छात्र पहले से ही जानते हैं कि जीवित जीव, विशेष रूप से सूक्ष्मजीव और उनमें होने वाली जैविक प्रक्रियाएं, विभिन्न घरेलू उत्पादों (दही/दही, इडली, किनेमा आदि) और औद्योगिक उत्पादों (एथेनॉल) बनाने के लिए उपयोग की जाती हैं। हमने पिछली कक्षा में पहले ही सीखा है कि जीवित जीव विविध प्रकार के चयापचयी प्रक्रियाओं से संपन्न होते हैं जो रासायनिक यौगिकों के निर्माण की ओर ले जाती हैं, जिन्हें उपापचयी कहा जाता है और जिन्हें व्यापक रूप से प्राथमिक और द्वितीयक उपापचयी में वर्गीकृत किया जाता है। प्राथमिक उपापचयी वे यौगिक होते हैं जो प्राथमिक चयापचयी पथों से सीधे उत्पन्न होते हैं जो आवश्यक कोशिकीय कार्यों जैसे वृद्धि और विकास से जुड़े होते हैं। दूसरी ओर, द्वितीयक उपापचयी मध्यवर्ती या अप्रत्यक्ष उत्पाद होते हैं, जो पूरी तरह से अलग चयापचयी पथों, जिन्हें द्वितीयक चयापचयी पथ कहा जाता है, द्वारा निर्मित होते हैं। द्वितीयक उपापचयी विविध कार्यों में भाग लेते हैं। उदाहरण के लिए, वे रोगजनकों, फाइटोप्लैंक्टन और शाकाहारियों से सुरक्षा के लिए रक्षा में उपयोग किए जाते हैं, अजैविक तनावों को सहन करने की क्षमता में सुधार करते हैं; कीटों और जानवरों को आकर्षित करने के लिए, पौधों में निषेचन, बीज प्रसार या अवांछित भक्षकों को असंतुष्ट करने में योगदान देते हैं।

आजकल, इनमें से अधिकांश द्वितीयक उपापचयज (secondary metabolites) का उपयोग फार्मास्यूटिकल्स, रंग, खाद्य योज्य, एंजाइम, विटामिन आदि के रूप में विविध प्रकार से होता है। विविध उपयोगों को देखते हुए, इन यौगिकों (जैवरसायनों) का व्यावसायिक स्तर पर उत्पादन बड़ी मात्रा में करना पड़ता है, क्योंकि प्राकृतिक रूप से उत्पन्न मात्रा पर्याप्त नहीं होती। ये यौगिक सामान्यतः व्यावसायिक स्तर पर शुद्ध रूप में उत्पादित किए जाते हैं, जो जैवप्रक्रम (bioprocessing) के अंतर्गत आने वाली कई चरणों की श्रृंखला के माध्यम से होता है। बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए, जहाँ बड़ी मात्रा (औसतन 100-10,000 लीटर) की संस्कृति को संसाधित किया जा सके, बायोरिएक्टरों के विकास की आवश्यकता थी। इस प्रकार, बायोरिएक्टरों को ऐसे पात्रों के रूप में सोचा जा सकता है जिनमें कच्चे माल को जैविक रूप से विशिष्ट उत्पादों में परिवर्तित किया जाता है, जिसमें सूक्ष्मजीव, पादप या पशु कोशिकाएँ या उनके घटक प्रयुक्त होते हैं। बायोरिएक्टर वांछित उत्पाद प्राप्त करने के लिए इष्टतम वृद्धि परिस्थितियाँ (तापमान, $\mathrm{pH}$, क्षारक, लवण, विटामिन, ऑक्सीजन) प्रदान करते हैं। इस प्रकार, जैवप्रक्रम वांछित जैवरसायनों के उत्पादन से संबंधित है, जिसमें जीवित तंत्र या उनके घटकों का उपयोग किया जाता है। जैवप्रक्रम में निर्जीव (सूक्ष्मजीव-संदूषण रहित) वातावरण या वातावरण का रखरखाव शामिल होता है ताकि केवल वांछित सूक्ष्मजीव या यूकैरियोटिक कोशिका को बड़ी मात्रा में वृद्धि के लिए सक्षम बनाया जा सके, जिससे जैवप्रौद्योगिक उत्पाद जैसे प्रतिजैविक, टीके, एंजाइम, कार्बनिक अम्ल आदि का उत्पादन किया जा सके।

10.1 ऐतिहासिक परिप्रेक्ष्य

1928 में अलेक्ज़ेंडर फ्लेमिंग द्वारा पेनिसिलिन की प्रगतिशील खोज और इसके जीवाणुओं को मारने की भूमिका के बाद, जैविक प्रणालियों से प्राप्त उत्पादों के महत्व को अच्छी तरह समझा गया। अब, वैज्ञानिक/अनुसंधान समुदाय के सामने चुनौती पेनिसिलिन के उत्पादन को बढ़ाने की थी। उपचार में इसके उपयोग के लिए बड़ी मात्रा में उत्पादन के लिए स्पष्ट रूप से उस जैविक इकाई की संस्कृति का उपयोग करके एक व्यवस्थित प्रक्रिया की आवश्यकता होगी, अर्थात् पेनिसिलियम प्रजाति। सूक्ष्म जीवों के शारीरिक विज्ञानी और अन्य जीवन वैज्ञानिकों और प्रौद्योगिकीविदों की भागीदारी की आवश्यकता को पहचाना गया। इसके बाद जीवित जीवों और प्रक्रियाओं विशेषकर सूक्ष्म जीवों से बायोप्रोसेसिंग में अनुप्रयोग के लिए कई उत्पादों की पहचान की गई। कई कंपनियों और सरकारी प्रयोगशालाओं ने विभिन्न विश्वविद्यालयों और संस्थानों की सहायता से इस चुनौती को स्वीकार किया और पेनिसिलिन के उत्पादन को बढ़ाने के प्रयास किए गए। इन सबने जैविक अनुप्रयोगों के एक नए क्षेत्र के उद्भव के लिए मार्ग प्रशस्त किया, जिसे अब बायोप्रोसेसिंग के रूप में जाना जाता है। इस प्रकार, बायोप्रोसेसिंग में जैविक या जीवित प्रणालियों या उनके घटकों (जैसे एंजाइम, क्लोरोप्लास्ट आदि) और रासायनिक अभियांत्रिकी प्रक्रियाओं का उपयोग शामिल होता है ताकि वांछित उत्पादों को वाणिज्यिक स्तर पर प्राप्त किया जा सके, जैसा कि चित्र 10.4 में दिखाया गया है।

औद्योगिक या वाणिज्यिक स्तर पर, सभी जैव-प्रक्रम fermenter या bioreactor नामक पात्रों में किए जाते हैं। हम यह भी जानते हैं कि rDNA प्रौद्योगिकी के आगमन के बाद, मानव जाति की भलाई के लिए अनेक जैविक पदार्थों के उत्पादन में सूक्ष्मजीवों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

बॉक्स 1

पेनिसिलिन की खोज

यह 1928 की बात है जब लंदन के सेंट मेरी हॉस्पिटल में अलेक्जेंडर फ्लेमिंग, फोड़े पैदा करने वाले जीवाणु स्टैफिलोकोकस ऑरियस को अलग करने का प्रयास कर रहे थे, तब उन्होंने पाया कि एक पेट्रीडिश अनजाने में किसी विदेशी तत्व से दूषित हो गया था। पेट्री प्लेट को निष्फल करने के लिए फेंकने के बजाय, फ्लेमिंग ने धुली हुई दूषित प्लेट में एक महत्वपूर्ण अवलोकन किया कि आक्रामक तत्व के पास कोई जीवाणु नहीं उग रहे थे। यह अवलोकन फ्लेमिंग की बुद्धि को चकित कर गया और उन्होंने शीघ्र ही समझ लिया कि यह संयोगिक अवलोकन रुचि का एक सार्थक क्षेत्र हो सकता है।

