұнтақтаймыз, сосын «қанттандыру» ферментативтік процестерінен өткізіп, содан соң ғана қанттандырылған сусло биотехнологиялық стадияда ферментативтік жолмен спиртке айналады.

Басқа мысал – дрожжа алу үшін древесина қолданылады. Мұнда алдымен шикізатты ұнтақтап, қышқыл ортада 200⁰С дейін қыздырылады. Бұл қышқылдық гидролиз процесі нәтижесінде древесина глюкоза және лигнин ерітіндісіне айналады. Глюкоза ертіндісі (гидролизат) биотехнологиялық процесте азықтық дрожжилар алуға қолданылады.

Көбінесе алынатын өнім биомассаның өзінде немесе сұйықтықта болады. Екі жағдайда да 2 фазаға бөлу қажет болады.

Биомасса мен сұйықтық қасиетіне байланысты бұл мақсатта түрлі процестер қолданылады.

Тұндыру – гравитациялық күш әсерінен бөлу (ағынды суды тазалауда).

Фильтрлеу – қатты фаза бөлшектері – биомасса ұсталынатын фильтрлеуші материал арқылы суспензияны өткізу.

Бұл әдіс антибиотиктер өндірісінде, көбінесе микроағза продуценті мицелиалды сипатта болғанда қоданылады.

Бұл стадияның өнімдердің клеткаішілік немесе клеткадан тыс болуына байланысты ерекшеліктері бар.

Клеткаішілік өнімдер үшін, клеткалық қабықшаны бұзуды қажет ететін әдістер:

Клеткалық дезинтеграциялану. Бұл процесс физикалық әдіспен (мұздату және тығыздату, ультрадыбыспен әсер ету, декомпрессия әсерімен жүзеге асырылады.

Гидролиз – клетка қабықтарының химиялық реагент немесе температура әсерінен бұзылуы.

Ферментолиз – клетка қабығының жоғарғы температуралы ферменттер әсерімен ыдырауы.

Автолиз – клетканың өзіндік ферменттері қолданылатын ферментолиз процесінің түрі.

Алдын ала клетканы бұзу операцияларынан кейін өнімді ерітіндіден алу үшін клеткаішілік және клеткадан тыс өнімдерге ортақ болып табылатын әдістер жүзеге асырылады:

Өнімді бөлу стадиясында маңызды нәрсе – аздаған қоспалары болса да, негізгі бөлігін алу. Мұнда тазаланбаған өнім болады. Сондықтан жоғары кондициялы биоөнім алған жағдайда, өнімді тазалау стадиясын қосады. Бұл стадияның мақсаты – максималды таза қоспаларсыз өнім алу.

Бұл мәселе түрлі процестер көмегімен шешіледі, яғни бұл экстракция және экстрагирлеу, адсорбция, ионды алмасу, ультрафильтрация және қайтымды осмос, ректификация және ферментолиз. Сонымен қоса келесі процестер де қолданылады:

Хроматография – адсорбция тәрізді процесс. Қатты сорбентте еріген бір емес, құрылымы ұқсас заттар жиналады. Мыс: ақуыздар, нуклеотидтер, қанттар, антибиотиктер қоспалары. Адсорбция кезінде олар бірінен соң бірі шығатын болғандықтан, оларды бөліп, бір-бірінен ажыратуға болады.

Диализ – жартылайөткізгіш арқылы төменмолекулалы заттар өтіп, жоғарымолекулалылар ұсталынып қалатын процесс. Диализ көмегімен вакциналар мен ферменттер тұздардан және төменмолекулалы еритін қоспалардан тазартылады.

Кристализация - бұл процесс заттардың түрлі температурада әртүрлі ерігіштігіне негізделген. Баяу салқындату негізделген өнім ертіндісімен тазалылығы өте жоғары кристалдар қалыптастыруға мүмкіндік береді. Барлық «лас» заттар негізгі ертінділерде қалады. Осындай жолмен, мыс: пенициллин кристалдарын алады.

Егер осы кристалдарды суда немесе еріткіште ерітіп, қайта кристалдағанда, одан да таза өнім алуға болады (яғни қайта кристалдандыру процесі).

Өнімді тазалаған соң ол ертіндіде азда болса қоспалар концентрациясынан тұрады. Ары қарай оның концентрленуін қамтамасыз ету керек.

Сонымен қатар, негізделген өнімнің концентрациясын биотехнологиялық стадиядан өнімнің дайын түріне келгенше қаншалықты өзгеретінін қарастыру қажет. Биотехнологиялық стадиядан соң, суспензия құрамында негізделген өнім 0,1-1%, биомассаны бөлу стадиясынан соң 0,1-2%, жеке бөліп алған соң 1-10%, тазалағаннан соң 50-80%, ал соңында концентрлеуден соң 90-100%.

Концентрлеу стадиясында ертіндіден еріткішті «сығуды» қамтамассыз ететін мынандай процесстер қолданылады: буландыру, кептіру, тұндыру, алынған кристалдарды фильтрациямен кристалдандыру, ультрафильтрация және гиперфильтрация немесе нанофильтрация.

Өндірістің соңғы стадиясында өнім ұсақтау (ұнтақтан немесе ерітіндіден гранулалар қалыптастыру), дражелеу, таблеткалау (драже, таблетка жасау), құю немесе буып-түю, ампулалау (ампулаларға ыдыстау) процестері жүргізілгендіктен тауарлық формаға ие болады.

Ағынды суларды және қалдықтарды тазалау – бүгінгі таңда экологиялық нашар уақытта шешілуі қажет, маңызды мәселе болып табылады. Негізінен бұл процесс - өзіндік дайындау стадиясынан, биотехнологиялық стадиядан, активті клеткалар биомассасын тұнбаға түсіру стадиясынан және ағынды суларды қосымша тазалау мен тұнбалық қалдығын өңдеу стадиясынан тұратын жеке биотехнологиялық өндіріс. Тазаланған су кей жағдайда негізгі өндіріске қайтарылады. Осы әдіспен, мыс: мұнай парафинінен азықтық белок алу қалдықсыз технологиясы ұйымдастырылған.

№ 5 дәріс

Биотехнологияның әртүрлі өнімдері түсі, дәмі, иісі немесе химиялық құрамымен ғана емес, типтік технологиялық схемадағы орны бойынша ажыратылады.

1. 
   Өнім ретінде ферментация стадиясының газдары саналады. Мыс: спирт өндірісіндегі көміртегінің диоксиді, метанды ашу жолымен қалдықтарды өңдеу кезіндегі биогаз, фототрофтарды культивирлеудегі сутегі. Ерекше жағдай – арнайы биофильтрден өткен тазаланған газ.
   
