Халықаралық Инженерлік Технологиялық Университеті
СӨЖ
Тақырыбы:Биотехнологияның өндіріс процесінде алынған өнімдер
Орындаған: Аупикова А.Ж
Мамандық:Био-20-1қ
Тексерген: Нокербекова Н.К
Алматы-2023
Мазмұны:
I.Кіріспе
1.1. Биотехнологияның даму тарихы..
II.Негізгі бөлім
2.1. Биотехнологиялық үдерістердің негізгі сатылары. Өндірістік ферментация.
2.2. Өндірісті басқару, бақылау жəне оптимизациялау
2.3. Өндірістегі масштабтау технологиясы
III.Қорытынды
IV.Пайдаланылған әдебиеттер
2
Кіріспе
Биотехнология − (грек тілінен Bios – тіршілік, techne – өнер, logos – ғылым) экономикалық жағынан тиімді де маңызды өнім алу жəне жоғары өнімділігі бар микроорганизмдер штамдарын, өсімдіктердің сорттары мен пішіндерін, жануарлардың асыл тұқымдарын шығару үшін биологиялық үрдістер мен нысандарын пайдалануға негізделген ғылым мен өндірістің жаңа саласы. Биологиялық агенттер мен жүйелерді пайдалана отырып, микроорганизмдер, вирустар, өсімдік пен жануар клеткалары, ұлпалары, сонымен қатар клеткадан тыс компоненттері мен заттардың каталитикалық потенциалын қолдану негізінде биотехнология құрастырылған. Экономикасы іргелі орынды алатын Қытай, АҚШ, Жапония, Франция, Германия, Голландия, Ұлыбритания жəне т.б. мемлекеттер биотехнологияны дамыту жəне тəжірибеде қолдану барысын жылдан жылға білікті пайдалануда.
Биотехнологиялық жолдармен алынған өнімді өндірісте масштабты түрде шығару үшін жəне ары қарай қолданысқа енгізу үшін міндетті түрде үрдістер мен аппараттарды дұрыс пайдалана білу қажет. Оқулықта биотехнологиялық өндірісте жиі пайдаланатын аппараттарға сипаттама берілген, өнімді жəне технологияны есептеуге арналған негізгі формулалар жəне математикалық модельдер ұсынылған. Биотехнологиялық өндірістің жалпы шикізат түрлері, шикізатқа қойылатын талаптар, микроорганизмдерді өсіру əдістері мен қажетті дайын өнімдерді бөліп алу жəне тазалау əдістері қарастырылған. Микробиологиялық синтез бен трансформацияға негізделген нақты өнеркəсіптік өндірістер антибиотиктер, ферменттер, аминқышқылдары, полисахаридтер, органикалық қышқылдар мен бейтарап өнімдер, өсімдіктерді қорғау мен бактериалды тыңайтқыш препараттар, бір клеткалы организмдер белогын өндірісте өндіруге арналған үрдістер қарастырылған. Сіздерге ұсынылып отырған оқу құралының басты мақсаты − оқырмандарды биотехнологияда қолданылатын үрдістердің принциптерімен жəне ерекшеліктерімен таныстыру. «Өндірістік биотехнология негіздері» пəні бойынша ұсынылып отырған оқу құралы жоғары оқу орындарының 5В070100-Биотехнология мамандығында оқитын студенттерге жəне 6М070100-Биотехнология магистратурасына арналған. Биотехнология мамандығының типтік оқу бағдарламасына сəйкес дайындалған «Өндірістік биотехнология негіздері» пəнінің оқу құралы қазақ тілінде ұсынылып отыр.
3
1. БИОТЕХНОЛОГИЯНЫҢ ДАМУ ТАРИХЫ. БИОТЕХНОЛОГИЯНЫҢ ПƏНАРАЛЫҚ БАЙЛАНЫСЫ. ЗАМАНАУИ БИОТЕХНОЛОГИЯНЫҢ МІНДЕТТЕРІ МЕН НЕГІЗГІ БАҒЫТТАРЫ. ҚАЗАҚСТАН МЕМЛЕКЕТІНДЕГІ БИОТЕХНОЛОГИЯНЫҢ ДАМУ БАҒЫТЫ. Биотехнология дегеніміз – адам өміріне маңызды əртүрлі қажетті өнімдерді микроорганизмдер, өсімдіктер мен жануарлардың клеткаларының қатысуымен алудың технологиясын өңдеумен айналысатын ғылым. Биотехнологиялық нысаналар ретінде вирустар, бактериялар, өсімдік, жануар клеткалары жəне олардың құрамындағы кейбір заттар мен молекулалар қатысады. Алғаш рет 1917 жылы “биотехнология” терминін Карл Эреки енгізген. Оның пікірі бойынша: биотехнология – дегеніміз тірі организмдер көмегімен жүргізілетін жұмыстар болатын. Биотехнология қазіргі кездегі ғылымның жаңа салаларының бірі болып саналады. Биотехнологияны тірі организмдерді немесе биологиялық үрдістерді өнеркəсіпте қолдану деп түсінетін болсақ, онда нан пісіру, ірімшік жасау, шарап дайындау жəне т. б. үрдістер адамзат өмірінде өте ерте кезден бастап пайдаланып келе жатқан кəсіп. Бірақ 70-жылдардың ортасынан бастап биотехнология өз алдына ғылым болып қалыптасты, оның бір себебі, гендік инженерияның пайда болуымен тікелей байланысты. Биотехнология – өнеркəсіптік микробиология, техникалық биохимия, биохимиялық жəне генетикалық инженерия, инженерлік энзимология, химиялық технология жəне т.б. салалармен тығыз байланысты. Осы салалардағы ашылған жаңалықтар биология ғылымының жалпы тəжірибеде қолданылу мен əртүрлі жекеленген қолданбалы бағыттарды біріктіруге негіз болды. Өнеркəсіптік жəне қолданбалы микробиологияны қамтитын биотехнология – биохимия, микробиология, генетика жəне химиялық технологияның білімі мен əдістеріне сүйене отырып, микроорганизмдер мен клеткалық дақылдардың қасиеттері арқылы өндірістік үрдістерге көп үлесін қосуда. Еуропалық биотехнологиялық федерациясы биотехнологияға мынандай анықтама береді: Биотехнология – микроорганизмдер мен ұлпалық дақылдардың бағалы қасиеттерін өнеркəсіпте пайдалану үшін биохимия, микробиология жəне химиялық технологияны бірге қолдану. Сондықтан биотехнологиялық үрдістер арнайы заттардың түзілуіне мүмкіндік беретін, бактериялар, ашытқылар, зең саңырауқұлақтар, балдырлар жəне өсімдіктер мен жануарлардың метаболизмі мен биосинтетикалық мүмкіндіктеріне негізделеді.
