जैव प्रक्रिया इंजीनियरिंग

जैव प्रक्रिया इंजीनियरिंग जीवित जीवों (जैसे बैक्टीरिया, खमीर या पशु कोशिकाओं) या उनके घटकों (जैसे एंजाइम) का उपयोग करके मूल्यवान उत्पादों के उत्पादन में जैविक प्रक्रियाओं का अनुप्रयोग है। यह फार्मास्यूटिकल्स, खाद्य प्रसंस्करण, कृषि और पर्यावरण प्रबंधन जैसे उद्योगों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

जैव प्रक्रिया इंजीनियरिंग माइक्रोबायोलॉजी, केमिकल इंजीनियरिंग और बायोटेक्नोलॉजी के सिद्धांतों को जोड़ती है ताकि विभिन्न पदार्थों के उत्पादन के लिए सूक्ष्मजीवों या सेल कल्चर का उपयोग करने वाली प्रक्रियाओं को विकसित किया जा सके। इनमें दवाइयाँ, एंजाइम, जैव ईंधन, खाद्य उत्पाद और अपशिष्ट उपचार शामिल हो सकते हैं।

जैव प्रक्रिया इंजीनियरिंग की मुख्य अवधारणाएँ

किण्वन

• किण्वन जैव प्रक्रिया इंजीनियरिंग में एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया है जहाँ बैक्टीरिया, खमीर या कवक जैसे सूक्ष्मजीवों का उपयोग कार्बनिक सब्सट्रेट (जैसे शर्करा) को अल्कोहल, एसिड या गैस जैसे उत्पादों में बदलने के लिए किया जाता है।
• किण्वन की प्रक्रिया का व्यापक रूप से अल्कोहल उत्पादन, ब्रेड बनाने, दही उत्पादन और एंटीबायोटिक उत्पादन जैसे उद्योगों में उपयोग किया जाता है।

बायोरिएक्टर

• बायोरिएक्टर एक ऐसा बर्तन है जिसमें ऑक्सीजन की उपस्थिति या अनुपस्थिति में जैविक प्रतिक्रियाएँ की जाती हैं।
• बायोरिएक्टर औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए सूक्ष्मजीवों या कोशिकाओं के विकास के लिए एक नियंत्रित वातावरण प्रदान करते हैं।
• वे विभिन्न प्रकारों में आते हैं: बैच रिएक्टर, फ़ेड-बैच रिएक्टर और निरंतर रिएक्टर, जो संचालन के मोड पर निर्भर करते हैं।

बायोप्रोसेस के प्रकार

• बैच प्रक्रिया: बैच प्रक्रिया में, सभी घटक (पोषक तत्व, सूक्ष्मजीव, आदि) शुरू में जोड़े जाते हैं, और प्रक्रिया एक निश्चित अवधि के लिए होती है। अंत में, उत्पाद काटा जाता है।
• निरंतर प्रक्रिया: निरंतर प्रक्रियाओं में, सब्सट्रेट को लगातार सिस्टम में डाला जाता है, और उत्पादों को लगातार हटाया जाता है। इसका उपयोग बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए किया जाता है।
• फ़ेड-बैच प्रक्रिया: एक हाइब्रिड प्रक्रिया जहाँ संस्कृति को शुरू में बैच मोड में सेट किया जाता है, लेकिन माइक्रोबियल विकास के लिए इष्टतम स्थितियों को बनाए रखने के लिए समय-समय पर अतिरिक्त सब्सट्रेट जोड़े जाते हैं।

अपस्ट्रीम और डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग

1. अपस्ट्रीम प्रोसेसिंग सूक्ष्मजीवों या कोशिकाओं की तैयारी और वृद्धि को संदर्भित करता है (उदाहरण के लिए, इनोकुलम तैयारी, मीडिया निर्माण, बायोरिएक्टर सेटअप और किण्वन)।
2. डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग में अंतिम उत्पाद की रिकवरी और शुद्धिकरण शामिल है, जैसे पृथक्करण, निस्पंदन और क्रोमैटोग्राफी। किण्वन शोरबा से वांछित उत्पाद को अलग करने के लिए यह कदम महत्वपूर्ण है।