बाद में इस जीवाणुनाशक विदेशी तत्व की पहचान एक सामान्य फफूंद, पेनिसिलियम नोटेटम, के रूप में हुई और इसके द्वारा स्रावित उपापचयी में शक्तिशाली जीवाणुनाशक गुण थे जिसे पेनिसिलिन कहा गया। इसकी प्रभावी प्रतिजैविक के रूप में पूरी क्षमता का प्रतिपादन अर्नेस्ट चेन और हावर्ड फ्लोरी ने किया। इस प्रतिजैविक का व्यापक रूप से द्वितीय विश्व युद्ध में घायल हुए अमेरिकी सैनिकों के उपचार में उपयोग किया गया। फ्लेमिंग, चेन और फ्लोरी को इस खोज के लिए 1945 में नोबेल पुरस्कार प्रदान किया गया।

10.2 जैवप्रक्रमण में उपकरण: बायोरिएक्टर और किण्वक डिज़ाइन

बायोरिएक्टर एक इंजीनियर्ड पात्र है जो काँच या इस्पात से बना होता है और एक जैविक रूप से सक्रिय वातावरण को समर्थन देता है, जहाँ कोशिकाओं को उचित पोषण और पर्यावरणीय आवश्यकताओं के साथ रोगाणु-रहित परिस्थितियों में उगाया जा सकता है।

एक बायोरिएक्टर में जैव रासायनिक प्रक्रमों में सूक्ष्मजीव, पौधे और पशु कोशिकाओं या ऐसी कोशिका संवर्धनों या जीवों से प्राप्त जैव रासायनिक रूप से सक्रिय पदार्थों का संवर्धन शामिल होता है। सामान्यतः, बायोरिएक्टर बेलनाकार होते हैं और आकार में भिन्न होते हैं। एक विशिष्ट बायोरिएक्टर की रचना और घटक चित्र 10.1 में दिखाए गए हैं।

चित्र 10.1: (क) एक विशिष्ट बायोरिएक्टर की रचना और घटकों का आरेखीय चित्रण (ख) एक प्रयोगशाला बायोरिएक्टर का फोटोग्राफ

एक बायोरिएक्टर को निम्नलिखित आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए:

1. एक रोगाणु-रहित वातावरण, ताकि एक शुद्ध संवर्धन बिना संदूषण के उगाया जा सके

2. संवर्धन में कोशिकीय श्वसन के लिए वायर की पर्याप्त आपूर्ति

3. पोषक तत्वों, कोशिकाओं और वायर का बायोरिएक्टर पात्र में समान रूप से मिश्रण बिना संवर्धित कोशिकाओं को किसी कतरन तनाव के

4. वांछित संवर्धन में वृद्धि और उत्पाद निर्माण के लिए अनुकूल इष्टतम तापमान बनाए रखने की एक प्रणाली

5. पर्यावरणीय प्रक्रिया पैरामीटरों, जैसे कि $\mathrm{pH}$, घुले हुए ऑक्सीजन आदि की निगरानी के लिए एक प्रणाली।

इस प्रकार, इन आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए एक विशिष्ट बायोरिएक्टर में निम्नलिखित होता है:

• एजिटेटर शाफ्ट: यह बायोरिएक्टर की सामग्री को मिलाने में मदद करता है और कोशिकाओं को पूर्णतः समरूण स्थितियों में बनाए रखता है जिससे चल रही बायोप्रक्रिया के दौरान पोषक तत्वों और ऑक्सीजन का बेहतर परिवहन होता है। एक इम्पेलर एजिटेटर शाफ्ट के तल पर स्थापित होता है।
• स्पार्जर: यह बायोरिएक्टर प्रणाली के भीतर द्रव माध्यम में डूबी कोशिकाओं के विकास के लिए सूक्ष्म फिल्टरों का उपयोग करके पर्याप्त और निरंतर निस्तरीकृत वायु (ऑक्सीजन) की आपूर्ति करने में मदद करता है।
• बाफल: यह वॉर्टेक्स निर्माण को तोड़ने में मदद करता है जो अत्यंत अवांछनीय है क्योंकि यह प्रणाली के गुरुत्व केंद्र को बदल देता है जिससे प्रणाली को चलाने के लिए अतिरिक्त शक्ति खर्च करनी पड़ती है।
• जैकेट: यह उपकरण के भीतर उत्पन्न कोशिकाओं के विकास और उत्पाद निर्माण के लिए आवश्यक इष्टतम तापमान को बनाए रखने के लिए दिए गए तापमान पर पानी के परिसंचरण के लिए क्षेत्र प्रदान करता है।
• तापमान और $\mathrm{pH}$ के लिए संवेदनशील प्रोब: ये बायोप्रक्रिया के तापमान और हाइड्रोजन आयन सांद्रता को संवेदित करने वाले प्रोब हैं।
• प्रक्रिया पैरामीटरों को नियंत्रित करने के लिए डिजिटल नियंत्रक: डिजिटल नियंत्रक प्रोबों के माध्यम से बायोरिएक्टर से जुड़ा होता है और इसकी एक अलग इकाई वॉटर बाथ से जुड़ी होती है जो बायोरिएक्टर इकाई के चारों ओर उपस्थित जैकेट में इच्छित तापमान का पानी अंदर और बाहर पंप करता है ताकि तापमान को नियंत्रित रखा जा सके। यह $\mathrm{pH}$ प्रोबों और $1 \mathrm{M} \mathrm{NaOH}$ और $1 \mathrm{~N} \mathrm{HCl}$ युक्त बोतलों से भी जुड़ा होता है। जैसे ही प्रोब अम्लता या क्षारीयता को संवेदित करता है, डिजिटल नियंत्रक दोनों बोतलों में से किसी एक को आदेश देता है ताकि तनु $\mathrm{NaOH}$ या $\mathrm{HCl}$ में से कोई एक मिलाकर इच्छित $\mathrm{pH}$ को बनाए रखा जा सके। सभी प्रक्रिया पैरामीटर जिनमें तापमान, $\mathrm{pH}$, हलचल की गति (rpm) आदि शामिल हैं, नियंत्रक के डिस्प्ले पर प्रदर्शित होते हैं।

10.2.1 जैव-रिएक्टरों के प्रकार

डिज़ाइन या विन्यास के आधार पर, महत्वपूर्ण प्रकार के जैव-रिएक्टरों की चर्चा नीचे की गई है:

• स्टिर्ड टैंक रिएक्टर सबसे पारंपरिक जैव-रिएक्टर होते हैं। इन रिएक्टरों में, एजिटेटर पोषक तत्वों, ऑक्सीजन और बढ़ती कोशिकाओं के मिश्रण में सहायता करता है। रिएक्टर की विशेषता एजिटेटर शाफ्ट की उपस्थिति होती है। विभिन्न जैव-प्रक्रमों के लिए इम्पेलर का डिज़ाइन, आकार और आकार भिन्न होता है [चित्र 10.2(a)]।