4
1987 жылы Амстердам қаласында болған биотехнологияның IV Конгресінде микроорганизмдердің физиологиясы – биотехнологияны қалаушы іргетасы қалыптасты. Сондайақ микроорганизмдердің биотехнологиядағы орны ерекше атап көрсетілді.
Заманауи өндірістік микробиология.Микробтық биотехнология (өндірістік микробиология) − бұл ғылым мен техниканың интегралды саласы, аталмыш ғылым молекулярлы биология мен генетиканың, биохимияның, физиология мен цитологияның теориялық жəне методикалық жағдайына сүйенеді, сонымен қатар химиялық технологияның жетістіктерін де қолданылады. Биотехнология саласында жасалатын үрдістерді табиғи салаға жатқыза алмаймыз, оларды мезгілсіз жүргізілетін, жыл бойы жаңаратын, климаттық жəне географиялық жағдайға тəуелсіз өндірістік жағдайда жасауға болатын салаға жатқызамыз. Дəл осы жағдай биотехнологияны өзге салалардан ерекшелейді, атап айтқанда ауылшаруашылығында климаттық жəне өзге де табиғи жағдайлар жұмыс жүргізуде ең маңызды тежеуші факторлар болып табылады. Бірақ қазіргі таңда агробиотехнология үлкен жетістіктерге жетуде. Өндірістік микробиологияға айтарлықтай үлесті гендік инженерия қосты, бұл сала клондалған ген өнімі есебінен дəстүрлі микробтық синтез заттарының арсеналын кеңейтті. Микроорганизмдер биотехнологиясының даму тарихы. Ең ежелгі адамдар жасаған өндіріске нан пісіру, шарап жасау жəне сыра қайнату үрдістерін жатқызуға болады, аталған өнімдердің құрамында нан жəне шарап ашытқылары бар. Бұл тізімге сүт қышқыл өнімдерін, сүтқышқылды бактериялар көмегімен алынатын ірімшіктерді, сірке қышқылды бактериялардың қатысуымен алынатын тағамдық сірке суын алады, сонымен қатар əртүрлі органикалық қышқылдарды жəне ерітінділерді жатқызуға болады, оларды өндіру ұзақ уақыт бойы тек биотехнологиялық жолмен ғана жүргізілген, химиялық өндірісте алмастырушысы жоқ. Химия саласының қарқынды дамуына байланысты техникалық ерітінділер мен органикалық қышқылдар дайындауда биотехнологияны ығыстыруда. Дегенмен тағамдық өндірісте тағамдық сірке суын жəне спирт алу үшін осы уақытқа дейін микроорганизмдерді қолдануда. Биотехнологияның қарқынды дамуы 40-50-жылдардан басталды, бұл уақыт антибиотиктер эрасымен байланысты. Антибиотиктер өндірісі ғылымдағы қозғаушы жаңалықтардың бірі болды, аталған жаңалық микробиологияның, биохимияның, генетиканың жəне өзге де маңызды ғылым салаларының жетістіктерін қажет етті.
5
Сол уақытта заманауи технологиямен байытылған микробиологиялық өндірістер бой көтере бастады, дамушы биотехнология, микроорганизмдердің селекциясының нəтижесінде жəне гипер өнім беруші мутантты штаммдардан антибиотик продуценттерін алу жұмыстары жолға қойылды. Антибиотиктер туралы ғылымның қалыптасуы антибиотиктердің өндірісте дамуымен пара-пар болды. Бұл биотехнологияның айнымас бөлігіне айналып, микробиологиялық дақылдардың өндірісте көбеюіне алып келді. Биотехнологияның жаңа тынысы 70-жылдардың ортасында гендік инженерия саласының пайда болуымен ашылды. Өндірісте гендік инженерияның рөлі 1980 жыл ең алғаш АҚШ-та мұнайды ыдырата алатын микроорганизм штаммына патент алған кезден басталды. Осы уақытқа дейін гендік инженерия саласында 600-ге жуық патент тіркелген болатын. Бұл көрсеткіш осы саланың қарқынды дамуын сипаттайды. Өндіріске гендік инженерияның өнімдерін енгізу биотехнологиялық өндірістің қайта жабдықтауымен байланысты жəне қызмет етуші адамдардың кəсіптік дəрежесінің жоғары болуын талап етті. Ең алғашқы гендік-инженериялық өнімнің Жапония зауытында пайда болуы кездейсоқ емес. Себебі, бұл мемлекетте қажетті талаптарға жауап беретін техника бар. Атап айтқанда ең жоғарғы өндіріс дақылы жəне қызметкерлердің өз ісінің маманы болуы, атап айтқанда, қойылған талаптардың барлығы жаңа биотехнологияның күрделі сатылы ғылыми-техникалық сұраныстарға жауап беруі. Ең алғашқы коммерциялық өндіруші өнім бактериялардың адам инсулинін клиникалық қолданысқа енгізген 1982 жылдан басталады. Осы жылы клеткалық инженерияның энергиялық өсу кезеңі басталды. Микробты өндіруші қажетті заттар көзі ретінде жаңа зат жасады, олар − өсімдік жəне жануар ұлпасы. Осы тұрғыдан биотехнологияның жаңа əдістері пайда болды, сонымен қатар эукариот селекциясының жаңа əдістері табылды. Əсіресе жоғарғы жетістікке өсімдіктердің микроклоналды көбеюі жатады, сонымен қатар трансгенді өсімдіктер жəне жануарларды алу жəне пайдалану жағынан да жоғары көрсеткіштерге ие болды. Қолданбалы микробиология. Микробты өндірісті үш типке бөлуге болады: − негізіндегі тірі жəне белсенді емес микроорганизм биомассасын қолдануға болатындарға нан жəне басқа да өнімдерді дайындау, шарап жасау жəне тағамдық ашытқыны жасау, вакцина өндіру, ақуыз-дəрумендік концентраттарын алу, өсімдіктерді қорғауға арналған препараттар құрастыру, сүт қышқылды өнімдерін алуда қолданылатын заттар, мал азығын сүрлеу, топырақты құнарландыратын заттарды алу жатады;