2. 
   Өнім – ферментациялау ортасы: микроорганизмдері бар культуральдық сұйықтық (мыс: кефир, йогурт) немесе қатты субстрат (мыс: ірімшік немесе ашытқымен ферменттелген шұжық).
   
3. 
   Буландырылған немесе кептірілген культуральдық сұйықтық концентраты. Бұл жолмен азықтық лизин немесе азықтық антибиотик алынады.
   
4. 
   Культуральдық сұйықтықтан биомассаны бөліп алғаннан кейінгі сұйықтық. Ол бөліну әдісіне байланысты – мөлдірлетілген, тұнба астылық, нативті ерітінді, фильтрат, фугат, пермиат немесе супернатант деп аталынады. Мұндай сұйықтық дайын өнім болып табылады, мыс: сыра, шарап, квас.
   
5. 
   Буландыру, кептіру немесе ультрафильтрация көмегімен алынған сұйықтық концентраты.
   
6. 
   Инактивтелген биомасса (соңғы стадияда жылу стерилизациядан өтетін азықтық дрожжилар).
   
7. 
   Биопрепарат – микроорганизмдердің тіршілікке қабілетті биомассасы (пісіруге қолданылатын дрожжилар, өсімдіктерді қорғауға арналған бактериалды заттар, мұнай ластаушының биодеструкторлары, бактериалды тыңайтқыштар, силосты ашытқылар және т.б.).
   

8. 
   Микроорганизмдердің әлсіретілген биомассасы. Мыс: патогенділігін төмендету үшін патогенді микроорганизмдер клеткаларын жылулық әсерімен немесе химиялық реагенттермен өнделген тірі вакциналар.
   
9. 
   Клеткаішілік биопродукт – тез қайнайтын сұйықтық. Мыс: ортадан айдау немесе ректификация жолымен алынған – этанол.
   
10. 
    Клеткаішілік биопродукт – қатты зат немесе культуральдық сұйықтықта ертілген жоғары қайнатылатын сұйықтық. Биопродукт түрлі тазалау деңгейін қажет етеді (қолданылуына байланысты). Мыс: көптеген медициналық антибиотиктер, таза тағамдық немесе медициналық амин қышқылдар, лимон қышқылы.
    
11. 
    Клеткаішілік өнім (түрлі тазалық деңгейіндегі) – көптеген антибиотиктер, витаминдер, нуклеотидтер.
    
12. 
    Өнделген микроорганизмдер биомассасы. Мыс: дәмдік қосылғыштар немесе жануарларға қорек көзі ретінде қолданылатын гидролизаттар мен ферментолизаттар; микроорганизмдер ыдырағаннан кейін алынатын және тағамдық сұйықтықтарды, шырын, шараптарды тазалауға сорбент ретінде қолданылатын клетка қабықшалары.
    
13. 
    Ластаушылардан тазартылған сұйықтық ағыны – ағынды суды тазалағанда пайда болады.
    
14. 
    Ластаушылардан тазартылған қатты орта – мыс: мұнай ластаушыларынан микробиологиялық тазаланған топырақ.
    
15. 
    Қатты ортадан компоненттермен экстрагирленген (сілтісіздендірілген) сұйық орта (культуральдық сұйықтық). Мыс: кен құрамынан бактериалды сілтісіздердіру, көмірді және мұнайды микробиологиялық күкіртсіздендіру.
    
16. 
    Микроорганизмдермен бөлінген газбен өз көлемін ұлғайтқан ферментациялау ортасы (көбіне, жартылай қатты). Мыс: нан, ірімшік.
    

Жоғарыда аталған түрлі өнімдердің блок-схемаларының бірнеше мысалдарын қарастырсақ. Блок-схема өнім алудағы технологиялық стадиялардың бірізділігін көрсетеді.

3.2 суретте биогаз өндірісінің блок-схемасы көрсетілген. Бұл 3.1 суреттегі жалпы типтік схемадан айтарлықтай қысқарақ.

Бұл өндірістік типтік схемада дайындық стадиялары, метанды ашу стадиясы, концентрлеу стадиясы ретінде кептіру бар. Биогаздың компримирлеуін оның дайын түрін жасау ретінде қарастыруға болады.

тыңайтқыш

Йогурт өндірісінде (3.3) екі дайындық стадиясы бар, бірі биотехнологиялық стадия және ыдыстау стадиясы, бұл өнімнің дайын формасына келуін сипаттайды.

Ортаны дайындау

Азықтық лизин өндірісі біршама күрделі. Дайындық стадиясы егінді материалды алумен қоса күрделі компонентті ортаны дайындау, оны стерильдеу, компримирлеу және ауаны стерильдеу стадияларынан тұрады. Концентрациялау 2 стадиядан тұрады: ферментация стадиясында пайда болатын культуральдық сұйықтықты вакуумда кептіріп, содан кейін ғана бүріккіш кептіргіште кептіреді. Сонымен бірге кептіру алдында кебек қосу арқылы гранулдеу, сосын ленталы кептіргіште кептіру модификацияланған технология болып табылады.

Шарап өндірісінде (3.5сурет) алдымен биомассаны бөлу – фильтрлеу жүргізіледі.

Клеткаішілік техникалық ферменттер өндірісі ассептикалық ферментация үшін көптеген дайындық операцияларынан, биомассаны бөлу, ферментті ультрафильтрациямен бөлу және 2 өнім үшін екі кептіру стадиясынан: фермент үшін жұмсақтау және азықтық өнім ретінде қолданылатын микроорганизмдер биомассасы үшін қаттырақ стадиялардан тұрады.

Жоғарыда ферментация процесінде оқшауланған клеткалар немесе микроағзалардың биохимиялық әрекет етуін қолдана отырып, бастапқа шикізаттың өзгеруі жүретіні айтылды.

Практика жүзінде культивирлеу микроағзаларды өсіру, «биосинтез» терминін «ферментация» сөзінің синонимі ретінде қарстыруға болады.

Ферментацияның биокатализ процесінен (мұнда алынған фермент немесе микроағзалар биомассасы бастапқы шикізаттан немесе реагенттен өнімнің биохимиялық синтезделу процесінің катализаторы ретінде қоданылады) және биотрансформация процесінен (мұнда фермент және микроорганизмдер биомассасы түріндегі биокатализатор қолданылады, бірақ бастапқы зат химиялық құрылымы бойынша биотрансформация өнімінен айырмашылығы аз) айырмашылығын білу керек.

1. 
   Алынатын өнім микроорганизмдер биомассасының өзі болып табылатын ферментация, бұл процестер көбіне «культивирлеу», «өсіру» деп аталады.
   
2. 
   Негізделген өнім биомасса емес, метаболизм өнімдері – клеткадантыс немесе клеткаішілік; мұндай процестер биосинтез процестері деп аталады.
   