चित्र 10.2: जैव-रिएक्टरों के विभिन्न प्रकार

• एयर-लिफ्ट रिएक्टरों में, ड्राफ्ट ट्यूब का उपयोग करके वायु की गति उत्पन्न की जाती है। पोषक तत्वों और ऑक्सीजन का मिश्रण वायु धारा बनाकर बनाए रखा जाता है जो द्रव ब्रॉथ और कोशिकाओं को ऊपर-नीचे, अंदर-बाहर या इसके विपरीत रिएक्टर वेसल के अंदर ड्राफ्ट ट्यूब के माध्यम से उठाती है [चित्र 10.2(b)]।
• बबल कॉलम रिएक्टर में, पोषक तत्वों और ऑक्सीजन का मिश्रण स्पार्जर जेट के माध्यम से उत्पन्न वायु बुलबुलों की सहायता से बनाए रखा जाता है। ये रिएक्टर कम शियर वातावरण प्रदान करते हैं, जो कुछ कोशिकाओं के लिए एक महत्वपूर्ण विचार हो सकता है और शक्ति इनपुट प्रति इकाई उच्च ऑक्सीजन स्थानांतरित करता है [चित्र 10.2(c)]।

10.3 जैव-प्रक्रम के संचालन चरण

एक जैव-प्रक्रम मुख्य रूप से दो चरणों से बना होता है कच्चे माल को अंतिम उत्पाद में बदलने के लिए, अर्थात् अपस्ट्रीम और डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग (चित्र 10.3)।

चित्र 10.3: अपस्ट्रीम और डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग के विभिन्न चरण

अपस्ट्रीम बायोप्रोसेसिंग चार घटकों से बना होता है जैसा कि नीचे विस्तार से दिया गया है:

1. कृत्रिम माध्यम में पोषण संबंधी स्थितियों का अनुकूलन और जीवित जीवों, कोशिकाओं या उसके अवयवों की कल्चरिंग के लिए फॉर्मूलेशन

2. माध्यम, बायोरिएक्टर और अन्य अतिरिक्त उपकरणों तथा साजो-सामान की निर्जीवीकरण

3. पर्याप्त मात्रा में शुद्ध, सक्रिय और स्वस्थ इनोकुलम का उत्पादन

4. वृद्धि और उत्पाद निर्माण के लिए पर्यावरणीय स्थितियों का अनुकूलन

दूसरी ओर, डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग दो चरणों से बना होता है जैसा कि नीचे विस्तार से दिया गया है:

1. उत्पाद का निष्कर्षण, पुनर्प्राप्ति और शुद्धिकरण

2. प्रक्रिया द्वारा उत्पन्न अपशिष्टों का निपटान अपस्ट्रीम और डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग को निम्नलिखित खंडों में विस्तार से वर्णित किया गया है।

10.3.1 अपस्ट्रीम प्रोसेसिंग

एक विशिष्ट अपस्ट्रीम जैवप्रक्रिया में कच्चे माल के रूप में सूक्ष्मजीव, पौधे या पशु कोशिकाओं का जैवद्रव्य होता है जिसे सामान्यतः संसाधित किया जाता है और अन्य घटकों के साथ मिलाया जाता है जो कोशिकाओं की अच्छी वृद्धि के लिए आवश्यक होते हैं। जैवप्रक्रिया में प्रयुक्त होने वाला कच्चा माल पहले एक उपयुक्त किण्वन योग्य रूप में परिवर्तित किया जाता है। द्रव या ठोस पोषक माध्यम की तैयारी, निर्जीवीकरण, वातन, आंदोलन और कतरनी संवेदनशीलता के अतिरिक्त अन्य कई प्रारंभिक संचालन और उच्च उत्पाद निर्माण के लिए स्केल-अप निम्नलिखित खंडों में वर्णित हैं।

पोषक माध्यम या कल्चर माध्यम जो किसी विशेष संस्कृति की अधिकतम वृद्धि और उत्पाद निर्माण के लिए आवश्यक होता है, रसायनों और पोषक तत्वों आदि का उपयोग करके तैयार किया जाता है। सूक्ष्मजीव, पौधे और पशु कोशिका संस्कृति के लिए विभिन्न माध्यम संरचनाएं निर्धारित की जाती हैं (अध्याय 6-8)।

माध्यम घटकों की आवश्यकता जीव की प्रजाति के अनुसार जैवसंश्लेषण और कोशिका रखरखाव के लिए भिन्न होती है। वृद्धि और उत्पाद निर्माण के लिए निम्नलिखित समीकरण स्टॉइकियोमेट्री पर आधारित माना जा सकता है:

कार्बन और ऊर्जा स्रोत + नाइट्रोजन स्रोत + अन्य आवश्यकताएं $\longrightarrow$ कोशिका जैवद्रव्य + उत्पाद + कार्बन डाइऑक्साइड + जल + ऊष्मा

यह समीकरण माध्यम घटकों की बर्बादी को कम करके माध्यम की आर्थिक डिज़ाइनिंग के लिए महत्वपूर्ण है। उदाहरण के लिए, एरोबिक परिस्थितियों में किसी विशेष संस्कृति की कार्बन आवश्यकता को कोशिकीय उपज गुणांक $(\mathrm{Y})$ का निर्धारण करके अनुमानित किया जा सकता है:

$$ \mathrm{Y}=\frac{\text { संस्कृति द्वारा उत्पादित कोशिका शुष्क भार की मात्रा }}{\text { उपयोग किए गए कार्बन सब्सट्रेट की मात्रा }} $$

चित्र 10.4: जैवप्रक्रम विकास

इसी प्रकार, किसी जैवप्रक्रम में अन्य माध्यम घटकों को भी न्यूनतम अपव्यय और संस्कृति की इष्टतम उत्पादकता के लिए निर्धारित किया जा सकता है। इस प्रकार, माध्यम संरचना किसी जैवप्रक्रम के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।

व्यवहार्य, स्वस्थ, तेजी से बढ़ने वाली और उच्च उत्पादन क्षमता वाली जीवित कोशिकाओं, अंगों या जीवों का इनोकुलम अच्छी वृद्धि और तकनीकी रूप से व्यवहार्य तथा आर्थिक रूप से कुशल उत्पादन के लिए अत्यावश्यक होता है। इनोकुलम ठोस संस्कृति या द्रव संस्कृति पर विकसित किया जा सकता है। द्रव संस्कृति सामान्यतः शेक फ्लास्क में विकसित की जाती है और इसे निलंबन संस्कृति कहा जाता है। इनोकुलम के रूप में प्रयुक्त होने वाली संस्कृति को निम्नलिखित मानदंडों को पूरा करना चाहिए:

1. इनोकुलम स्वस्थ होना चाहिए और वृद्धि चक्र के लॉग या चर घट चरण में होना चाहिए (अर्थात् सक्रिय रूप से विभाजित हो रहा हो)।

2. अगले स्थानांतरण में इनोकुलम लंबे लैग चरण को प्रदर्शित नहीं करना चाहिए।

3. इसे इष्टतम आकार के इनोकुलम को प्रदान करने के लिए पर्याप्त मात्रा में उपलब्ध होना चाहिए।

4. इसे उपयुक्त आकृति विज्ञान रूप में उपलब्ध होना चाहिए।

5. इसे संदूषण से मुक्त होना चाहिए।

6. इसे अपनी उत्पाद बनाने की क्षमता बनाए रखनी चाहिए।

एरेशन शेक फ्लास्क और बायोरिएक्टर में डूबी हुई सस्पेंशन कल्चर की ऑक्सीजन आवश्यकता को पूरा करने के लिए आवश्यक है। आदर्श रूप से, शुद्ध पानी में घुली हुई ऑक्सीजन की अधिकतम मात्रा लगभग $8 \mathrm{~g} / \mathrm{L}$ होती है, जो तरल मीडिया में बढ़ती हुई डूबी हुई कल्चर के लिए उपलब्ध होती है। बायोरिएक्टर में, मीडिया में ऑक्सीजन के स्तर को बनाए रखने के लिए शुद्ध बाँझ हवा स्पार्जर के माध्यम से भेजी जाती है ताकि कल्चर की वृद्धि हो सके।