6
− микробтық биосинтез өнімдері ретінде антибиотиктер, гормондар, ферменттер, аминқышқылдар жəне дəрумендер жатады; − ашу, шіру өнімдерін алу, бұндай өнімдерге мысал ретінде, биогаз жəне биоэтанол алуды жатқызуымызға болады, сонымен қатар целлюлоза утилизациясын жəне өзге де қалдықтарды қолдана отырып, көмірсутектерді алуды жатқызамыз. Осы қатарға спирт алуды, органикалық қышқылдарды алуды, ерітінділерді, сонымен қатар табиғи емес қосылыстардың утилизациясын жатқызамыз. Генетикалық инженерияның микробтық биотехнологияға қосқан үлесі. Генетикалық инженерия қазіргі өндірістік микробиологияның құрылысын жəне құрамын толығымен өзгертті. Біріншіден, өндірістік микроорганизмдер өнімділігі айтарлықтай жоғарылады, атап айтар болсақ, классикалық өнім продуценттеріне қосымша ген қоса отырып олардың санын жəне 10
белсенділігін арттырды. Екіншіден, микроб клеткасына жаңа ген кіргізу арқылы микроорганизмдердің қоректік қажеттілігін өзгертті. Əрі қарай микроорганизмдерді өздеріне тəн емес заттарды синтездеуге үйретті, сөйтіп биотехнологиялық өнімнің əртүрлілігін жоғарылатты. Микробты жасушада клондалған адамның кейбір ақуыздары, атап айтсақ инсулин, интерферон, интерлейкиндар қазіргі таңда терапевтикалық қолданысқа енді. Микроорганизмдер селекциясы өнімдерінің барлығы толығымен қайта қарала басталды. Мысалы, егер бұрын бірінші микроорганизмнің белсенді штаммын іздеп, сосын оған қажетті арнайы физикалық жағдайына жəне қоректік қажеттілігіне жағдай тудыратын болса, қазір өндіріс шарттарына бейімделген штамды алып, оған гендік конструкцияны енгізеді, өз кезегінде гендік құрылым мақсатты өнімнің эффективті синтезін толығымен қамтамасыз етеді. Тағы да бір айта кететін жайт, гендік инженерияның маңызды жетістіктерінің бірі болып диагностикалық препараттарды бөліп алу жəне клондау жатады. Қазіргі уақытқа дейін 200-ге жуық жаңа диагностикаланған препарттар медицинаға енгізілген, олардың ішінде өте қауіпті ауруларды диагностикалау жолдары енгізілген, мысалы ЖИТС. Гендік диагностика əдістері кең қолданылады, соның ішінде ақауы бар гендерді анықтау үлкен болашағы бар диагностиканың бірі болып табылады. Бүгінгі таңда биотехнология көптеген əлеуметтік мəселелерді шешуде. Адам денсаулығын сақтауда туатын мəселерді шешуде басты рөлді дəрі-дəрмектер алады.
7
Биотехнология осы мəселеде жаңа əдісті ұсынуда, мəселен, дəрі-дəрмектерді жасауда жəне өндіруде, медициналық препараттарды аурудың алдын алуда жəне диагностикалауда, сонымен қатар дəрі-дəрмектерді қажетті көлемде шығару жəне бұрын қол жетімсіз болған емдік заттардың кең спектрін жасауда биотехнологияның орны зор. Бүгінде биотехнологиялық медициналық препараттар əлемдік нарықтың 25%-ын алады, ал 2005 жылдары бұл көрсеткіш 15%ды құраған. Жыл сайын нарықта пайда болатын 50 жаңа түрлі дəрілердің, вакциналар мен диагностикумдардың ішінде 10-15 биотехнологиялық əдіспен алынған болып саналады, ал клинкалық зерттеуде 350-ге жуық биопрепараттар бар, олардың көпшілігі емделмейтін деп есептелген ауруларды жазуға арналған. Биотехнологиялық медициналық препарттар жасауда бірінші орынның 63%-ын Солтүстік Америка алады, ал Батыс Еуропа мемлекеттері 25%, ал Жапония 7%. Микробтық синтез жолымен алынатын дəрі-дəрмектердің ең үлкен класына антибиотиктер жатады. Олар əртүрлілігімен жəне қолданылуымен əлемдік фармацевтикалық өндіріс өнімдері ішінде алғашқы орынды алады. Қазіргі таңда антибиотиктердің 6300 түрі белгілі, олардың ішінде 120-ға жуығы медициналық тəжірибеде ауыр ауруларды емдеуде қолданылады, мысалы туберкулез, менингит, плеврит жəне пневмония. Кей антибиотиктерді ісік ауруларды емдеуде қолданады. Соңғы уақытта əлемдік нарықта антибиотиктердің көлемі ұлғайып келе жатыр, ал жылына 15-17% жəне 29 млрд. долларды құрайды. Биотехнологиялық жолмен алынатын дəрілік заттардың екінші класына гормондар жатады. Дəстүрлі микробиологиялық өнімдерге стероидты гормондар − кортизон, преднизолин жатады. Бұлар аллергиялық ауруларды, бронхиалды демікпені, ревматоидты артритты жəне өзге де ауруларды емдеуде кең қолданылады. Гендік-инженерия өнімі болып табылатын пептидті гормон есебінен микробтық синтез жолымен алынатын гормоналды препараттар спектрі кеңеюде. Интерферонмен интерлейкин антивирусты, антиісікті жəне иммуномодулирлеуші агенттер болып табылады. Дəрілік заттар ішінде ерекше орынды ферменттер алады. Ас қорыту жолдарының ауруларын емдеуде протеолитикалық ферменттерді қолданатыны белгілі. Осы ферменттер күйік жараларды емдеуде қолданылады жəне өзге де жаралардағы шірік ұлпаларды жоюда пайдаланады. Əдетте зат алмасудағы патологияны липаза ферменттерімен емдейді. Стрептокиназа жəне урокиназа препараттарын қолдана отырып, жүрек, өкпе, қол-аяқ қан тамырларының тромбозын емдейді. Микробты биотехнологияның медицинаға қосқан үлесі өте зор.
