1-mavzu. Fanning maqsadi va vazifalari reja Foydalaniladigan adabiyotlar Biotexnologiya fanining vazifasi va ahamiyati

Cho‘ktirish usullari va uning nazariyasi. Sanoat uchun zarur bo‘lgan ko‘pchilik fermentlar suvda eruvchan oqsillardir. Ferment eritmalari olinish manbalariga qarab mikroorganizmlar lizatlari, ekstraktlari, kultural suyuqlik filtratlari, o‘simlik yoki hayvon to‘qimalari gomogenatlari bulishi mumkin. Bu ferment eritmalari tarkibi juda murakkab sistemaga ega. Unda fermentlardn tashqari kolloid tabiatiga ega bo‘lgan har xil birikma va moddalar ham uchraydi. Bunday murakkab sistemalardan fermentlarni ajratib olish mushkul vazifadir.
Ma’lumki, oqsilning gidrofob guruhlari oqsil molekulasi ichida to‘planib harakat joylashadi. Oqsilning har xil erituvchilarda erish darajasi molekula sirtida gidrofob va gidrofil qoldiqlarning tarqalishi bilan belgilanadi. Oqsillarni asosiy erituvchisi bo‘lgan suvning ba’zi xususiyatlarini (harorat, rN, ion kuchi, neytral tuzlar, organik erituvchilarni yoki inert birikmalarni qo‘shish yo‘li bilan) o‘zgartirish hisobiga oqsil molekulasining gidrat yoki solvat qatlamiga ta’sir qilib agregatsiyaga uchratish va cho‘kmaga tushirish mumkin. Sanoatda asosan organik erituvchilar yoki tuzlar bilan cho‘ktirishdan foydalaniladi. Bu usullar bir-biridan cho‘ktirish mexanizmi bilan farqlanadi.
Neytral tuzlar yordamida cho‘ktirish. Bu jarayon asosan oqsil molekulasining gidrofobligi darajasiga bog‘liq. Tipik oqsil molekulasi sirtida bir qator aminokislotalar (tirozin, triptofan, leysin, izoleysin, metionin, valin va fenilalanin) zanjiri shaklida yopishgan gidrofob qismlarga ega. Oqsil molekulasining gidrofob qismi suv bilan to‘qnashganda suv molekulalari bilan orientirlangan qavat hosil bo‘ladi va shu joylar «muzlatilgan» holatda bo‘ladi. Bunday tartibli strukturalar termodinamik jihatdan chidamli emasdir. Agar suv molekulalarini oqsil tabiatiga o‘xshamagan moddalar bilan immobilizatsiya qilinsa, oqsil molekulalari o‘zaro ta’sirlashib agregatlar hosil qila boshlaydi. Ma’lumki, tuzlarning ionlari gidratlanadi. Agar oqsil eritmasiga ma’lum miqdorda suv qo‘shilsa u suv bilan bog‘lanadi va suvdan bo‘shagan oqsil molekulalari agregat hosil qiladi. Tuz ionlari qancha ko‘p bo‘lsa, oqsillarning agregatlanishi ham shuncha kuchayadi va cho‘kmaga tushishi ortadi.
Tuzlar bilan cho‘ktirish jarayoni ta’siriga ko‘ra har xil oqsillarga har xil bo‘ladi. Bu birinchidan, oqsil molekulasi sirtidagi gidrofob qismlarning miqdori va razmeriga bog‘liq. Qancha shunday qismlar ko‘p bo‘lsa, oqsil shuncha tez cho‘kmaga tushadi. Ba’zi oqsillar borki, tuzlarning eng yuqori konsentratsiyalarida cho‘kmaga tushmaydi. Cho‘ktirish jarayonida oqsillar yonida turgan boshqa oqsillar bilan ham agregat hosil qilib cho‘kmaga tushishi mumkin. Bunda bir qancha fermentlar kompleksini olish mumkin. Lekin fraksiyalarga bo‘lib cho‘ktirilsa bir muncha yuqori natijaga erishish mumkin.
Oqsillarni tuzli eritmalarda eruvchanligi Konning empirik tenglamasiga bo‘ysunadi:
lgS = lgS_o - k_sμ
bunda S, S_o - oqsilning tuzli eritma va toza suvdagi eruvchanligi; k_s – tuzlash konstantasi, μ – eritmaning ion kuchi.
Tuzlar bilan cho‘ktirish jarayonini unumli o‘tkazish uchun k_sμ ko‘rsatkichi iloji boricha katta bo‘lishi kerak. k_s ko‘rsatkichi tuzning tabiatiga bog‘liq bo‘lib, vodorod ionlari konsentratsiyasiga bog‘liq emas. Ushbu jarayon gidrofob o‘zaro ta’sirga asoslangan bo‘lsada uning borishiga ta’sir qiluvchi boshqa omillar ham mavjuddir. Ular: muhit rN i, harorat. Ferment eritmasi tozaligi darajasi, jarayonni o‘tkazish muddati va boshqalardir.