3. 
   Ферментация мақсаты бастапқы ортаның белгілі компонентін жою болып табылады; мұндай процестерге биототығу, метанды ашу, биокомпостау және биодеградация.
   

1. 
   Агарлы ортада, астық дәнінде беттік (қатты фазада) ферментациялау, культивирлеу (ірімшік және шұжық өндірісі, биокомпостау);
   
2. 
   Тереңдік (сұйық фазада) ферментациялау, мұнда қажеттілігі бойынша ауа мен басқа газдар үрленетін сұйық қоректік ортада микроорганизмдер биомассасы суспензирленген.
   
3. 
   Газды фазалы ферментация, процесс қатты тасымалдағыштарға бекітілген микроағзаларда өтеді; бірақ тасымалдағыш бөліктері қоректік ортаның аэрозольімен қанықтырылған газ ағанында болады. Бұл әдіс сирек қолданылады, негізінен газды зиянды қоспалардан тазартуға пайдаланылады.
   

Шартты ассептикалық ферментацияда негізінен әрекеттесуге қабілетті немесе мөлшері бойынша белгілі деңгейден аспайтын бөгде микрофлора болады.

1. 
   мерзімді;
   
2. 
   үздіксіз;
   
3. 
   моноциклді;
   
4. 
   алынбалы-құйылымды;
   
5. 
   субстратты қосымша қоректендіретін мерзімді;
   
6. 
   субстратты қосымша қоректендіретін жартылай үздіксіз.
   

Ферментация процестерін игеру ең алдымен зертханалық жағдайда колбалардан, содан соң көлемі 1 – 10 л масштабтағы зертханалық ферментерда, әрі қарай сынақ 50, 100, 100 және одан да үлкен көлемді тәжірибелік қондырғыларда жүргізіледі. Өнеркәсіптік құрылғылардың көлемі өнім түріне және оған деген қажеттіліктерге байланысты болады. Мұнда мәселе ондаған – 10, 20, 50, 60, 100 м³ жөнінде қозғалады, жекелеген аппараттардың көлемі 1000 м³ жоғары (азықтық, дрожжыларды алуда) болады.

Әдетте, түрлі масштабтағы аппараттарда біркелкі микроағзалар мен құрамы бірдей қоректік орталарды қолданады. Литр, текше метр, милилитр – көлем бірлігіне есептегенде – алынатан өнім мөлшері бірдей немесе әртүрлі масштабтағы аппараттарда бірдей мәнге жуықтайды. Алайда, бұндай болжамдар шындығында олай емес. Керісінше, әртүрлі масштабтағы және құрылымды аппараттардағы процесс нәтижелері арасындағы айырмашылық жиі, кей жағдайда бірнеше рет ьайқалады. Оған сәйкес өндірістік тәжірибеде масштабтау мәселесі туындайды.

Масштабтау – бір өлшемді (немесе құрылымды) жабдықтардағы өткен процестің басқа өлшемді немесе басқа құрылымды аппараттарда алынған нәтижесі.

Масштабтау, мысалы, Джонатан Скифтің "Гулливердің саяхаты" кітабында келтірілген. Гулливер ергежейлі адамдарға тұтқынға түсіп қалады және оларда Гулливерді тамақтандыру мәселесі туындайды. Олардың масштабтау жөніндегі маманы масштабтауға өту критериін ойлап тапты: Гулливерге 1728 ергежейлі адамдардың тағамын береді. Бұл санның шығу мәнісі мынада: Гулливер ергежейлі адамдарға қарағанда 12 есе ірі (бойының ұзындығы бойынша) болған, яғни көлемі және массасы бойынша Гулливер мен ергежейлі адамдар арасындағы қатынас: 12³ : 1 = 1728 тең.

Масштабтау сәтті өткен: Гулливер көптеген түрлі барырлық әркеттер жасап, тұтқыннан босап шыққан.

Екінші бір мысал масштабтау принципі тек массасы бойынша ғана қолданылады. АҚШ-тағы биологиялық зертхана ЛДС препататының түрлі жануарларға әсеріне сынақ жүргізген. Әдетте, дәрілік заттар мен сынақты алдымен ұсақ жануарларда (тышқан, мысық, қоян), содан соң ірі жануарлар, тіпті адамдарда жүргізеді, таңдау кезінде дозировка дене массасынан бөлініп шығады. ЛДС препараттарын мысықтарға өткізіп оны салмақтары бойынша 30000 есе айырмашылықтары бар пілге салған. Нітиже күткеннен әлде қайда жақсы болып шықты. Піл теңселіп, құлап түскен, содан маштабтау мәселесі бірмәнді екенін көруге болады.

Ферментация процесіне қайта оралайық. Культуральдық сұйықтық массаларының ара қатынасы 63 м³ көлеммен (сұйықтық көлемі 75 м³ 450000:1 қатынасына тең – тіпті мысық, піл арақатынасынан да үлкен.

«Төменнен жоғары қарай» және «жоғардан төменге қарай» маштаптау. Әдетте «төменнен жоғары қарай» маштаптау жүзеге асырылады. Лабораториялық жағдайда алынған нәтижелерді үлкен көлемді аппаратқа маштаптау үшін таңдалып алынған барлық критерилерді жүзеге асыру үшін ауыстырылады.

Әлемдік әдебиетте бұл маштаптау ұғымын «Scale – up» териміні білдіреді.

Бұл көбінесе сәтті нәтижелерге жеткізе бермейді, себебі, әдетте, өндірістік аппаратурада кіші маштапты аппарат шарытына ұқсас гидродинамикалық және масса – берілу шартын құру мүмкіндігі жоқ.

Осыдан қабандардан алынған өндіру рекорды көп тиімді емес, ал ғылыми қызметкерлердің өндіріс алдындағы дұрыс есеп беруі үшін ғана қажет.

Әлде қайда тиімдісі «жоғардан төмен қарай» маштаптауды қолдану. Осыдан өнеркәсіпте бар өндірістік аппаратураға тез арада бейімделеді. Бұл аппараттарды массаберлеу сипаттамасы және басқа маштаптау критерилер есібінде меңзеледі және өндірістік аппараттардағы зертханалық шарттарды критерий арқылы қуады. Сәйкесінше колбалардағы процесті Қ_Ла – ның қажетті мәнде (яғни қоршаған ортаға белгілі көлемде) анықталады.

Дегенмен, мұндай қондырғылардағы нәтижелер лабораториялық қондырғыда максималды дәрежеде аман шығуға ұмтылу арқылы алуға болатын техникалық – экономикалық көрсеткіштерге қарағанда нашар болады.