8
Соның ішінде аурудың алдын алу препараттарын алуда, айта кететін болсақ, өнімнің бұл түрінің химиялық өндірісте алмастырушысы жоқ вакцина препараттары. Дамыған мемлекеттерде профилактикалық қызмет жоғары деңгейде жүзеге асырылады жəне осы мемлекеттерде инфекциялық аурулардың өлімі тек 4-8%-ды құрайды. Ал дамушы мемлекеттерде бұл көрсеткіш 30-50%-ға жетеді. Вакцина (екпе) шешек ауруын толықтай құртып жіберді. 1955 жылы АҚШ пен Канадада 1 млн халықтың 200-і полиомиелитпен ауырған болатын. Қазіргі уақытта бұл аурудың таралуы 4000 есеге азайды (20 млн адамның ішінде 1 ауру болуы мүмкін). Сондай қарқынмен қызылша, қызамық, дифтерия ауруларына қарсы вакциналар аталған аурудың санын азайта бастады. Жаңа ауруларға жаңа вакциналар алынуда үлкен жетістіктер гендік-инженериядан күтіліп отыр. Болжам бойынша 2050 жылға дейін жердегі адам саны 10 млрдқа жетуі мүмкін, олай болса адамдарды тағаммен қамтамасыз ету үшін ауылшаруашылығын дамыту қажет жəне өндіріс көлемін 75% жоғарылату қажет. Тағаммен қамтамасыз ету мəселесіне анализ жасаған мамандардың айтуы бойынша азық-түлік тапшылығы болмас үшін жануар ақуызын пайдалану қажет Жануар ақуызы өсімдік ақуызына қарағанда аминқышқылдарына бай болып келеді. Өндірістік микробиология малшаруашылығына үш түрлі маңызды заттарды жеткізеді: жемдік ақуыз жəне ақуыз-дəруменді концентраттар, алмаспайтын аминқышқылдары жəне жемдік антибиотикте. Жемге 1 тонна ақуыздəруменін жəне концентратын қосу арқылы 7 тонна жем-шөп дəнін жəне қосымша өндірістің 0,8 т шошқа етін немесе 5 т құс етін үнемдейді. Бұзау мен торайлардың тəуліктік тағамына 1 т жемдік ашытқылар қосу арқылы 6 т сүтті үнемдеуге болады. Микробты ақуыз алу үшін ең құнарлы шикізат жасұнық болып саналады. Сонымен қатар өнімді тек ағаш ұңқасы ғана емес, күнбағыс қауызы, жүгері өзегі, сабан жəне жыл сайынғы ауылшаруашылығының өзге де қалдықтары болып есептеледі. Биотехнологиялық өндірістің екінші түрі алмаспайтын аминқышқылдары, аминқышқылдарын медицина жəне ауылшаруашылығы үшін өндіру жыл сайын интенсивті түрде жоғарылап келе жатыр. Олардың ішінде лизин жəне метионин міндетті түрде дайын күйде адам азығында жəне жануар жемінде болуы қажет. Метионинді химиялық технология бойынша өндіреді, ал лизинді негізінде биотехнолгиялық жолмен жасайды. Жемге лизин қосу арқылы ет өнімдерінің көлемін ұлғайтуға болады: 1 т лизин 40-50 т жемдік дəнді босатады жəне 10 т қосымша ет алынады.
9
Малшаруашылығы мен өсімдік шаруашылығының биологиялық жүйесі жыл сайын өсіп келе жатқанына байланысты.