ऑक्सीजन और अन्य पोषक तत्वों के समान वितरण के लिए एक हल्की आंदोलन आवश्यक है। कुछ कोशिकाएँ जैसे कि पशु कोशिकाएँ पौधों की कोशिकाओं की तुलना में अधिक शियर संवेदनशील होती हैं। पौधों की कोशिकाएँ सूक्ष्मजीव कोशिकाओं की तुलना में शियर के प्रति अधिक संवेदनशील होती हैं। इस प्रकार, शेक फ्लास्क में, कोशिकाओं की शियर तनाव या संवेदनशीलता को शेकर की गति को बढ़ाकर या घटाकर नियंत्रित किया जा सकता है, अर्थात् आंदोलन की स्थिति में प्रति मिनट चक्कर ( $\mathrm{rmm}$ )। वही बायोरिएक्टर में एजिटेटर की गति को बढ़ाकर या घटाकर बनाए रखा जाता है।

अधिकतम वृद्धि और उत्पादन के लिए आवश्यक तापमान को बनाए रखना होता है। विभिन्न कल्चरों के लिए तापमान की आवश्यकता अलग-अलग होती है। वांछित उत्पाद के निर्माण के लिए एक इष्टतम तापमान हो सकता है। कल्चर वृद्धि और उत्पाद निर्माण के लिए इष्टतम तापमान समान या भिन्न हो सकता है।

हाइड्रोजन आयन सांद्रता $\mathbf{( p H )}$ एक अन्य पैरामीटर है जो वृद्धि और उत्पाद निर्माण को प्रभावित करता है। एक कुशल बायोप्रोसेस के लिए वृद्धि और उत्पाद निर्माण के लिए इष्टतम $\mathrm{pH}$ को बनाए रखना आवश्यक है।

इस प्रकार, किसी जैव-प्रक्रिया को चलाने से पहले सभी प्रक्रिया पैरामीटर, जैसे पोषक माध्यम की संरचना, तापमान, हाइड्रोजन आयन सांद्रता आदि, को अलग-अलग अनुकूलित किया जाता है।

सफल जैव-प्रक्रिया के लिए निर्जीवीकरण एक अनिवार्य आवश्यकता है। इसके लिए उपकरण, ग्लासवेयर, माध्यम, वायु या बायोरिएक्टर का स्थान पर निर्जीवीकरण आदि की आवश्यकता होती है, साथ ही बायोरिएक्टर में प्रक्रियाओं और स्केल-अप को निर्वातित रखने के लिए रोगाणुरहित स्थितियाँ बनाए रखना भी आवश्यक है। इस प्रकार, जैव-प्रक्रिया में संदूषण से बचा जा सकता है निम्नलिखित तरीकों से:

1. पोषक माध्यम का निर्जीवीकरण

2. बायोरिएक्टर पात्र का निर्जीवीकरण

3. प्रक्रिया के दौरान बायोरिएक्टर पात्र में डाले जाने वाले सभी पदार्थों का निर्जीवीकरण

4. किण्वन के दौरान रोगाणुरहित स्थितियाँ बनाए रखना

5. शुद्ध संवर्ध को प्रारंभिक संस्करण के रूप में उपयोग करना

• एक विशिष्ट जैव-प्रक्रिया विकास चरण को चित्र 10.4 में संक्षेपित किया गया है

जैव-प्रक्रिया संचालन की विधियाँ

जैव-प्रक्रिया विकास में एक महत्वपूर्ण निर्णय यह होता है कि किसी विशेष जैव-प्रक्रिया पर कौन-सी जैव-प्रक्रिया संचालन विधि लागू की जाए। मुख्य रूप से तीन भिन्न विधियाँ हैं जिनके अंतर्गत कोई जैव-प्रक्रिया संचालित की जा सकती है:

1. बैच

2. फेड-बैच

3. सतत

1. बैच मोड: यह एक बंद संवर्धन प्रणाली है जिसमें प्रारंभ में पोषक तत्वों की एक निश्चित मात्रा होती है। एक अनुवर्धित बैच संवर्धन वृद्धि चक्र के कई चरणों से गुजरता है। जब कोशिकाएँ किसी पोषक माध्यम में वर्धित की जाती हैं, तो वे संख्या और आकार में कुछ हद तक बढ़ने लगती हैं। उपयुक्त पोषक माध्यम में, कोशिकाएँ वृद्धि और ऊर्जा उत्पादन के लिए माध्यम से पोषक तत्वों का उपयोग करती हैं और जीव-प्रक्रमित (किण्वित) सामग्री को उत्पाद में परिवर्तित करती हैं। चित्र 10.5(a) बैच संवर्धन में कोशिका जैव-द्रव्य [X], क्षारक उपभोग की दर [Qs] और क्षारक सांद्रता [S] को दर्शा रहा है।

चित्र 10.5: कोशिका संवर्धन की वृद्धि की आलेखीय प्रस्तुति (a) बैच मोड (b) फेड-बैच मोड और (c) निरंतर संवर्धन मोड में।

2. फेड-बैच मोड: बैच कल्चर में यदि एक या अधिक सब्सट्रेट घटकों की सांद्रता के कारण कोशिकाओं की वृद्धि सीमित हो जाती है, तो उन्हें समय-समय पर आवश्यकतानुसार बढ़ते हुए कल्चर में रुक-रुककर या लगातार डाला जाता है। ऐसे कल्चर में फर्मेंटर की मात्रा अतिरिक्त फीड जोड़े जाने और कल्चर की किसी भी मात्रा को हटाए बिना बढ़ जाती है। इसे फेड-बैच मोड ऑफ कल्चर कहा जाता है, जो अवशेष सब्सट्रेट सांद्रता को बहुत कम स्तर पर बनाए रखने और इस प्रकार उनके विषैले प्रभावों से बचने के लिए लाभदायक है। इस कल्चर सिस्टम में, सब्सट्रेट सांद्रता ’s’ और सब्सट्रेट उपयोग की दर $\left[Q_{s}\right]$ स्थिर रहती है और कोशिका बायोमास/उत्पाद लगातार बढ़ता रहता है चित्र 10.5(b)।

3. सतत मोड: इस मोड में, बायोप्रोसेस (रिएक्टर) का डिज़ाइन इस प्रकार है कि पोषक मीडिया की ताजा खुराक जोड़ी जाती है और प्रयुक्त मीडिया को इस प्रकार हटाया जाता है ताकि वांछित उत्पाद की निरंतर आपूर्ति सुनिश्चित की जा सके। इसी प्रकार, टीके की ताजा खुराक भी जोड़ी जा सकती है। इस प्रकार, सतत मोड में एक स्थिर अवस्था बनाए रखी जाती है, अर्थात् कल्चर द्वारा नई बायोमास का निर्माण रिएक्टर वेसल से कोशिकाओं की हानि से संतुलित होता है चित्र 10.5(c)। इस प्रकार, स्थिर अवस्था के दौरान वृद्धि और उत्पाद निर्माण की दर, सब्सट्रेट सांद्रता और सब्सट्रेट उपयोग की दर स्थिर रहती है।

डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग

इस प्रक्रिया में, वांछित उत्पाद को एक

चित्र 10.6: डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग के प्रमुख चरण
कुशल तरीके से जिसमें कुशल पृथक्करण और शुद्धिकरण तकनीक शामिल होती है। इस प्रकार, बायोप्रोसेस का उत्पाद कोशिका जैव-द्रव्य, द्रव माध्यम (ब्रॉथ) का बाह्यकोशिकीय घटक या कोशिका का अंतःकोशिकीय उत्पाद हो सकता है। डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग की प्रमुख प्रक्रिया चित्र 10.6 में दिखाई गई है। संवर्धन द्रव से उत्पाद के निष्कर्षण और शुद्धिकरण में कठिनाई और खर्च हो सकता है। उच्च गुणवत्ता वाला कुशल पुनर्प्राप्ति निम्नलिखित विचारों की मांग करता है:

1. चुनी गई प्रक्रिया तेज होनी चाहिए।

2. चुनी गई प्रक्रिया में न्यूनतम निवेश होना चाहिए और न्यूनतम लागत पर संचालित होनी चाहिए।

डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग मुख्यतः भौतिक पृथक्करण के साथ-साथ शुद्धिकरण संचालनों से बना होता है, जिसमें कणों का पृथक्करण, डायलिसिस, रिवर्स ऑस्मोसिस, ठोस-द्रव पृथक्करण, अधिशोषण, द्रव-द्रव निष्कर्षण, आसवन, सुखाना आदि शामिल हैं।

ठोस-द्रव पृथक्करण: उत्पाद पुनर्प्राप्ति का पहला चरण जीवित कोशिकाओं, अघुलनशील कणों और बड़े अणुओं जैसे ठोस पदार्थों को संवर्धन द्रव या किण्वन ब्रोथ से अलग करना है। कुछ मामलों में, संवर्धन ब्रोथ या किण्वन द्रव को पूर्व-उपचार की आवश्यकता होती है, जैसे कि गर्म करना या $\mathrm{pH}$ समायोजन या द्रव या ब्रोथ से अघुलनशील उत्पादों के पृथक्करण के लिए संघनन और फ्लोक्युलेटिंग एजेंटों के साथ उपचार। कोशिका जीवित कोशिकाओं के पृथक्करण के लिए प्रयुक्त प्रमुख विधियाँ फिल्ट्रेशन या सेंट्रीफ्यूगेशन हैं।

फिल्ट्रेशन बड़े कणों और कोशिका जीवित कोशिकाओं को संवर्धन द्रव से अलग करने के लिए प्रयुक्त सबसे सामान्य लागत-प्रभावी विधि है। पारंपरिक फिल्ट्रेशन में बड़े कणों (छिद्र व्यास $\mathrm{dp}>10$ $\mathrm{mm}$) का पृथक्करण कैनवास, सिंथेटिक फैब्रिक्स या ग्लास फाइबर को फिल्टर माध्यम के रूप में उपयोग करके किया जाता है। निरंतर रोटरी फिल्टर उद्योग में सबसे व्यापक रूप से प्रयुक्त फिल्टर हैं। अल्ट्रा-फिल्ट्रेशन या सूक्ष्मछिद्रयुक्त फिल्ट्रेशन भी कोशिका जीवित कोशिकाओं के पृथक्करण के लिए प्रयुक्त किया जाता है।

सेंट्रीफ्यूगेशन का उपयोग $100 \mu$ से $0.1 \mu$ के बीच के कण आकार को द्रव से सेंट्रीफ्यूज और अल्ट्रासेंट्रीफ्यूज में पृथक करने के लिए किया जाता है।

कोशिका विघटन: यदि उत्पाद अंतःकोशिकीय है, तो इसे कोशिका विघटन द्वारा पुनर्प्राप्त किया जा सकता है। कोशिका विघटन तकनीकें शक्तिशाली हो सकती हैं लेकिन इतनी मृदु होनी चाहिए कि वांछित उत्पाद को नुकसान न पहुँचाए। कोशिका विघटन भौतिक, रासायनिक और जैविक विधियों द्वारा प्राप्त किया जा सकता है।

भौतिक विधियों में उच्च-गति वाली बीड मिलों में मिलिंग द्वारा कोशिका विघटन, उच्च दाब होमोजेनाइज़र का उपयोग करके अत्यधिक शियर दर उत्पन्न करके होमोजनीकरण, और अल्ट्रासोनिकेटर में ध्वनि तरंगों के माध्यम से अल्ट्रासोनिक कंपन शामिल हैं। अल्ट्रासोनिकेटर का उपयोग कर कोशिका विघटन अधिकांश कोशिका निलंबन संवर्धन के साथ अत्यंत प्रभावी होता है।

गैर-यांत्रिक विधियों में सर्फैक्टेंट, क्षार, कार्बनिक विलायकों जैसे रसायनों के साथ कोशिकाओं का उपचार या ओस्मोटिक झटके के अतिरिक्त जैविक विधियाँ जैसे कि एंजाइमेटिक कोशिका भित्ति अपघटन शामिल हैं।

पुनःप्राप्ति

ठोस और द्रव को अलग करने के बाद एक तनु जलीय विलयन प्राप्त होता है जिससे उत्पाद को पुनः प्राप्त करना और शुद्ध करना होता है। निष्कर्षण और अधिशोषण ऐसी प्रक्रियाएँ हैं जिन्हें विशेष रूप से उत्पाद की पुनःप्राप्ति की तकनीकों के रूप में वर्गीकृत किया जाता है।

पुनःप्राप्ति प्रक्रिया का चयन निम्नलिखित मानदंडों पर आधारित होता है:

1. उत्पाद का अंतःकोशिकीय या बाह्यकोशिकीय स्थान।

2. संवर्धन द्रव में उत्पाद की सांद्रता।

3. वांछित उत्पाद के भौतिक और रासायनिक गुण।

4. शुद्धता का न्यूनतम स्वीकार्य मानक।

5. संवर्धन द्रव में अशुद्धियाँ।

एक द्रव मिश्रण से किसी घटक को उस विलायक के साथ उपचार द्वारा पृथक करना जिसमें वांछित घटक वरीयता से विलेय होता है, द्रव-द्रव निष्कर्षण कहलाता है। विशिष्ट आवश्यकता यह है कि उत्पाद का उच्च प्रतिशत निष्कर्षण प्राप्त हो लेकिन वह छोटे आयतन के विलायक में सांद्रित हो। कुशल निष्कर्षण के लिए निष्कर्षण हेतु उपयुक्त विलायक का चयन करना और तापमान, (\mathrm{pH}), प्रकाश आदि की स्थितियों का अनुकूलन आवश्यक है। पूर्ण निष्कर्षण के पश्चात् विलेय से समृद्ध प्रावस्था को निष्कर्ष तथा शेष द्रव जिससें विलेय हटा दिया गया है, को राफिनेट कहा जाता है।

शुद्धिकरण: शुद्धिकरण तकनीकों में अवक्षेपण, वर्णलेखिकी, विद्युत्कण संचलन, झिल्ली पृथकन, डायलिसिस, प्रतिपरासरण, अतिसंवहन आदि सम्मिलित हैं; इनमें से कुछ तकनीकें उत्पादों की पुनःप्राप्ति के लिए भी प्रयुक्त होती हैं। कक्षा ग्यारहवीं में आपने वर्णलेखिकी तथा विद्युत्कण संचलन के बारे में पहले ही पढ़ा है। कुछ अन्य शुद्धिकरण तकनीकों की चर्चा नीचे की गई है:

• अवक्षेपण एक ऐसी तकनीक है जो प्रोटीनों और प्रतिजैविकों की पुनःप्राप्ति के लिए व्यापक रूप से प्रयुक्त होती है। इसे लवणों, कार्बनिक विलायकों तथा अतिसंवहन के योग से प्रेरित किया जा सकता है।

झिल्ली पृथक्करण प्रक्रिया को तीन श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: सूक्ष्मपारकणन, अल्ट्राफिल्ट्रेशन और रिवर्स ऑस्मोसिस। ये सभी दाब-चालित झिल्ली पृथक्करण प्रक्रियाएँ हैं जिनमें बहुत छोटे छिद्र आकारों के माध्यम से पृथक्करण प्राप्त किया जाता है। सूक्ष्मपारकणन में, छिद्र आकार 0.1 से $10 \mu \mathrm{m}$ होता है, जबकि अल्ट्राफिल्ट्रेशन में यह $0.01-0.1 \mu \mathrm{m}$ तक होता है।