Алынған нәтижелер еш қиындықсыз өндірістік аппараттарға ауыстырылады. Өндірістегі техникалық процестің ең соңғы көрсеткіштері аса нашар емес, алкөбінесе ол «Scale – up» типімен маштаптаудан әлдеқайда жақсы.
Дәріс 8

Биокатализ және биотрансформация

12.1 Негізгі ұғымдар

Биокатолиз және биотрансформация – микроағзалардың жасушасына өсімдіктер мен жануарлар жасушасында таза күйінде қолданылатын фермент – катализаторы әсерінен бір немесе бірнеше заттардың химиялық айналулары жүретін процесс екендігі жөнінде айтылып кеткен.

Осыдан биотрансформация – бұл фермент әсерінен негізінде қалыптасқан химиялық қосылыстардың салыстырмалы химиялық айналымдары. Биокатолизде ферменттер әсерінен құрлымдары әртүрлі реогент немесе күрделі заттардың ыдырауынан жаңа заттардың синтезделуі.

Техникалық маңызды биотрансформацияның негізгі топтарын қарастырайық:

• 
  Зат молекуласының түрлі позицияларының гидроксильденуі (ОН гидроксильдік тобын қосу);
  
• 
  Сол және басқа орынға қос байланыты енгізу;
  
• 
  Тармақталған молекулалардағы бүйірлік тізбектердің ыдырауы;
  
• 
  Сприр молекуласының кетондарға дейін тотығуы;
  
• 
  Дегидрлену;
  
• 
  Изомерлену;
  
• 
  Хош иістену (ароматты көміртек радикалдарының пайда болуы);
  

• 
  Тотығу және қайта қалпына келу;
  
• 
  Химиялық функционалдық топтардың бір молекуладан басқаларына тасымалдануы;
  
• 
  Гидролиз;
  
• 
  Қос байланысты реакция (түзілу немесе керісінше оларға химиялық топтардың қосылуы;
  
• 
  Изомерлену немесе бір молекула деңгейінде құрылымның өзгеруі;
  
• 
  Күрделі қосылыстар синтезі (заңды түрде, энергиялық шығынды талап етеді)
  

Фермент табиғилығы ферментативті реакциялар кинетикасына шешуші әсер етеді.

Жалпы жағдайда бұл кинетика келесідей құрылымдық схемамен көрсетіледі:

S₁ субстрат үшін

S₁ және S₂ екі субстрат үшін ;

2 жағдайда да субстрантың өнімге айналу реакциясы ферменттің субстранпен әсерлесуінің аралық стадиясы және фермент – субстратты комплекс түзілуі арқылы өтеді.

фермент молекуласы - өте ұзақ оралған ақуыз, оның үстіне ғажайып формалы кеңістік серпімді будақ түрінде орналған (12.1. сурет).

Ақуыздардың сипаты мен ретсіздігі кездейсоқ жағдай емес, олар фермент молекуласында амин қышқылдарының қатаң реттелуіне себепші. Бұл құрылымда субстарат молекуланың белгіленген формасы оңай тартылатын бөліктері бар.

Бұл қажетті субстрат немесе субстрат молекуласының жылдам өзінің жайлы «төсегін» тауып, тез қажетті реакцияға реакция өткеннен соң секіріп түсуіне мүмкіндік беретін «кілт – құлып» секілді.

Ферменттер қатынасындағы реакция жылдамдығы ферментолиз жүретін реакция жылдамдығына қарағанда 10 милд есе жылдам екендігі дәлелденген. Міне сондықтан ферменттер олардың қатысынсыз жүрмейтін көптеген процестерді оңай жүзеге асырады, міне, атмосфералық азоттың сумен әсерлесіп, аминоний қосылыстарының түзілуі.

қорыта келе биокатолиз процесінің химиялық процестермен салыстырғанда артықшылықтары мен кемшіліктері.

1. 
   Ферменттердің каталитикалық белсенділігі жоғары спецификалық және бір реакция типімен шнктеледі, сондықтан қосымша реакциялар болмайды.
   
2. 
   Ферменттер бастапқы молекулаға тез шабуылдайды және бірнеше көмекші көп сатылы химиялық синтезді талап ететін айналуды жылдам жүзеге асырады.
   
3. 
   Заттардың химиялық қайта түзілуі қарапайымдарнады – көп сатылы синтез орнына бір сатылы немесе екі сатылы синтез қолданылады.
   
4. 
   Ферментті реакциялар жоғары жылдамдықпен қолайлы (тиімді) жағдайда өтеді.
   

1. 
   Таза өнім алу үшін таза фермент қажет, ал оны балу (таза ферментті) өте қиындыққа түседі.
   
2. 
   Реактордан шығарылған өнімде оған әрі қарай әсер етуін жалғастыратын ферменттер сақталып қалады.
   
3. 
   Қымбат тұратын фермент тек бір-ақ рет қолдануға жарайды.
   
4. 
   Бос ферменттер жылдам иноктивтеледі (яғни бұзылады).
   
5. 
   Үздіксіз ферментация процесінде өздігінен түзіліп, биалоссадан айырмашылығы, үздіксіз процесте фермент ол өнім реакция кезінде жауылып кететіндіктен, әр уақытта енгізіп отыру қажет.
   

№ 9 лекция

Бос ферменттерді қолдану процесінде бұрын да айтылған кемшіліктердің алдын алу үшін ферменттердің аппаратта ұсталып, қалуын немесе процесс аяқтаған соң реакциялық сұйықтықтан жылдам бөліну әдістерін ойластыру қажет.

Біріншісі, сұрастырылатын ол ферменттердің ультрафильтрлеу көмегімен бөліну, мысаға, биотрансформация процесін ультрафильтрлік шығарушы иондульмен келтіруге болады.

Реакциялық сұйықтық өнім шығуына кедергі келтірмей, ферменттерді ұстап қавлатын ультрафильтрлеу модулі арқылы айналып жасайды. Нәтижесінде үнемі үстіне фермент үстемелеуді талап ететін үздіксіз процесс алынады.

Бұл әдістің де өз кемшілігі бар:

• 
  Мембраналық қондырғылар жиі қатардан шығып қалып отырады және осы қондырғыларды қолданудан ферменттің бір бөлігі «секіріп түседі», ал бір бөлігі мембранада тұрып қалады да фильтрлеуді нашарлатып, ферменттердің қайтымсыз жоғалуына алып келеді.
  
• 
  Көптеген ферменттер бос күйінде (сұйықтықта ерітілген немесе омменген коллоидты бөліктер түрінде) жылдам инактивтеуге ұшырайды, сондықтан фермент көпке дейін қызымет ете алмайды және құндылығы жоғары дәрежеде сақталатын жаңа ферментті шығындауды қамтамасыз етеді.
  