जैव प्रक्रिया इंजीनियरिंग के अनुप्रयोग

• फार्मास्युटिकल्स: एंटीबायोटिक्स (जैसे पेनिसिलिन), टीके और चिकित्सीय प्रोटीन (जैसे इंसुलिन) का उत्पादन।
• जैव ईंधन: नवीकरणीय संसाधनों से बायोएथेनॉल और बायोडीजल का उत्पादन।
• खाद्य उद्योग: दही, पनीर जैसे खाद्य पदार्थ और बीयर और वाइन जैसे किण्वित पेय पदार्थ बनाने के लिए किण्वन प्रक्रियाएँ।
• पर्यावरण जैव प्रौद्योगिकी: सूक्ष्मजीवों का उपयोग करके अपशिष्ट जल उपचार, जैव उपचार और प्रदूषकों का जैव अपघटन।
• कृषि: जैव-उर्वरक, जैव कीटनाशक और पौधों की वृद्धि नियामकों का उत्पादन।

बायोकैटेलिसिस

• बायोकैटेलिसिस में रासायनिक प्रतिक्रियाओं को संचालित करने के लिए प्रोटीन एंजाइम जैसे प्राकृतिक उत्प्रेरक का उपयोग शामिल है। एंजाइमों का उपयोग उच्च परिशुद्धता और दक्षता के साथ विशिष्ट उत्पादों का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है।
• यह प्रक्रिया फार्मास्यूटिकल्स, विशेष रसायन और खाद्य योजकों के उत्पादन में महत्वपूर्ण है।

किण्वन गतिकी

• किण्वन गतिकी सूक्ष्मजीवों की वृद्धि दर और किण्वन के दौरान सब्सट्रेट की खपत के अध्ययन को संदर्भित करता है। यह तापमान, पीएच और ऑक्सीजन के स्तर जैसे कारकों की निगरानी करके किण्वन प्रक्रिया को अनुकूलित करने में मदद करता है।
• अनुकूलित किए जाने वाले प्रमुख मापदंडों में वृद्धि दर, सब्सट्रेट सांद्रता और उत्पाद उपज शामिल हैं।

जैव प्रक्रिया इंजीनियरिंग में चरण

सूक्ष्मजीवों या सेल लाइनों का चयन

• पहले चरण में उपयुक्त सूक्ष्मजीव या सेल लाइन का चयन करना शामिल है जो वांछित उत्पाद का कुशलतापूर्वक उत्पादन कर सकता है।
• स्ट्रेन की वृद्धि विशेषताओं, उपज और उत्पाद की गुणवत्ता जैसे कारकों पर विचार किया जाता है।

अभ्यास प्रश्न

वस्तुनिष्ठ प्रश्न /MCQs:

1.) निम्न में से कौन सा बायोरिएक्टर का प्रकार है?

a) बैच रिएक्टर

b) निरंतर रिएक्टर

c) फेड-बैच रिएक्टर

d) उपरोक्त सभी

2.) बायोप्रोसेस इंजीनियरिंग में डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग का प्राथमिक कार्य क्या है?

a) कल्चर को टीका लगाना

b) वांछित उत्पाद को शुद्ध और अलग करना

c) ग्रोथ मीडियम तैयार करना

d) किण्वन गतिकी की निगरानी करना

3.) किस प्रकार के बायोप्रोसेस में सब्सट्रेट की निरंतर फीडिंग और उत्पादों को हटाना शामिल है?

a) बैच प्रक्रिया

b) निरंतर प्रक्रिया

c) फेड-बैच प्रक्रिया

d) b और c दोनों

4.) किण्वन में, शर्करा को अल्कोहल में बदलने की प्रक्रिया किस सूक्ष्मजीव द्वारा की जाती है?

a) एस्चेरिचिया कोली

b) सैक्रोमाइसीज सेरेविसिया

c) पेनिसिलियम नोटेटम

d) बैसिलस सबटिलिस

5.) निम्न में से कौन सा बायोप्रोसेस इंजीनियरिंग का अनुप्रयोग नहीं है?