तालिका 10.1: विभिन्न प्रकार की निस्पंदन प्रक्रियाएँ

प्रक्रिया	आकार सीमा	आण्विक वजन सीमा	दाब अंतर (psi)	सामग्री अवरुद्ध
सूक्ष्मपारकणन	$0.01-10 \mu \mathrm{m}$	$<1000,000 \mathrm{Da}$	10	निलंबित सामग्री (जीवाणु आदि)
अल्ट्राफिल्ट्रेशन	$0.01-0.1 \mu \mathrm{m}$	$300-300,000$ $\mathrm{Da}$	$10-100$	जैविक, कोलॉइड, बड़े अणु
रिवर्स ऑस्मोसिस	$0.001 \mu \mathrm{m}$ या $<1 \mu \mathrm{m}$	$<300 \mathrm{Da}$	$100-800$	सभी निलंबित और घुले हुए पदार्थ

प्रोटीन उत्पाद अल्ट्राफिल्ट्रेशन की आण्विक सीमा की सीमा के अंतर्गत आते हैं।

यदि खारे पानी को शुद्ध पानी से एक अर्धपारगम्य झिल्ली द्वारा अलग किया जाता है, तो परासरण होता है, अर्थात् जल अणु शुद्ध जल चरण से खारे जल चरण की ओर चले जाते हैं [चित्र 10.7(a)]। जैसे-जैसे जल खारे चरण में जाता है, उसका दाब बढ़ता है। इस दाब को परासरण दाब कहा जाता है [चित्र 10.7(b)]। रिवर्स ऑस्मोसिस (RO) में, लवण युक्त चरण पर दाब लगाया जाता है, जो जल अणुओं को विपरीत दिशा में, अर्थात् लवण युक्त चरण से शुद्ध जल चरण की ओर चलाता है [चित्र 10.7(c)]। जल को विपरीत दिशा में चलाने के लिए आवश्यक दाब, परासरण दाब से थोड़ा अधिक होता है क्योंकि विलायक प्रवाह सांद्रता प्रवणता के विरुद्ध दिशा में होता है [चित्र 10.7(c)]।

चित्र 10.7: रिवर्स ऑस्मोसिस: दाब संचालित झिल्ली पृथक्करण प्रक्रियाएँ

डायलिस एक ऐसी प्रक्रिया है जिसका उपयोग निम्न-आण्विक भार (MW) वाले विलेयों, जैसे कार्बोक्सिलिक अम्ल $(\mathrm{MW}=100-500 \mathrm{Da})$ और अकार्बनिक आयनों (आण्विक भार $=$ 10-100 Da) को एक चयनात्मक रूप से पारगम्य झिल्ली के माध्यम से विलयन से हटाने के लिए किया जाता है। एक प्रसिद्ध उदाहरण कृत्रिम गुर्दे (डायलिसिस) यंत्रों में मूत्र से यूरिया $(\mathrm{MW}=60)$ को हटाने के लिए डायलिसिस झिल्लियों का उपयोग है।

चित्र 10.8: डायलिसिस

जैसा कि चित्र 10.8 में दिखाया गया है, डायलिसिस झिल्ली दो चरणों को अलग करती है जिनमें कम और उच्च आण्विक भार के विलयन होते हैं। चूँकि डायलिसिस झिल्ली के छिद्रों की कट-ऑफ साइज़ बहुत छोटी होती है, केवल कम आण्विक भार के अणु ही उच्च सांद्रता क्षेत्र से निम्न सांद्रता क्षेत्र की ओर गतिशील होते हैं। साम्यावस्था पर, झिल्ली के दोनों ओर विसरित यौगिकों के रासायनिक विभव समान होते हैं।

10.4 वांछित उत्पादों का जैवप्रक्रमण और जैव-विनिर्माण

इन दिनों जैवप्रक्रमन उद्योगों ने सूक्ष्मजीवों, पशु और पादप कोशिकाओं तथा उनके घटकों का उपयोग करके प्राथमिक (अमीनो अम्ल और कार्बनिक अम्ल) तथा द्वितीयक उपापचयज (प्रतिजैविक) दोनों से कई मूल्यवान उत्पाद सफलतापूर्वक प्रदान किए हैं। कुछ उदाहरण हैं: अल्कोहल, प्रतिजैविक, अमीनो अम्ल, कार्बनिक अम्ल, एंजाइम, विटामिन, टीके, पुनःसंयोजी प्रोटीन, रंजक, पादप क्षार आदि का उत्पादन (तालिका 10.2)। ये उत्पाद अब हमारे दैनंदिन जीवन का अभिन्न अंग बन चुके हैं। इनमें से कुछ का वर्णन तालिका 10.3 में किया गया है।

प्राचीन काल से ही खमीर (यीस्ट) का उपयोग एथेनॉल उत्पादन के लिए किया जाता रहा है। खमीर की एक सामान्य प्रजाति Saccharomyces cerevisiae, जिसे आमतौर पर ब्रुअर या बेकर यीस्ट कहा जाता है, का उपयोग माल्ट किए गए अनाज और फलों के रस के किण्वन से एथेनॉल उत्पादन के लिए किया जाता है। कच्चे माल के प्रकार और प्रक्रियाओं के आधार पर विभिन्न प्रकार की मादक पेय प्राप्त की जाती हैं। वाइन और बीयर को आसवन के बिना उत्पादित किया जाता है, जबकि व्हिस्की, ब्रांडी और रम किण्वित शोरबे के आसवन द्वारा उत्पादित किए जाते हैं।

तालिका 10.2: जैवप्रक्रम उत्पादों की विविधता के उदाहरण

प्रकार	उत्पाद
कोशिका जैवद्रव्य	बेकर यीस्ट, एकल कोशिका प्रोटीन
बाह्यकोशिकीय	एल्कोहल, कार्बनिक अम्ल, अमीनो अम्ल, एंजाइम, एंटीबायोटिक्स
अंतःकोशिकीय	पुनःसंयोजक डीएनए प्रोटीन

तालिका 10.3: व्यावसायिक स्तर पर जैवप्रक्रमों के कुछ प्रमुख उत्पाद

उत्पाद	श्रेणी	उपयोग किए गए सूक्ष्मजीव या पौधे या जानवरों की कोशिकाएँ
एथेनॉल	अल्कोहल	सैकेरोमाइसीज़ सिरेविसिए
एल-ग्लूटामिक अम्ल	अमीनो अम्ल	कोरीनेबैक्टीरियम ग्लूटैमिकम
लैक्टिक अम्ल	कार्बनिक अम्ल	लैक्टोबैसिलस डेलब्रूकी
प्रोटीज़	एंजाइम	बेसिलस spp.
पेक्टिनेज़	एंजाइम	एस्परजिलस नाइजर
पेनिसिलिन	एंटीबायोटिक्स	पेनिसिलियम क्राइसोजेनम
बी 12	विटामिन	प्रोपियोनिबैक्टीरियम शेरमैनियोर स्यूडोमोनास डेनाइट्रिफिकन्स
डिप्थीरिया वैक्सीन	वैक्सीन	कोरीनेबैक्टीरियम डिप्थीरीए
इंसुलिन	पुनःसंयोजित प्रोटीन	पुनःसंयोजित एस्चेरिचिया कोलाई
शिकोनिन	रंजक (क्विनोन व्युत्पन्न या नैफ्थाक्विनोन)	लिथोस्पर्मम एरिथ्रोराइज़न
टैक्सोल	पौधे के क्षारक	टैक्सस ब्रेवीफोलिया