Көптеген мемлекеттерде өсімдік шаруашылығында қолданылатын биопрепараттардың 100 түрі белгілі, олардың ішінде энтомопатогенді препараттар бар, мысалы, энтобактерин, инсектин, токсобактерин, боверин, вирин, сонымен қатар гербицидтерде, фунгицидтерде, бактериалды тыңайтқыштарда нитрагин, азотобактерин, фосфоробактерин қолданылуда. Биологиялық заттарды өсімдіктерді қорғау үшін микробты тыңайтқыштар пайдаланады, жануар жəне өсімдіктердің дамуын ынталандырушылар қолдану химиялық заттардың көлемін жəне минералды тыңайтқыштарды азайтуға мүмкіндік береді. Бұл дегеніміз өнімнің сапасының жоғарылауы мен экологиялық жағынан таза технология шығару болып табылады. Гендік инженерия əдістері трансгенді өсімдік жасау арқылы ауылшаруашылық өсімдіктерінің қасиетін жоғарылатуға мүмкіндік береді, бұндай өсімдіктерде өзіне тəн емес ген болады. Өсімдіктерге ген енгізу Ті – плазмидасы көмегімен жүзеге асырылады, ол плазмида агробактериялардан алынады. Оларға өсімдіктің жарақаттанған жеріне өз гендерін енгізу арқылы əсер етеді. Ал олардың өнімдері трансформацияны тудырады, өсімдік ұлпаларының қайта жаңғыруына соқтырады жəне зақымданған жерде тəж тəрізді галлдар түзіледі. Дəл сол гендер өсімдікке түскен агробактериялар көмегімен модифицирленген болып саналады. Қазіргі уақытта 50 түрлі трансгенді өсімдіктер алынған, олар зиянкес-жəндіктерге, фитопатогенді бактерияларға, микромицеттерге жəне вирустарға жəне жыртқыш өсімдіктерге де төзімді болып табылады. Өсімдіктердің өнімділігін көбейту үшін тағы да бір бағыт − ол азотфиксирлеуші бактерияларды қолдану. Бізге белгілі жыл сайын азотфиксирлеуші бактериялар көмегімен 107 т атмосфераның молекулярлы азоты органикалық қосылысқа айналады. Азот фиксациясын nif-генді өнімдерінің ферменттері қамтамасыз етеді. Қазіргі уақытта Rhizobium туысының түйнек бактерияларында nif-генінің көлемін ұлғайту мəселесі шешілді. Осы бактериялардың бұршақ тұқымдас өсімдіктермен сибиозын бақылайтын гендер плазмидада локализацияланады. Бұл гендік инженерия əдістерінің мүмкіндіктерін, азотфиксацияның эффективтілігін жоғарылатады, бұл дегеніміз өсімдіктердің азотты қорегін жақсарту. Табиғатты қорғаудағы мəселелерде биотехнологияның байланысы бар. Осыған байланысты бірнеше мысалдар келтіруге болады.
10
Бізге белгілі, табиғи суларды (өзен, көл, мұхиттар) ластаушы химиялық өндіріс, яғни əртүрлі синтетикалық органикалық қосылыстар. Олардың табиғатта ыдырауы өте баяу жүреді. Сондай улы заттар бір жерде жиналып токсикалық зат түзеді, оларды ксенобиотик деп атайды. Бұлар тірі организмдердің метаболизміне жат заттар. Бұл заттар табиғи емес, адам қиялынан туындаған, осы жағдайларда көмекке бактериялар келеді, олардың метаболизм жолдары əртүрлі жəне өте кең, солардың ішінде тіпті бір түрі болса да токсикалық қосылыстарды, ауыр, улы заттарды утилизациялайтындары табылады. Микробиологтар бактерия физиологиясын тыңғылықты зерттей келе, ксенобиотиктердің катаболизм жолдарын, оларды ыдыратуды жəне детоксикациялауды зерттеуде. Осы зерттеулердің негізі ретінде биотехнологиялық əдіспен ағын суларды табиғи емес заттардан, ол экожүйеге тəн емес заттардан тазартуды жəне қоршаған ортаның ластануын қадағалайтын əдіс ойлауда. Ластануды бақылауға жəне мониторинг жасауда қолданылатын арнайы микробты өнімдердің жыл сайынғы сатылымы 10 млн доллар, ал жоспар бойынша бұл көрсеткіш 200 млн долларға жетуі қажет. Табиғатты қорғаудағы биотехнологияның келесі сатысы жерді жəне су қоймаларын мұнай қалдықтарынан тазартуға бағытталған. Мұнай тірі организмді (өсімдіктерді, жануарларды, микроорганизмдерді) өлімге душар етеді жəне мұнаймен ластанған жерді жансыз субстратқа айналдырады. Көмірсутектермен ластану танкерлердегі апаттармен байланысты, осындай апат болған жағдайда акватория жəне өзен-көлдердің жағалауы мұнаймен ластанады. Мұнай жəне мұнай өнімдерімен ластанған массивты жерлердегі мұнайды ыдырату үшін гендік инженерия əдісімен алынған штамм-деструкторлар дайындалуды. Псевдомонадаларда биодегредация плазмидасы табылған, бұл дегеніміз осы бактериялардың толуолды, нафталинды ыдырата алатынын көрсетеді. Рекомбинатты биодегредация плазмидасы, ремедиаторлардың микробты қауымдастығы жəне осы саланың биотехнологтары тіпті бүгінгі күннің өзінде табиғи ортаны қорғау мəселелерімен өндірістің көптеген саласында қалдықсыз технологиялар ойлап табуда үлкен экологиялық мəселелерді шешуде орын алады. Əлемдегі қуат көзін пайдалану оны жер астынан алумен қайта қалпына келтіру үрдістеріне қарағанда көбірек жұмсалады. Өркениеттің қарқынды дамуына байланысты энергетикалық потенциалдың таусылуына алып келеді. Мұндай жағдайда дəстүрлі емес жолдарды қарастыру қажет.