1950 жылдың ортасында кейіннен матрицаға бекітілген фермент деп аталған «епітілмеген немесе матрицаға бекітілген немсе байланысқан» ферменттерді шығару туралы тамаша ой туды (бұл ойдың тууы мен жүзеге асуында бұрынғы біз президенттер саясаткер, құрмет иегерлері және заңгерлер болатындығына үйретіп алғанбыз. Бірақ бұл адам өзін сайлағанға дейін биохимиялық – ғылым болған, президенттікке келген соң да ғылымға қайта оралып, өзінің соңғы өміріне дейін (1995 ж) Пель – Авивтегі биотехникалық институтты басқарған.

Қатты көз жеткізбей – ақ , бұл әдістің ең қолайлы, ыңғайлы екендігін көруге болады. Біріншіден, осындай иммобильден ферментті туады. Екіншіден, бекітілген фермент, егіген күйдегі ферменттерге қарағанда ұсақ уақыт бойы белсенді түрде сақталады.

1. Тасымалдаушыға адсорбциялау (12.5 сурет ) тасымалдауштар ретінде бейорганикалық материалдар ( шыны, силиколь, беннит, алюминий окциді, титан диоксиді, т.б.), табиғи палимерлер ( нейлан, палиэтилен, палипропмилен ) қолданылады.

2. Агар-агар, альгинат, қаралинан ( желе тәрізді ) гельдерге енгізеді. (12.6 сурет ) фермент молекуламалары саңлауларында орналасады. Гельді өнім және субстрат молекуласына малекулярлық диффузия рекциясы есебінде өткіземіз.

3. Тасымалдауыштармен ковалентті байланысу. Бұл жағдайда тасымалдауыш ретінде түрлі жерлерінде жерлерінде фермент молекуласымен химиялық ковалентті байланыс арқылы байланысқан полимерлі материал қолданылады.

4. Бифункциялық реагенттер көмегімен фермент молекуласын көлденең тігу. Белгілі реолгенттер көмегімен бір-бірімен әр түрлі бөліктер арқылы қосылып , ертіндіде еркін қозғалатын фермент молекуласы (12.8 сурет ) ферменттердің активті молекулаларын қосатын және олардың оралғандағы едәуір көлемді кеңестік болатын , сондай-ақ өніммен субстрат молекуласының диффузиялық реакциясына ыңғайлы кеңестіктік құрлым түзіледі.

5. Тасымалдауышқа жалғастыра отырып, көлденеңнен, тігу адсорбициясы. Бұл әдіс өзіне 1 және 4 әдістерді қосады. Қарапайым адсорбциямен салыстырғанда мұнда тасымалдауышта субстрат және өнім үшін жеткілікті фермент молекуласының әлде қайда терең қабат алынады. Ал қарапайым « тігіумен» салыстырғанда ортада мықты қалқаны бар, әлдеқайда берік гранула (12.9 сурет ) .

6. Жартылай өткізгіш копсулаларға енгізу. (12.10 сурет ) капсула ішінде ферменттің коллойдты ертіндісі болады. Капсулалардың сырт пішіні берік болады, одан, фермент өте алмайды, бірақ субстрат пен өнім өсіп кетеді.

7. Фермент және полимер –тасымалдауыштардың сопалимерленуі Гельге енгізуге ұқсас, бірақ матрица жартылай функционалды реалгнт және фермент сопалммерленуі жолымен түзіледі. ( яғни фермент жасауша ішінде болып қана қоймай, онымен айқасып жатады) . Бұл әдіс 2 және 4 әдістердің бірігіуі болып есептеледі. Бұған мысал ретінде кең қолданылатын палиакриламид гелін айтуға болады. Мұнда реагент ретінде гмутар альдегиді қолданылады.

8. Физикалық араласу- фермент пен тасымалдауыш ұнтағының араласуы. Бұл әдіс әлде қайда қарапайым, бірақ аса сенімді емес. Ферменттер тасымалдауыштан қабыршықтанып, кілегейленіп түсуі мүмкін және ол осыдан кейін ертіндіге ауысады.

Иммобильденген ферменттердің және иммобильдеу әдісінің сапасын бағалау

Иммобильденген фермент ( биокатализаттар ) жұмысы –бұл бір өнер мұнда биокатализатор құрамына кіретін рецептура, температура режимі, РH-ы , иммобильденуді жүзеге асыратын араласу, бос фермент және монометр мен реагенттердің әсер етпейтін қалдықтарын жуып, бөлу әдістері кіреді.

Бұл процедура- оны технология деп атауға болады-фирмалардың қатаң қорғалатын жасырын құпиясы.

Иммобиьдеу әдісін бағалауда алынған биокатализаторға 3 түрлі сипаттама беріледі:

1. Иммобильдеу кезінде белсенділікті жоғалту. Иммобильдеуде көбінесе ферментке күш түседі. Мұны, әсіресе, иммобильдеу процесіне химиялық реагент және фермент

Дәріс № 10

Өнімдерді бөлу, бөліп шығару және концентрлеу әдістері
1Конценрлеу және бөлу әдістерінің сипаттамасы.

Қазіргі аналиткалық аспаптардың элементтер ізін анықтаудағы үлкен мүмкіндіктеріне қарамастан анықталатын микроэлементтердің концентрациясы берілген аналитикалық әдістің салыстырмалы табу шегінен аз болғанда, алдын-ала концентрлеуді қолданады. Ол – матрицаны бөгет жасайтын қоспаларды жоюға жағдай туғызады, үлкен өлшендіні талдау үшін пайдалануға мүмкін жасайды, қамақты татпа алуды жеңілдетеді. Концентрлеу нәтижесінде микроэлементтердің табу шегін бірнеше ретке елеулі кемітуге болады.

Концентрлеудің белгілі көптеген әдістерінің ішінен ең көп дамығандары және кең тарағандары экстракциялық, хромотографиялық, сорбциялық пен кейбір электрохимиялық әдістер.

Концентрлеу компоненттерді бөлумен және оларды әр түрлі фазаларға таратумен байланысты, сондықтан концентрлеу әдісін бөлу әдісі ретінде пайдалануға болады.

Бөлу әдістерін екі топқа ажыратамыз – физико-химиялық және химиялық.

Бірінші топқа кристалдау, қайнату (суалту), дистилдеу, экстракциялау, сорбция, хромотография; Екінші топқа – тұндыру, редокситұндыру, ұшқыш қосылыстардың түзілуі жатады.