एंटीबायोटिक्स का उत्पादन जैवप्रक्रमण और जैव-विनिर्माण की मानव समाज की भलाई की दिशा में एक अन्य महत्वपूर्ण भागीदारी है। इस अध्याय में पहले ही चर्चा की जा चुकी है कि किस प्रकार पेनिसिलिन, पहला एंटीबायोटिक, खोजा गया था जो वास्तव में एक संयोग से हुई खोज थी। पेनिसिलिन के बाद, अन्य एंटीबायोटिक्स भी अन्य सूक्ष्मजीवों से शुद्ध किए गए।

अमीनो अम्ल, जैसे लाइसिन और ग्लूटामिक अम्ल, क्रमशः पोषक तत्वों की खुराक और स्वाद बढ़ाने वाले यौगिकों के रूप में खाद्य उद्योग में उपयोगी हैं। अमीनो अम्लों का उत्पादन आमतौर पर उन उत्परिवर्तित जीवों द्वारा किया जाता है जिनमें किसी विशिष्ट अमीनो अम्ल या एक प्रमुख मध्यवर्ती के संश्लेषण की क्षमता कम हो गई हो। Corynebacterium glutamicum के उत्परिवर्तित जीव ग्लूटामिक अम्ल और लाइसिन के वाणिज्यिक उत्पादन के लिए उपयोग किए जाते हैं। कुछ रसायन, जैसे कार्बनिक अम्ल, एंजाइम और कई अन्य जैविक सक्रिय अणु, उद्योग में जैवप्रक्रमण के माध्यम से वाणिज्यिक रूप से उत्पादित किए जाते हैं। कई प्रकार के सूक्ष्मजीवों का उपयोग कई कार्बनिक अम्लों के जैवप्रक्रमण में किया जाता है। एक कवक प्रजाति Aspergillus niger का उपयोग सिट्रिक अम्ल उत्पादन के लिए किया गया था, और जीवाणु की प्रजाति Acetobacter aceti का उपयोग एसिटिक अम्ल के उत्पादन के लिए किया गया था; Clostridium butylicum ब्यूटिरिक अम्ल के उत्पादन के लिए और Lactobacillus sp. लैक्टिक अम्ल के उत्पादन के लिए।

एंजाइमों का व्यावसायिक रूप से भी जैव-प्रसंस्करण के माध्यम से उत्पादन किया जाता है। लिपेस डिटर्जेंट फॉर्मूलेशन में उपयोग किए जाते हैं और लॉन्ड्री से तैलीय दाग हटाने में सहायक होते हैं। आपने गौर किया होगा कि बाज़ार से खरीदे गए बोतलबंद फलों के रस घरेलू रसों की तुलना में अधिक साफ़ होते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि इन रसों को पेक्टिनेस और प्रोटेज़ के उपयोग से साफ़ किया जाता है। प्रोटेज़ चमड़े उद्योग में भी उपयोग किए जाते हैं। इन एंजाइमों का व्यावसायिक स्तर पर जैव-प्रसंस्करण विभिन्न प्रकार की कवक जातियों जैसे एस्परजिलस, बेसिलस, म्यूकर, ट्राइकोडर्मा आदि का उपयोग करता है। स्ट्रेप्टोकोकस प्रजातियों का उपयोग करके उत्पादित और आनुवंशिक इंजीनियरिंग द्वारा संशोधित स्ट्रेप्टोकाइनेज़, हृदयाघात से गुज़रे रोगियों की रक्त वाहिकाओं से थक्के हटाने के लिए ‘क्लॉट बस्टर’ के रूप में उपयोग किया जाता है। एक अन्य जैव-सक्रिय अणु साइक्लोस्पोरिन A, जो अंग प्रत्यारोपण रोगियों में प्रतिरक्षा-दमनकारी एजेंट के रूप में उपयोग किया जाता है, कवक ट्राइकोडर्मा पॉलीस्पोरम के उपयोग से उत्पादित किया जाता है।

खमीर मोनास्कस पर्प्यूरियस द्वारा उत्पादित स्टेटिन्स को रक्त-कोलेस्ट्रॉल घटाने वाले एजेंट के रूप में व्यावसायिक रूप से बाज़ार में उतारा गया है। यह कोलेस्ट्रॉल संश्लेषण के लिए उत्तरदायी एंजाइम की प्रतिस्पर्धी रोकथाम द्वारा कार्य करता है।

कई विटामिन विशेष रूप से $B_{12}$ और राइबोफ्लेविन सूक्ष्मजीवों का उपयोग कर किण्वन द्वारा वाणिज्यिक रूप से उत्पादित किए जाते हैं। विटामिन $B_{12}$ को पहली बार विभिन्न एंटीबायोटिक्स—स्ट्रेप्टोमाइसिन, क्लोरैम्फेनिकॉल या नियोमाइसिन—के उत्पादन में उपोत्पाद के रूप में प्राप्त किया गया था, जिसमें बैक्टीरिया जीनस Streptomyces के किण्वन का उपयोग किया गया था। बाद में, Propionibacterium freudenreichii, Pseudomonas denitrificans, Bacillus megaterium और Streptomyces olivaceus की उच्च-उपज देने वाली उपभेदों को विटामिन $\mathrm{B}_{12}$ के उत्पादन के लिए विकसित किया गया।

राइबोफ्लेविन का वाणिज्यिक उत्पादन जैव-रूपांतरण के साथ-साथ किण्वन द्वारा भी किया जाता है। जैव-रूपांतरण में, ग्लूकोज को पहले Bacillus pumilus के उत्परिवर्तित उपभेदों द्वारा D-राइबोज़ में परिवर्तित किया जाता है। इस प्रकार उत्पादित D-राइबोज़ को रासायनिक अभिक्रियाओं द्वारा राइबोफ्लेविन में परिवर्तित किया जाता है। Clostridium acetobutylicum और Clostridium butylicum का उपयोग कर एसीटोन-ब्यूटेनॉल किण्वन में, राइबोफ्लेविन एक उपोत्पाद के रूप में बनता है। राइबोफ्लेविन का वाणिज्यिक उत्पादन मुख्य रूप से सीधे किण्वन द्वारा अस्कोमाइसीट्स का उपयोग कर किया जाता है। Ashbya gossypii की उच्च-उपज देने वाली उपभेदों को राइबोफ्लेविन के उच्च उत्पादन क्षमता के कारण प्राथमिकता दी जाती है।

वैक्सीन, जो सबसे महत्वपूर्ण स्वास्थ्य हथियार हैं, का उत्पादन भी विभिन्न कोशिका या सूक्ष्मजीव संस्कृतियों के माध्यम से जैवप्रक्रम द्वारा किया गया है। डिप्थीरिया टॉक्सिन के उत्पादन के लिए Corynebacterium diphtheria का उपयोग किया जाता है, जिसे आगे डिप्थीरिया टॉक्सॉइड में संसाधित किया जाता है और फिर डिप्थीरिया टॉक्सॉइड वैक्सीन बनाई जाती है। कोशिका-आधारित वैक्सीन निर्माण प्रक्रिया में स्तनधारी जानवरों की कोशिकाओं का उपयोग कर इन्फ्लुएंजा वायरस को संस्कृत किया जाता है ताकि वैक्सीन का उत्पादन किया जा सके। विभिन्न फार्मास्यूटिकल कंपनियां वैक्सीन निर्माण प्रक्रिया के लिए स्तनधारी कोशिका संस्कृतियों के विभिन्न स्रोतों का उपयोग करती हैं।