Tuz bilan cho‘ktirishda asosan ishqoriy metallarning neytral tuzlari ishlatiladi. Har xil ionlarning cho‘ktirish effekti ularning ion kuchiga bog‘liq. Natriy tuzlari anionlarini tuzlash ta’siri kuchiga qarab quyidagicha joylashtirish mumkin: SO₄^2->CH₃COO^->Cl^->NO₃^->Br^->J^->CNS^-, hamda kationlarni esa quyidagicha Li⁺>Na⁺>K⁺>( NH₄) ⁺.
Ferment preparatlarini tuz yordamida cho‘ktirilganda ularning tarkibida 60-85% gacha har xil ballast qo‘shimcha moddalar uchrashi mumkin. Ushbu jarayonning eng qiyin bosqichi, bu - tuzni qo‘shish va uni eritishdir. Eritmada tuzning lokal konsentratsiyasini oshirib yubormaslik uchun u avval maydalanib, sekin astalik bilan ma’lum bir qismdan qo‘shib boriladi va tinmay aralashtirib turiladi. Aralashtirish davomida ko‘pik hosil bo‘lishiga yo‘l qo‘ymaslik kerak. Jarayon erigan na agregatlangan oqsillarning muvozanati hosil bo‘lguncha 20-40 min, ba’zida bir necha soat davom etadi.
Tuz bilan cho‘ktirish juda ham ko‘p omillarga bog‘liq bo‘lgan murakkab texnologik jarayondir. Shuni esda tutish kerakki, tuz hech qachon fermentni butunlay cho‘ktirmaydi, balki uning eruvchanligini pasaytiradi, xolos. Agar eritmada 1 mg/ml oqsil bo‘lsa uning 90%i cho‘kmaga tushishi mumkin, lekin zritmada bor-yo‘g‘i 0,1 mg/ml oqsil bo‘lsa hech qanday ferment preparatini olishning iloji bo‘lmaydi.
Neytral tuzlar bilan oqsillarni cho‘ktirib ferment preparatlarini olish usullari asosan chet ellarda keng tarqalggan.
Organik erituvchilar yordamida cho‘ktirish. Fermentlarni suvda eruvchan organik erituvchilar bilan cho‘ktirish usullari sanoat miqyosida keng ko‘lamda qo‘llaniladi. Oqsillarni cho‘ktirish samarasi organik erituvchilar ta’sirida suvning faolligini kamayishi bilan uzviy bog‘liqdir. Erituvchining konsentratsiyasi ortishi bilan fermentning zaryadlangan gidrofil molekulalarini suv ta’sirida solvatlanish qobiliyati pasayadi. Oqsilning gidrofob qismidagi suv molekulalari organik erituvchi tomoniga o‘ta boshlaydi va natijada fermentning eruvchanligi pasayadi. Oqibatda oqsil molekulalari agregatlanadi va cho‘kmaga tushadi.
Oqsillarni agregatlanishi elektrostatik va Van-der-Vaals kuchlari ta’sirida, alohida joylashgan oqsil molekulalari o‘rtasida yuzaga keladi.
Oqsillarni agregatlanishi jarayoni va cho‘kma hosil bo‘lishi cho‘ktirishning bir qancha omillariga bog‘liqdir. Shulardan biri oqsil molekulasining razmeridir. Cho‘ktirish jarayonida oqsil molekulasining razmeri qanchalik katta bo‘lsa, erituvchining salbiy ta’sir qiluvchi konsentratsiyasi shunchalik past bo‘ladi. Bu bog‘liqlikka molekulaning gidrofoblik darajasi, solvat qavatiga chidamliligi na boshqa omillar ta’sir qilishi mumkin.
Cho‘ktirish uchun ishlatiladigan organik erituvchi suv bilan to‘liq aralashishi va ferment bilan esa aloqada bo‘lmasligi kerak. Asosan bu jarayon uchun etil spirti, aseton va izopropil spirti keng qo‘llanilsa, metanol, n-propanol, dioksan, 2-metoksietanol va boshqa spirtlar, ketonlar, efirlar va ularning aralashmalari kamroq ishlatiladi. Erituvchilarni tanlashda ularning toksikligiga, portlash xavfidan xolisligiga va pegeneratsiya bo‘lish qobiliyatiga e’tibor berish kerak. Ishlab chiqarish uchun eng yaroqlilari bo‘lib etil spirti va izopropanol hisoblansa, asetonning ko‘rsatkichlari esa sal pastroqdir. Bular orasida eng istiqbollisi izopropanoldir. Bu erituvchilar yordamida fermentlarni komplekslarga ajratish yoki fraksiyalar holida cho‘ktirib olish mumkin.