Бөлудің физико-химиялық әдістерінде екі фаза болады, олардың арасында анализденетін қоспа компоненттері қайта бөлініп тұрады. Кейбір әдістерде алмасу тең бөлу үшін екі фазаны араластырады. Мұнда бөлу мөлшерлік түрде қажет, яғни бір компонент бір фазада, ал екінші екінші фазада болуы керек. Кристалдану және суалту әдістеріне анықталатын компонент қатты фазада болғаны дұрыс, себебі суалтқанда көбінесе буды жинап алу қиын, ал кристалдануды қоспадан таза заттарды алу үшін қолданылады.

Химиялық тәсілмен бөлгенде бір жүйеге екінші компонентті қосады. Химиялық реакция нәтижесінде екінші фаза түзіледі.

Концентрлеу әдісін таңдағанда, анализденетін зат табиғаты мен химиялық құрамын, барлық операциялардың ұзақтығын, құрал-жабдықтардың түгелдігін және әрі қарай өлшеу әдістерін жетекшілікке алады.

Топтық және жеке концентрлеу деп ажыратылады. Бірінші жағдайда бір операцияда бір топ компоненттер бөлініп шығарылады.Концентрлеу не негізін жайып, не микрокомпоненттерді бөліп шығарып жүзеге асырылады.

Әр түрлі элементтерді бөлу және бөліп шығару әдістеріндегі ең ескі тәсілдердің бірі тұндыру. Оның көмегімен периодтық жүйенің көптеген элементтері ашылды. Тұндыру әдістері сапалық анализдің негізгі әдістері болып табылады.

Тұндыру процесінде нашар еритін қосылыстың тұнбасы – қатты фаза түзіледі. Анықталатын компоненті ерігіштік көбейтіндісінің ережесіне сай фазалар аралығында бөлінеді. Тұндырып болғаннан кейінгі ерітіндідегі компоненттің рұқсат етілетін мөлшері 0,1%-дан аспауы керек, ал тұнбаға бөлінетін элементтің 0,1%-нан артығы өтпеуі керек.

Екі компонентті тұндыру әдісімен бөлу үшін екі тәсіл бар:

-          ерітіндіден тұнбаға анализденетін компонентті бөліп шығарады;

-          егер екі элемент қатты фазада болса, онда біреуін ерітіп, ерітіндіге өткізеді.

Сондай-ақ қиыстыру тәсілі де қолданылады: екі компонентте ерітіндіде болады, одан екеуі бірге тұнады, соңынан олардың біреуін ерітіндіге өткізеді, екіншісі тұнбада қалады.

Егер кедергі жасайтын компонент бірнеше болса төмендегі тәсілдердің біреуін таңдап алады:

-          селективті тұндырғыш көмегімен, анықталатын компонентті бөліп алады, кедергі жасаушы компоненттер ерітіндіде қалады;

-          топтық тұндырғыш таңдап алады, ол барлық кедергі жасаушы компоненттерді бөліп алуға мүмкіндік жасайды, анықталатын мен ерітіндіде қалады.

-          барлық элементтер бірге тұндырылады, одан соң анықталатын компонентті ерітіндіге өткізеді, кедергі жасаушылар тұнбада қалады.

Күрделі қоспалар болғанда әр түрлі варианттар және оларды қиыстыру қолданылады, сондай-ақ тұндыруды басқа әдістермен сәйкестендіреді. Тұндыру әдісімен заттарды бөлу дәрежесіне әсер ететін факторлар:

Тұндырылатын қосылыстың ерігіштігі;

Тұндырғыштың артық мөлшері;

Ерітінді рН-ы;

Комплекс түзушінің болуы;

ттш немесе тсш-тың болуы т.б.

Сонымен қатар жұмыс әдістемесінің тиімді жағдайын дәл сақтау қажет.

Қоса тұну – концентрлеу әдісі.

Берілген жағдайда өз бетінше тұнбаға түсе алмайтын бөгда иондарды тұнбаның (коллектор) қалуын қоса тұну дейміз. Қоса тұну кезінде микрокомпоненттің ерітінді мен түзілетін тұнба арасында бөлінуі пайда болады, мұнда бір мезгілде микро- және макроэлементтердің тұнбаның қатты фазасына өтуі жүзеге асады.

Заттың макрокомпоненттерімен микрокомпоненттер қоса тұнатын механизмдер белгілі: адсорбция, аралас немесе изоморфты аралас кристалдардың түзілуі, аралас тұну (окклюзия) механикалық ұстап қалу.

Қоса тұну кезінде түзілетін тұнбаға фазалар санын ескеру керек. Қоса тұнуды тек бір компонент тек бір компонент болғанда өткізеді, ал тәжірибеде көп компонентті тұндырулар кездеседі. Егер қоса тұну кезінде «ерітінді – тұнба» тепе-теңдігінде тек қана коллектор қатысатын болса, қоса тұну туралы тек бір ғана қатты фаза қатысады. Оның бетінде қоса тұнудың физико-химиялық және микрокомпонетті қайта бөлу процесі жүзеге асады.

Қоса тұнуда бірнеше қатты фаза қатысатын болса, бастапқы жүйеге коллекторды енгізгенде, химиялық процесс жүреді де, ол бірнеше фазаның түзілуіне алып келеді, оларды коллектордан бөліп аламыз.

Бөліп алу үшін флотация, седиментация, центрифуга, магнитті сепарация, селективті еріту, буландыру т.б. әдістер қолданылады.

Экстракция негізінде екі фаза арасында компонентті бөлу принципі жатыр. Экстракция процесі таңдамалы түрде сұйық немесе қатты заттар қоспасының бір немесе бірнеше компоненттерін органикалық еріткіштер көмегімен бөліп шығаруға мүмкіндік туғызады. Тәжірибеде сұйықтық экстракциясы, яғни екі араласпайтын сұйықтықтарда компоненттердің бөлініп таралуы жиі пайдаланылады.

Сулы және органикалық еріткіштерде компоненттердің ерігіштігі әр түрлі болуына байланысты бөлу және концентрлеу жүзеге асады. Мысалы, суда ерімейтін комплексті қосылыстар органикалық еріткіштерде жақсы ериді.

Органикалық еріткіштер ретінде экстракция процесінде хлороформ, бензол, диэтил эфирі, жоғары спирттер, көмірсулар, толуол т.б. қолданылады. Бұл еріткіштерде бейорганикалық тұздар (роданидтер, иодидтер, нитраттар), комплексті тұздар (оксихиналиттар, дитиокарбоминаттар, комплексонаттар), фосфор, молибден, вольфрам, кремний т.б. гетерополиқосылыстары жақсы ериді.

Бөлуді жүргізу үшін әуелі өлшендіні алдын-ала дайындайды (еріту, сұйылту, буферлеу, сәйкес реагенттерді қосу), барлық ерітінділерді немесе аликвотты бөлгіш воронкаға құйып экстрагент қосады, мұқият араластырып, фазалар бөліну үшін тұндырады да, оны бөлгіш воронканың краны арқылы бөледі.