पादप कोशिका और ऊतक संस्कृति का उपयोग लंबे समय से जैवप्रक्रम में विभिन्न जैवरसायनिकों के वाणिज्यिक उत्पादन के लिए किया गया है, जैसे कि वर्णक, क्विनोन व्युत्पन्न, पादप क्षारक आदि, जिनका उपयोग विभिन्न कार्यों में किया गया है, जैसे कि रंगाई, कपड़े, खाद्य योजक, फार्मास्यूटिक्स आदि। डाई शिकोनिन के उत्पादन के लिए जैवप्रक्रम को पहली बार पादप प्रजाति Lithospermum erythrorhizon की कोशिका संस्कृति का उपयोग कर वाणिज्यिक रूप से विकसित किया गया था। बर्बरिन, जिनसेंग, सैपोनिन और टैक्सोल की सफल वाणिज्यिक उत्पादन, Coptis japonica, Panax ginseng और Taxus brevifolia की पादप कोशिका और ऊतक संस्कृति का उपयोग करने वाले जैवप्रक्रम के उदाहरण हैं।

रुचि के जीन को क्लोन करने और लक्षित प्रोटीन के अभिव्यक्ति को प्रेरित करने की शर्तों को अनुकूलित करने के बाद, इसे बड़े पैमाने पर उत्पादन करने पर विचार करना होता है। एक विषमजात होस्ट में व्यक्त प्रोटीन एन्कोडिंग जीन वांछित जैविक उत्पाद के संश्लेषण को जन्म देता है जो एक पुनःसंयोजक प्रोटीन है। रुचि के क्लोन किए गए जीन वाली कोशिकाओं को प्रयोगशाला में छोटे पैमाने पर उगाया जा सकता है। संस्कृति का उपयोग वांछित प्रोटीन को निकालने और फिर विभिन्न पृथक्करण तकनीकों का उपयोग करके इसे शुद्ध करने के लिए किया जा सकता है। पुनःसंयोजक डीएनए विधि का उपयोग मानव इंसुलिन के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए किया जाता है। मानव इंसुलिन के उत्पादन के लिए दो-चरण कल्टीवेशन प्रक्रिया का पालन किया जाता है; एक ग्लिसरॉल बैच और एक सतत मेथानॉल फेड-बैच।

इस तरह औद्योगिक अनुप्रयोगों में, एक जैवप्रक्रिया को अनुकूलित प्रक्रिया पैरामीटरों के साथ चलाया जाता है ताकि वांछित यौगिकों का उच्च उत्पादन हो सके। कई यौगिक पाइपलाइन में हैं और दुनिया भर में शोध चल रहे हैं जीवित जीवों से वांछित जैव-सक्रिय यौगिकों के वाणिज्यिक उत्पादन के लिए।

सारांश

• जीवित प्रणालियों में विभिन्न चयापचयी प्रक्रियाएँ होती हैं जो कई उपचयों के संश्लेषण के लिए उत्तरदायी होती हैं जिन्हें प्राथमिक और द्वितीयक के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है।
• प्राथमिक उपचय जीवित जीवों की वृद्धि और विकास के लिए आवश्यक होते हैं जबकि द्वितीयक उपचयों की रक्षा प्रणाली, अजैविक तनाव सहिष्णुता आदि में विविध कार्य होते हैं।
• द्वितीयक उपचयों का उपयोग कई उद्योगों में किया जाता है, जैसे फार्मास्यूटिकल्स, सौंदर्य प्रसाधन, औषधियाँ, खाद्य योजक आदि। हालांकि, ये यौगिक प्राकृतिक प्रणाली में बहुत कम मात्रा में संश्लेषित होते हैं। इसलिए, इन लाभदायक उपचयों के उत्पादन को बढ़ाने के लिए जैवप्रक्रम अभियांत्रिकी का उपयोग कर प्रयास किए जा रहे हैं।
• बायोरिएक्टर या किण्वक एक अभियांत्रिक पात्र है जो उत्पाद निर्माण के लिए इष्टतम परिस्थितियाँ प्रदान कर सकता है और आवश्यकता के अनुसार, जैवप्रक्रम में विभिन्न प्रकार के बायोरिएक्टर विन्यस्त किए जा सकते हैं।
• जैवप्रक्रम दो चरणों के माध्यम से संचालित किया जा सकता है: अपस्ट्रीम प्रसंस्करण और डाउनस्ट्रीम प्रसंस्करण।
• अपस्ट्रीम प्रसंस्करण में, माध्यम और उपकरणों की तैयारी और निर्जीवीकरण के साथ-साथ आरोपण के लिए शुद्ध, स्वस्थ और सक्रिय संस्कृति का उत्पादन होता है।
• इच्छित उत्पाद निर्माण के लिए इष्टतम परिस्थितियों के तहत जीवों की वृद्धि एक बायोरिएक्टर या किण्वक में होती है।
• जैवप्रक्रम में संचालन के तीन तरीके हैं: (i) बैच (बंद पात्र प्रणाली), (ii) (फेड-बैच) (वृद्धि सीमित क्रियाशील पदार्थ को रुक-रुक कर या लगातार खिलाया जाता है) और (iii) निरंतर (वृद्धि सीमित क्रियाशील पदार्थ को लगातार खिलाया जाता है)।
• डाउनस्ट्रीम प्रसंस्करण में, उत्पाद को विभिन्न तकनीकों जैसे रिवर्स ऑस्मोसिस, आसवन, सुखाना आदि का उपयोग करके पुनः प्राप्त और शुद्ध किया जाता है।
• आज तक पशु, पौधों और सूक्ष्मजैविक मूल के कई इच्छित उत्पादों को वाणिज्यिक रूप से बेचा जा चुका है।

अभ्यास

1. प्राथमिक और द्वितीयक उपापचयों के कार्यों के आधार पर उनके बीच अंतर बताइए, उदाहरण सहित।

2. एक जैवप्रक्रम के विकास के दौरान आने वाली चुनौतियों की व्याख्या कीजिए।

3. एक विशिष्ट जैवरिएक्टर के डिज़ाइन और घटकों का संक्षेप में वर्णन कीजिए और उनके अनुप्रयोग बताइए।

4. एक संकल्पना मानचित्र (कॉन्सेप्ट मैप) की सहायता से जैवप्रक्रम के मूलभूत संचालन चरणों की व्याख्या कीजिए।

5. निम्नलिखित का संक्षेप में वर्णन कीजिए:

(a) अपस्ट्रीम प्रोसेसिंग

(b) डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग

6. एक अंतःकोशिकीय उत्पाद की पुनःप्राप्ति और शुद्धीकरण प्रक्रिया को प्रवाह आरेख की सहायता से समझाइए।

7. निम्नलिखित पर संक्षिप्त टिप्पणी लिखिए:

(a) रिवर्स ऑस्मोसिस

(b) डायलिसिस

8. सुमेलित कीजिए:

9. एक बंद बर्तन में जिसमें कोई अतिरिक्त माध्यम नहीं डाला जाता, उसे __________ संवर्धन कहा जाता है।

(a) सतत

(b) बैच

(c) फेड-बैच

(d) अर्ध-सतत

10. अभिकथन: द्वितीयक उपापचय रोगजनकों, फाइटोप्लैंक्टन आदि के विरुद्ध रक्षा, अजैविक तनाव सहिष्णुता में सुधार आदि में प्रयुक्त होते हैं।

कारण: द्वितीयक उपापचय मध्यवर्ती या अप्रत्यक्ष उत्पाद होते हैं।

(क) दोनों कथन और कारण सत्य हैं और कारण कथन का सही स्पष्टीकरण है।

(ख) दोनों कथन और कारण सत्य हैं लेकिन कारण कथन का सही स्पष्टीकरण नहीं है।

(ग) कथन सत्य है लेकिन कारण असत्य है।

(घ) दोनों कथन और कारण असत्य हैं।