11
Күшті потенциалды энергия көзі жасыл өсімдіктер биомассасы болып табылады, олар күн энергиясының консерваттары. Жер шарының өсімдік ауқымы 1800 млрд. құрғақ заттардан тұрады, ал бұл энергетикалық жағынан 1021 Дж эквивалентті жəне барлық пайдалы қазбаның энергия қорына сəйкес келеді. Сонымен қатар, яғни орман биомассаның 68%-ын құрайды, шөптесін өсімдіктер экожүйесі − 16%, ал өңделген жер тек 8%-ға тең. Өсімдік биомассасының тек 2%-ы ғана адам жəне жануар азығында қолданылады, ал қалған пайдалы қазбаларды қолданудың жылдық қоры 20 есе көп. Басқаша айтқанда өсімдік биомассасын энергияға конверсиялау арқылы энергетикалық мəселелерді шешуге болады. Өсімдік биомассасының энегетикалық потенциалын ағаштарды, көмірді жағу, құрғақ көң арқылы алады. Бірақ мұндай қолданыстың эффективтілігі төмен, себебі энергия қорының тек 10%-ы жүзеге асады, қоршаған орта түтінмен ластанады, атмосферада көмірқышқылгазы жинала бастайды. Биомассаның биогазбен биоэтанолға конверсиясы атмофераны ластамай жəне қалдықсыз потенциалды энергияның 50-80%-ын жүзеге асыруға мүмкіндік береді (қалдықтар жоғары сапалы тыңайтқыш болып табылады). Биогаз (CH4 / СО2 = 2/1) алу бойынша ең бірінші мемлекет қатарына Үндістан кіреді. Онда қазіргі уақытта 1 миллионға жуық құрылғы газ алу үшін жұмыс істейді, ол газды тұрғын үйлерді, жылыжайларды жəне т.б жылыту үшін қолданады. Биогазды алудағы негізгі газ бөлуші метаногенді бактериялар саналады, оларды арнайы метантекте бөліп алып газгольдермдерде жинақтайды. Мəселен Қытайда 70 млн. астам кішігірім метантенктер жұмыс істейді, олар ауылды аймақтардағы негізгі қуат көзі болып 70% шаруа отбасылардың қажетіне жарап жатыр. Осы отбасылар биогазды тағам жасауда жəне үйлерін жылытуда қолданады.
Этанолды энергетикалық мақсатта алғаш рет 1975 жылы Бразилияда қолданды, ал 1997 жылға қарсы мұнайды экспорттауды төмендету арқылы 35,6 млрд. доллар үнемделді. Кейін осындай бағдарлама 1978 жылы АҚШ-та жəне 1998 жылы Канадада қолданылды. Биоэтанолды мотор жанармайы ретінде, таза күйінде немесе бензин қосу арқылы қолданады. Мысалы газохол құрамында 10% этанол бар, биодизельде − 15%, газолинде-24% этанол бар. Этанолды жанармай ретінде өндіру көлемі жыл сайын артып келеді. АҚШ үкіметі 2000 жылы осы салада ғылыми зерттеу жүргізу үшін 242 млн доллар ақша бөлді, ал 2010 жылға энергетикалық қажеттілікке биотехнологиялық өндіріс өнімінің көлемін үш еселендіреді.
12
Соңында айта кететін жай, мамандардың бағалауы бойынша жақын уақытта биотехнология ауылшаруашылық өнімдерінің санын 15-20% жоғарылатады. Энергия алудың биожүйесі кейбір мемлекеттерде энергия көлемін 10-15% жоғарылатады, ол мемлекеттерге АҚШ, Канада, Бразилия, Қытай,Үндістан жəне Филиппин жатады. Табиғатты қорғау технологиялары бүгінгі күннің өзінде химиялық өндіріспен ластанған ағын суларды тазартуда жəне мұнаймен ластанған жерлерге, акваториларға биоремедиация жасауда жүзеге асырылады. Денсаулық сақтау ұйымы ісікке қарсы жəне вирустарға қарсы препараттар алады жəне нейтратропты препараттар, вакцинаның жаңа түрлерін, сонымен қатар генетикалық ауруларды диагностикалаудың жаңа əдістерін табады. Ең маңыздысы бұл биотехнологиялық өндіріс бүгінде əлемдегі ең қажетті ғылым саласы болып табылатындығы айқын. Қазақстанда биотехнологияның даму болашағы. Биотехнология ғылыми-техникалық прогрестiң маңызды бағыттарының бiрi болып табылады. Биологиялық жəне техникалық ғылымдар саласындағы генетикалық жəне клеткалық инженериядағы осы заманғы жетiстiктерiнiң негiзiнде адамдардың өмiр сүру деңгейiн көтеру үшiн мақсатты түрде жасалған тiрi жүйелердiң (ең алдымен, микроорганизмдер) əлеуеттi мүмкiндiктерiн пайдалануға болады. Биотехнологиялық өнiмнiң көмегiмен жақын жоспарда жəне стратегиялық тұрғыда да өндiрiстiк-технологиялық, экологиялық жəне əлеуметтiк-экономикалық мəселелер шешiлуде. Əр елдер, соның iшiнде Қазақстан үшiн де ұлттың салауаттылығы, экономикалық ауқаттылық немесе қорғаныс қабiлеттiлiгi болса да болашағының даму мəселелерi маңызды болып табылады. Бұл мəселелердi шешуде биотехнология маңызды рөл атқарады, ол ғылымды барынша қажетсiнетiн салалардың жетiстiктерiн жинақтайды, сол арқылы олардың дамуын ынталандыра отырып, жеткен нəтиженi барлық қалған салаларға таратып, оларға мүлдем басқаша сапалық деңгейге серпiндi көтерiлуiне мүмкiндiк бередi. Бiрiккен Ұлттар Ұйымының сарапшыларының қорытындысы бойынша ХХI ғасырда биотехнология оның барлық қызмет салаларында жəне ең бiрiншi кезекте азық-түлiк өнiмдерiн, медициналық препараттарды алуда, ауылшаруашылығында, экология, энергетика салаларында адамзаттың дамуын анықтайтын болады. Соңғы онжылдықта биологияда болған өзгерiстер биотехнологияның дамуында қағидалы жаңа перспективаларды ашты, өндiрiсте биологиялық үрдістерді қолдану шектерiн кеңейттi жəне "жаңа заман биотехнологиясы" деген жалпы атаумен бiрiктiрiлген бағыттардың пайда болуына əкеледі.