Қажет болғанда экстракцияны қайталайды. Одан экстракцияланған элементтерді анықтайды.

Әр түрлі моекулалар мен иондарды аналитикалық анықтау мақсатында концентрлеу және бөлу үшін хромотографиялық әдіс үлкен қолдау тапты.

Хромотографияның негізін салушы М.С. Цвет. «Аралас ерітінді адсорбент бағана арқылы сүзгенде, пигменттер жеке әр түрлі боялған зона түрінде қабатқа бөлінетіндігін» бірінші болып көрсетті. Спектрдегі жарық сәулелері сияқты күрделі пигменттің әр түрлі компоненттері адсорбент бағанасында заңды түрде бірінен соң бірі таралып бөлінеді де сапалық және мөлшерліканализ жасауға мүмкіндік туады. Мұндай түрлі-түсті препаратты «хромотограмма», оған сәйкес анализ әдісін «хромотография» деп аталады. Хромотография әдіс биология, медицина, химиялық, мұнай химиялық, мұнай өңдейтін, газ, фармацевтика, өнеркәсібінде, халық шаруашылығының басқа салаларында ғылыми зерттеу және тәжірибелік жұмыстарда қолданылады. Қазіргі таңда ең көп тарағаны: адсорбциялық, ион алмастырғыш, тұндыру, таралу, тту-тсу хромоторгафия болып отыр.
Адсорбциялық хромотография.

Қатты ұнтақ тәріздес адсорбенттің қоспадағы жеке компоненттерді таңдап адсорбциялануына негізделген. Оны фронтальды, ығыстырып шығару және элюентті тәсілмен орындай аламыз.

Фронтальды тәсіл зерттелетін ерітінді хромотографиялық колонканың жоғары бөлігіне үздіксіз беріліп тұрады да сүзіндінің жеке фракциялары жинақталады, онда бөлінетін компоненттердің мөлшері анықталуына негізделген. Егер қоспада тек екі компонент болса, онда қоспаны өткізгенде колонкадан әуелі таза еріткіш, одан кейін колонка анализденетін ерітіндімен қаныққан соң аз сорбцияланатын компоненті бар ерітінді, ең соңынан екі компонентті де бар ерітінді ағын шығады. Фронтальды тәсілмен белгілі фракцияда таза түрінде тек аз сорбцияланатын компонентті алуға болады. Фронтальды тәсілмен зерттелетін қоспаны компоненттерге толық бөлуге мүмкіндік болмайды.
Ығыстырып шығару тәсілі. Колонкаға бірнеше компоненті бар анализденетін ерітіндінің аликвотасын енгізеді, сорбциялануы жақсы компоненттің көмегімен нашар сорбцияланатынын ығыстырып шығарады. Жақсы сорбцияланатын зат компоненттерді сорбциялануына байланысты талдап бірізді ығыстырып шығарады. Бұл компоненттердің бөліну толықтығы эксперимент жүргізу жағдайына байланысты.
Элюентті тәсіл. Сорбциялану қабілетіне байланысты колонкада әр түрлі таралатын, бірнеше компонентті анализденетін ерітіндінің порциясын колонкаға енгіземіз. Төменгі зонада нашар сорбцияланатын компонент болады. Содан кейін бірін-бірі бүркелемейтін компоненттер зонасы, одан соң келесі компонент зонасы орналасады т.с.с қайталана береді.

Таза еріткішпен сорбентті шаймалағанда компоненттердің ығыстыруына байланысты колонка бойлай қозғалуы басталады. Осының салдарынан компоненттер  бірізді элюирленеді (шаймаланады) сорбциялану қабілетінің кему ретімен, яғни әуелі А компоненті, кейін В. т.с.с шаймаланады. Соңынан жақсы элюирленетін компонент элюирленеді.

Компоненттерді фракция бойынша мөлшерлік анықтау негізінде әрбір компоненттің концентрациясының колнкадан ағын шыққан элюэнт көлеміне немесе температураға тәуелділік графигін сызамыз. Осы график бойынша компоненттердің бөліну дәрежесін анықтауға, сондай-ақ оларды мүмкіндігінше толық бөлу үшін қолайлы жағдай таңдап алады.

Бұл әдістің кемшілігі компоненттерді бөлу нәтижесінде олар сұйылтады, яғни элементтерді бұл тәсілмен концентрлеу мүмкін емес.

Хромотографияның бұл түрі анализденетін ерітіндідегі иондарды адсорбенттің құрамына кіретін иондарға қайтымды алмастыруға негізделген. Өз иондарын жылжымалы фаза иондарына алмастыра алатын мұндай сорбенттерді иониттер немесе ион алмастырғыштар деп аталады, олар өздерінің арналуының сәйкес компоненттерге және аниониттерге бөлінеді. Анализденетін ерітінді иондарының алмастыру қабілеті әр түрлі болуына байланысты хромотограммалар түзілуі асады.

Ион алмастырғыш хромотография әртүрлі ерітінділердің тең және ион компонентті анализін жасауға мүмкіндік беретін иондық хромотографтардың үлкен ассортиментінде тәжірибе жүзінде іске асу принципіне негізделген. Иондық хромотографтар ауыз суда, табиғи суда, өндірістің ағынды және қалдық суларында зиянды қоспаларды тез анықтай алады, бұл қоршаған ортаны қорғауда үлкен маңызға ие. Негізгі қызметі минералды тыңайтқыштарда анализ жасайтын иондық хромотографтардың атқаратын қызметі жан-жақты.

Элюэнтті тәсілде элюэнт ретінде элементтер ерітіндісін қолданады. Таза түрдегі компоненттерді алу үшін элюирлеуді жиі қышқыл ерітіндісімен немесе концентрациялары біртіндеп өсетін басқа затпен жүргізеді.

Ионитке тартқыштық тәжірибеде барлық иондарда әртүрлі. Мысалы, валенттілігі үлкен катиондар кішілеріне қарағанда жақсырақ сорбцияланады. Бірдей валентті иондардың сорбциялануының жуықталған заңдылығын сорбциялық қатардың бір ізділігімен көрсетуге болады:

Cs⁺ > Rb⁺ >K⁺ > NH⁴⁺ >Na⁺;

Ba²⁺ >Sr²⁺ >Ca²⁺ > Mg²⁺;

Zn²⁺ > Cu²⁺ >Ni²⁺ >Co²⁺;

Бұл қатар тұрақты емесе және жағдайға байланысты өзгередіғ яғни сорбенттің табиғатына, хромотографияланатын иондарға, элюенттерге және т.б. тәуелді.
Тұндыру хромотографиясы.