a) एंटीबायोटिक उत्पादन

b) जैव ईंधन उत्पादन

c) पौधों का आनुवंशिक संशोधन

d) बायोरेमेडिएशन

6.) किस प्रकार के बायोरिएक्टर में संस्कृति विकसित की जाती है और पोषक तत्वों को अंतराल में जोड़ा जाता है?

a) बैच रिएक्टर

b) निरंतर रिएक्टर

c) फेड-बैच रिएक्टर

d) स्थिर सेल रिएक्टर

7.) बायोरिएक्टर में ऑक्सीजन हस्तांतरण की क्या भूमिका है?

a) एरोबिक प्रक्रियाओं में माइक्रोबियल विकास और उत्पाद निर्माण को बढ़ावा देना

b) विषाक्त पदार्थों को बेअसर करना

c) संस्कृति माध्यम में पीएच स्तर को नियंत्रित करना

d) रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए ऊर्जा प्रदान करना

8.) निम्न में से कौन सा पर्यावरण जैव प्रौद्योगिकी में उपयोग किया जाने वाला बायोप्रोसेस इंजीनियरिंग अनुप्रयोग है?

a) अल्कोहल किण्वन

b) प्रदूषकों का जैव अपघटन

c) एंटीबायोटिक दवाओं का उत्पादन

d) जीन थेरेपी

9.) बायोप्रोसेस इंजीनियरिंग में अंतिम उत्पाद को अलग करने और शुद्ध करने के लिए किस प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है?

a) बायोरेमेडिएशन

b) डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग

c) किण्वन

d) टीकाकरण

निम्नलिखित में से कौन सा उत्पाद आमतौर पर बायोप्रोसेस इंजीनियरिंग में किण्वन का उपयोग करके उत्पादित किया जाता है?

a) इंसुलिन

b) पेनिसिलिन

c) बायोएथेनॉल

d) उपरोक्त सभी

लघु उत्तर प्रश्न:

• बायोरिएक्टर क्या है, और यह बायोप्रोसेस इंजीनियरिंग में क्यों महत्वपूर्ण है?
• बायोप्रोसेस इंजीनियरिंग में बैच और निरंतर प्रक्रियाओं के बीच अंतर स्पष्ट करें।
• बायोप्रोसेस इंजीनियरिंग में अपस्ट्रीम प्रोसेसिंग क्या है?
• किण्वन में टीकाकरण का उद्देश्य क्या है?
• डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग में शामिल प्रमुख चरण क्या हैं?
• एरोबिक किण्वन में ऑक्सीजन स्थानांतरण क्यों महत्वपूर्ण है?
• किण्वन गतिकी को परिभाषित करें और बायोप्रोसेस अनुकूलन में इसके महत्व की व्याख्या करें।
• फेड-बैच बायोरिएक्टर कैसे काम करता है, और यह क्यों फायदेमंद है?

दीर्घ उत्तर/वर्णनात्मक प्रश्न:

• बायोप्रोसेस इंजीनियरिंग में बायोरिएक्टर की भूमिका की व्याख्या करें। विभिन्न प्रकार के बायोरिएक्टर और उनके अनुप्रयोगों पर चर्चा करें।
• किण्वन की प्रक्रिया का वर्णन करें। इसमें शामिल मुख्य चरण क्या हैं, और उत्पाद की उपज को अनुकूलित करने के लिए इसे कैसे नियंत्रित किया जाता है?
• बायोप्रोसेस इंजीनियरिंग में द्रव्यमान स्थानांतरण के महत्व पर चर्चा करें। यह बायोरिएक्टर में माइक्रोबियल विकास और उत्पाद निर्माण को कैसे प्रभावित करता है?
• फार्मास्युटिकल और खाद्य उद्योगों में बायोप्रोसेस इंजीनियरिंग के मुख्य अनुप्रयोग क्या हैं? विशिष्ट उदाहरण प्रदान करें।
• बायोकैटेलिसिस की अवधारणा की व्याख्या करें। बायोप्रोसेस इंजीनियरिंग में इसकी भूमिका पर चर्चा करें और इसके औद्योगिक अनुप्रयोगों के उदाहरण प्रदान करें।