13
«Биотехнология» терминін шартты түрде, барынша қысқартылған түсінікпен алсақ, онда биотехнология кез келген өнімді жасап шығаруда немесе технологиялық өндірісте сапалы əрі таза өнім алу үшін тірі ағзаны қолдану үдерісі дегенді білдіреді. Мысалы, қарапайым биотехнологияға күнделікті тəжірибемізде бұрыннан аян үдерістерді жатқызамыз. Ол сүттің ашуы, қышқыл сүтті өнімдердің алынуы, айран, йогурт, шұбат, қымыз, ірімшік, шарап, сыра дайындауды жатқызуға болады. Шарап жəне сыра өндірісінде қантты ашыту барысында спиртке, сүтті қышқыл өнімдерге айналдыратын ұйытқы бактерияларды пайдалану барысында сан мыңдаған түрлерін өндіруде. Қазіргі таңда биотехнологияның мағынасы, əрине, оларға қарағанда əлдеқайда күрделірек. Жоғарыда келтіріп өткен мысалдардан бөлек те түрліше бағыттар дамыған. Əрі олар өміріміздің сан-алуан бағыттарында көрініс табуда. Заманауи əлем мен дамыған экономикада бұл ұғым таза экологияның, өнімді өндіруде табиғатты, соңғы өнімді түрлі химиялық заттармен ластамайтын жолдармен алу əдістері, ауылшаруашылығы жəне түрлі өндірістік үдерісте өнімді алу барысында оған химияны емес, табиғатта кездесетін табиғи өнімдерді қолданудың синонимі десек болады. Биотехнология – болашақтың технологиясы. Оған жарқын мысал ретінде қалпына келтірілетін энергияны жатқызуға болады. Қазіргі күні жер-жаһан 95-ші бензинді қолдануға көшті. Аталмыш бензиннің 10% мұнайдан алынбайтын биоэтанолды құрайды. Ол ауаны ластайтын зиянды заттардан барынша таза əрі мұнай өнімдеріне тəуелділікті азайтады. Биоэтанол дегеніміз, жалпақ тілмен айтқанда, өсімдік тектес шикізаттан алынатын спирт. Өкінішке орай, бүгінгі таңда осынау спирттің басым көпшілігін құрамында қанты (мысалы, қызылша) жəне крахмалы жоғары өнімдер мен бидайдан алады. Бірақ қазір əлем ғалымдары бұдан бас тартуда. Өйткені тағамды отынға, жанаржағармайға қолдану қате ұғым. Сондықтан биотехнологияның жаңа бағыты биоэтанолды құрамында целлюлозасы бар өнімдерден алуға бағытталуда. Мысалы, оған əдетте қажетсіз сабан, ағаштардың діңі, егіс алқабының қалдықтары, күтімді қажет етпейтін өсімдік тектес шөптер секілді материалдарды жатқызады. Сонымен целлюлоза арқылы еліміздің жанар-жағармайға деген қажеттілігін болашақта толық жабуға болады. Сонымен қатар, биоотынды алуда биотехнологияда ерекше орынға қойылған мəселелердің бірі. Бұл бағытта Қазақстан Республикасында биология ғылымының докторы, профессор Б.Қ. Заядан бастаған ғалымдар тобы биодизельді көкжасыл балдырлардан алу бойынша жұмыс жасауда.
14
Еліміздің медицина саласында жаңа ғылыми жаңалықтарды жаратылыстану академиясының академигі, биология ғылымдарының докторы профессор А.А. Жубанова бастаған ғалымдар тобы бастауда, олар эфферентті терапия салысында жұмыс жасауда, бұл жұмыстың негізінде детоксикациялық терапия жатыр, яғни наноқұрылысты тасымалдағыштарға жараны емдеуге қабілеті бар пробиотиктерді, антимикробты заттарды, емдік шөптерді, күміс иондарын байланыстыра отырып препараттар жəне апликациялық таңғыштар құрастырылуда.
Биомедицина бағытындағы келесі жобаның көш басшылары биология ғылымының докторы, профессор И.С. Савицкая жəне биология ғылымының кандидаты А.С. Кистаубаева, Рисо-Лакт атты пробиотикалық препараттардың жаңа заман талаптарына сай түрін ұсынуда. Аталмыш препарат дисбактериоздың асқынған түрін емдеуге арналған, бұл препараттың негізінде жоғары пробиотикалық қасиеттері бар мультилактобактерияның наносорбентке бекітілген конструкциясы тұр. Қазақстан Мемлекетіндегі химия ғылымының докторы, профессор З.А. Мансұров бастаған ғалымдар тобының ұсынып отырған тағы бір препараты энтеросорбент ИНГО-2, ол Германия, Жапония, Франция, Польша, АҚШ жəне Қытай патенттеу агенттіктерінде тіркелген жəне Қазақстан мемлекетінде патент алған, қолдануға ұсыныс алған препараттардың бірі. Медицина саласында діңгекті жасушалардың қолданысқа енуі соңғы жылдардағы ең үлкен жетістігі болып отыр. Қазақстан Республикасы Ұлттық биотехнологиялар орталығының ғалымдары медицина саласында қолдануға діңгекті жасушалар алу əдісін ойлап тапты. Тұңғыш рет ыстық температураға күйген адамдардың жараларын емдеуге арналған адам терісінің ұлпаларынан алынған жаңа жасанды тері апликациясын əзірлеуде. Олар Дүниежүзілік денсаулық сақтау ұйымының талаптарына сəйкес, қауіпсіздік тексерулерінен өтті, сондай-ақ Ұлттық ғылыми медицина орталығында клиникаға дейінгі сынақтардан өткен препараттар бой көтеруде. Əзірлеп шығарылған əдіс негізінде зақымдалған тері қабатын қалпына келтіруге арналған жасуша трансплантаттары алынады. Жақында тұңғыш рет Республикалық жедел медициналық жəрдем ғылыми орталығында жасанды теріні қолдануды жүзеге асырды. Бұрын аса ауыр күйіктен адам өліп кетуі мүмкін болатын. Ал, бүгінгі таңда биотехнология бұл мəселені жеңуде, теріге өз клеткасынан құрастырылған апликацияны жамай отырып, жараның жазылып кетуін екі есеге жылдамдатады.