Бұл хромотграфияның түрін ең алғаш 1948 жылы Е.Н. Гапон және Т.Б. Гапон ұсынған.

Тұндыру хромотографиясы иониттің құрамына кіретін тұндырғышпен немесе тұндырғыш пен жасушаның қоспасымен хромотографияланатын заттың әрекеттесуіне негізделген.

Нашар еритін қосылыстарды бірінен соң бірін (фракциялап) тұндыру арқылы бөлуге болады.

Анализ жүргізгенде зерттелетін ерітінді, анализденетін ерітінді иондарымен нашар еритін қосылыстар түзетін иондармен толтырылған хромотографиялық колонка арқылы өткізеді. Тұнбалар осы қосылыстардың ерігіштігінің өсу ретіне қарай түзіледі. Алынатын хромотограмма әр түрлі боялған заттардан құрала алады.

Анализденетін иондарға енжар (индиферентті) беті жақсы жетілген нашар еритін зат тасушы бола алады. Иондық тасушылар ретінде силикагель, крахмал, алюминий оксиді, кварц, асбест, шыны ұнтақ, барий сульфаты қолданылады. Басқа да бейтарап тасушылар, сондай-ақ иониттер де пайдаланылады.

Хромотограмма таза еріткішпен жуғанда колонкадағы анализденетін иондардың бөлінуі жақсарады, зоналар оқшауланып, ал шекаралардың бөлінуі сонша жақсы болады. Тұнбалар колонканың барлық биіктігін байлай, төменгі шегі айқын көрінетіндей бірқалыпты таралады. Әрбір элемент түзетін зонаның биіктігі бойынша мөлшерлік анализ жасай аламыз.

Тұндыру хромотографиясының қағаздық тәсілінде тығыздығы орташа сүзгі қағаздың дөңгелектері немесе тілкемдері қолданылады. Анализ жасау үшін тәжірибе арқылы шамасы анықталатын белгілі концентрациядағы тұндырғыш ерітіндісіне бірнеше минутқа қағазды салады, содан соң оны ауада кептіреді.

Дайындалған қағазға зерттелетін ерітінді тамшылатып тамызады, .Қосылыстардың ерігіштігі әртүрлі болуына байланысты тұнбалар тамшы орталығынан жылжып, сақина тәріздес орналасады. Хромотограмманы 2-3 тамшы еріткішпен жуады, оны хромотограмманың орталығына тамызады. Бұл еріткіш орталықтан шетке қарай жылжиды да тұнба зоналарының бөлінуін күшейтеді.

Көптеген жағдайларда түссіз тұнбалар түзілді, сондықтан оларды теңестіру (идентификациялау) үшін қажетті айқындауыш пайдаланылады.

Екі араласпайтын сұйықтықтар арасында заттардың таралуына негізделген, бұлар экстракция заңдылықтарына негізделген.

Таралу хромотографиясы колонкалық, қағаздың және жұқа қабатты тәсілдермен орындалады. Барлық жағдайда заттың таралуы үздіксіз тасушы кеуектерінде жүреді.

Қағадың хромотография таралу хромотграфиясы тәсілдерінің бірі, онда қозғалмайтын фазаның ұстаушысы бірнеше сыртты хромотграфиялық қағаз болып табылады: № 1,2,3,4 бұларға жылжымалы сұйық фазаның жылдамдығы байланысты. Қозғалмайтын сұйық фаза ретін кеуектерде адсорбцияланған су орындайды. Жылжымалы сұйық фазаның олармен жылжу жылдамдығына байланысты №1 және №2 қағаздар «тез» деп, ал №3, 4 – «жай» деп аталады.

Адсорбцияланған су осы қағаздың кеуектерінде берік ұсталып тұрады (20% ылғалдылыққа дейін).

Зерттелетін ерітінді хромотографиялық қағазға тамызады, органикалық еріткіші бар тиісті камераға салып хромотограмма түзілетіндей белгілі ұстайды да шығарып алып өңдейді.Хромотографияның қағаздың жылжымалы еріткішпен жанасу процесінде қағазға тамызылған анализденетін компоненттер жылжымалы фазаға өтеді және таралу коэффициентіне байланысты қағаздың капиллярлары арқылы қозғалады. Сонымен, олар бөлінеді.

Таралу хромотграфиясының қағаздық тәсілінің келесі варианттары – бір өлшемді және екі өлшемді (көтерілетін және түсетін), шеңберлі және электрофоректикалы бар.

Бір өлшемді вариантта ені 4,5 –5,0 см, ұзындығы 30-50 смтілкемдерге бөлінген хромотографиялық қағаздарды қолданады. Екі өлшемді вариант хромотограммалар алу үшін ені 20-25 смжәне ұзындығы 40-45 смқағаз парақтары қолданылады. Шеңберлі вариантта камераның диаметрінен 2-3 смартық диаметрлі шеңберлер қолданылады.

Газдар мен олардың қоспаларының біртектілік дәрежесі жоғары: олардың әртектілігі молекулалық деңгейде байқалады. Сондықтан үлгі салыстырмалы түрде кішігірім болады және үлгі алу әдетте қиындық туғызбайды. Газдың үлгісін алғанда вакуумдық өлшегіш колба немесе бюретка көмегімен оның көлемін өлшей отырып алады. Газдың үлгісін алғанда жабық көлемінен және ағыннан алу ерекшеліктері болады. Жабық көлемде (Мысалы, өнеркәсіп цехында, жұмыс бөлмесі және т.б.) үлгі алғанда оның әртүрлі нүктелерінен алып, көлеміне қарай оларды араластырады немесе жекелеп анализдейді. Газдардың ағыннан үлгі алғанда әдетте көлденең ағындар әдісімен ұзындық ағындар әдістер қолданылады. Ұзындық ағындар әдісі газдың құрамы ағын бойында қолданылады. Бұл жағдайда ағын бірнеше қатарға бөлінеді де, газ үлгілерін ағын (струя) кезектерінен алады.

Дәрістің жоспары:

1. 
   Экстракциялау тәсiлдерi.
   
2. 
   Экстракция процессiн жылдамдату жолдары
   

Фармацевтiк өндipicтe келесi экстракциялау тәciлдepi қолданылaды: мацерация, ремацерация, перколяция, реперколяция, қарсы ағымды және циркуляциялық экстракция. Бұл тәсiлдердiң көбісі әртурлi модификациялар түpiндe қолданылады да, экстракциялау мерзiмi, шикiзатты экстракторларда бөлу әдicтepi, аппаратуралар бойынша ажыратылады, оларды статикалық және динаикалық деп eкi топқа бөлінедi. Статикалық тәсiлдерде экстрагент шикiзатқа үздiктi жiберiледi, ал сығынды бір немесе бiрнеше рет қабылданып алынады.