Ferment preparatlarini cho‘ktirish uchun nafaqat erituvchining tabiati va konsentratsiyasi, balki elektrolitlarning ishtiroki, cho‘ktirish harorati, muhit rN ko‘rsatkichi, quruq moddalarning tarkibi na miqdori kabi bir qancha omillarga e’tibor berish kerak. Cho‘ktirish eritmasida ba’zi ionlarning uchrashi ferment mo‘tadilligiga ta’sir qilishi mumkin. Masalan, Sa²⁺ ionlari a-amilaza, proteinaza, glyukoamilaza fermentlari faolligiga ijobiy ta’sir qilsa, magniy, marganes, kobalt kabi metall ionlari himoya vazifasini bajaradi. Shular bilan birgalikda ba’zi metallarning (Fe²⁺, Pb²⁺, Si²⁺, Ag²⁺, Ni²⁺, AI³⁺, Hg⁺ va x.k.) ionlari salbiy ta’sir ko‘rsatadi va ularning eritmada bo‘lishi maqcadra muvofiq emasdir. Eritmada elektrolitlarning bo‘lishi erituvchi sarfini kamaytirishga va cho‘kma strukturasini yaxshilashga xizmat qiladi.
Ferment eritmasi va erituvchining harorati ferment cho‘ktirish jarayonida past bo‘lishiga harakat qilish kerak. Spirt va fermentning suvli eritmasi aralashtirilganda issiqlik ajralib chiqishi va aralashma harorati 5-10⁰S ga ko‘tariladi. Agarda spirt oldindan sovutilgan bo‘lmasa fermentlarning inaktivatsiyasini kuzatish mumkin. Bu hodisa nafaqat termoinaktivatsiyaga, hattoki ferment molekulasini denaturatsiyagacha olib keladi.
Ferment preparatlarini cho‘ktirishda rN ko‘rsatkichi juda katta ahamiyatga ega. Bir xil ferment eritmasidan har xil rN ko‘rsatkichi ta’sirida bir-biridan cho‘kmasi miqdori va ferment faolligi bilan farq qiluvchi preparatlar olish mumkin. Ma’lumki, fermentlar o‘zlarining izoelektrik nuqtalarida oqsil agregatlari hosil qilib to‘liq cho‘kmaga tushadilar. Oqsillarni izoelektrik nuqtalarida cho‘ktiruvchi reagentlar ishlatmay cho‘ktirish jarayoni izoelektrik cho‘ktirish deyiladi. Organik cho‘ktiruvchilarni izoelek­trik nuqta rNiga yaqii rN da qo‘llash fermentlarni oson cho‘ktirish va erituvchini kam miqdorda sarflash uchun xizmat qiladi. rN ko‘rsatkichi izoelektrik nuqtadan chetga chiqsa cho‘kma unumi va ferment faolligi 30-50% gacha yo‘qotiladi.
Faol fermentni preparat yoki mo‘tadil strukturali cho‘kma holida olish uchun eritmada 10-12% atrofida quruq modda miqdori bo‘lishi kerak. Ko‘p tadqiqotlardan ma’lumki, fermentlarni cho‘ktirishda, ayniqsa proteolitik fermentlarni, quruq moddaning eng optimal miqdori 10% bo‘lishi kerak.
Yuqorida qayd qilingan omillar qatorida ferment zritmalarini erituvchi bilan aloqada bo‘lish muddati ham katta ahamiyatga zga. Ferment sanoatida to‘xtovsiz ishlaydigan cho‘ktiruvchilarda ushbu vaqtni juda ham qisqartirishga erishilgandir, bu albatga ferment faolligini kamayishini oldini oladi.
Organik erituvchilar bilan cho‘ktirish samaradorligi shu jarayonga mo‘ljalllangan uskunaga ham uzviy bog‘liqdir. Bunday uskunalar asosan ferment zritmalarini qabul qilgich, to‘xtovsiz aralashtirgich, ferment eritmasi va erituvchini to‘xtovsiz ravishda uzatuvchi konturlar, separator va avtomatizatsiya tizimlaridan tuzilgan bo‘ladi. Silindr shaklidagi aralashtirgichdan ferment eritmasi va erituvchi murakkab harakat yo‘nalishi bo‘ylab qisqa vaqt ichida aralashib o‘tadi va natijada hosil bo‘lgan aralashma separator qismiga uzatiladi. Separatorda cho‘kmaga tushgan oqsil molekulalari ajratib olinadi. Bunday qurilmada ferment bilan erituvchining aloqa muddati o‘n marotabagacha qisqartiriladi. Bunda fermentning cho‘kmaga tushish unumi 15-20% gacha ortadi. Separatorda ajratilgan cho‘kma har xil usullar bilan mo‘tadil sharoitda quritib olinadi. Cho‘kma tepasida qolgan suyuqlik tarkibida 50-75% gacha erituvchi ulushi bo‘ladi va rektifikatsiya bo‘limida regeneratsiya qilishga yuboriladi.
Organik erituvchilar bilan cho‘ktirish unumi produsent o‘stirilgan ozuqa muhiti tarkibiga va ferment preparatini quyuqlashtirilganlik darajasiga ham bog‘liqdir.