15
Бұл өте үлкен жетістік, жоғары ғылым. ҚР Ұлттық биотехнология орталығы мұны істей алатын тұңғыш əрі жалғыз орталық. Қартаюға қарсы күрес, биотехнология, өмір сапасы – біздің келешектегі іс-қимылымыз осыларға тікелей байланысты. Ұлттық Биотехнология Орталығында алғаш рет гепатиттің В жəне С вирусы секілді қауіпті вирустардың бірқатарын аурудың алғашқы күндерінде-ақ анықтауға мүмкіндік беретін отандық тестжүйелер əзірлеп шығарылды, бұл əсіресе мүшелерді ауыстырып салу мен қан ауыстырып құйған кездерде, сондай-ақ жүрек аурулары кезінде тромболикалық дəрілердің мөлшерін есептеу үшін аса маңызды. Қазіргі биотехнологияның бастамасы микроорганизмдердің көмегімен антибиотиктерді, аминқышқылдарды, дəрумендерді, ферменттерді жəне т. б. заттарды өндіруден басталады. Микробиологиялық синтездің негізінде мал азығына қосымша қосылатын белоктар мен аминқышқылдардың өндірістік əдісі жасалған. Генетикалық жəне клеткалық инженерияның дамуы нəтижесінде, биотехнологиялық əдістен бұрын қол жетпей келген инсулин, интерферон препараттарын, адамның өсу гормонын жəне т. б. алу мүмкіндігі туды. Қазіргі заманда əлемде маңызды мəселелердің бірі – азық-түлік өндіру. Себебі, Жер шарындағы адам саны өскен сайын ашаршылық болу қаупі туындауда, əсіресе Африка мемлекеттерінде. Осы проблеманы шешу барысында биотехнологтар генді модифицирленген организмді (ГМО) ұсынды. Қоршаған ортаны қорғауда да биотехнологияның маңызды мəселелерінің бірі болып табылады. Мысалы, ластанған суды немесе топырақты микроорганизмдердің көмегімен тазарту. Сол сияқты тірі организмдерге зиянды əсер келтіретін өндіріс қалдықтарын бір клеткалы Chlorella балдырдың көмегімен залалсыздандыруға болады. Қолдан ұрықтандыру, арнайы жемдеу арқылы малдың тез масса жинауы биотехнологияның іргелі əдістеріне тікелей байланысты, яғни ол ауыл шаруашылығында кең қолданысқа ие. Бүкіл əлем өнімділік пен сапаны арттыру мақсатында паразиттер мен түрлі зиянды құрт-құмырсқалармен күресті химиялық əдістермен емес, табиғи əдістермен жүргізуге бет бұруда. Қазір таза биологиялық асқа жүгінетіндер саны артып келе жатыр. Бүкіл əлем соған бағыт-бағдар ұстануда. Болашақта жарқын жобалар қатарында атап көрсетер жобалардан кенде емеспіз. Қолайсыз климат жағдайларына жəне түрлі ауруларға төзімді келетін бидайдың түсімі жоғары жаңа 5 сорты жасап шығарылды. Бірнеше күріш сорты енгізілді. Қызылорда облысында жиі өсірілетін күріштің Бақанас жəне Мəдина сорттары биотехнология орталығында жасап шығарылды.
16
Олар өндіріске 2008 жылы енгізілді. Мамандарымыз диагностика жасаудың жаңа əдістерін жасап, оны енгізу үстінде. Қазақстанда қатерлі ісік ауруларына, мысалы, тұқым қуалайтын ауруларға бейімділік ерте анықталмайтыны үлкен мəселе болып тұр. Кейде тіпті анықталмайды, болмаса кеш анықталады. Ұлтық биотехнология орталығы осы ол істің орнын толтыру мақсатында ерте диагностика жасау əдістерін енгізуде. Батыста ерте диагностика жасау нəтижесінде əйелдердің қатерлі кеуде ісігінен емделуі 95%-ды құрайды. Ал бұл көрсеткіш елімізде 40% ғана. Ерте диагностика бұл кез келген аурудың алдын алады, емнің нəтижелі болуына үлкен септігін тигізеді. Осы орайда діңгекті жасушалар – біздің еліміздегі биотехнолог ғалымдардың үлкен жетістігі. Қазір біршама жаңа ғылыми жұмыстар жүргізілуде, аталған жəне аталмаған мыңдаған жобаларды жүзеге асыру үшін биотехнология саласында биотехнологиялық арнайы зауыттар бой көтеру керек, олар биомедицина, иммунобиотехнологиялық препараттарды жасауға, ауылшаруашылық, өндірістік, экологиялық жəне биоотын мен биоэтанолды қамтамасыз етіп, масштабты түрде шығаратын аппараттармен жабдықталуы қажет. Басқа бөлімдерде биотехнологияның əр түрлі бағытында қолданыс табатын үрдістер мен аппараттардың жалпы сипаттамасы келтіріледі. 1.1. Биотехнологиялық өндірістің жетістіктері. Биотехнологияда қолданылатын негізгі терминдер жəне анықтамалар Биотехнология − өнеркəсіптік микробиология, техникалық биохимия, биохимиялық жəне генетикалық инженерия, инженерлік энзимология, химиялық технология т.б. салалармен тығыз байланысқан ғылым. Осы салалардағы ашылған жаңалықтар биология ғылымының жалпы тəжірибеде қолданылу мен əртүрлі жекеленген қолданбалы бағыттарды біріктіруге негіз болды.
Достарыңызбен бөлісу: |
