固定化細胞技術(shù)

1、固定化細胞技術(shù)固定化細胞技術(shù)目 錄固定化細胞技術(shù)概述一固定化細胞載體二固定化細胞的制備方法三固定化細胞的反應(yīng)特性四一、固定化細胞技術(shù)概述 固定化細胞是指固定在水不溶性載體上，在一定的空間范圍進行生命活動的細胞。它是用于獲得細胞的酶和代謝產(chǎn)物的一種方法，起源于20世紀(jì)70年代，是在固定化酶的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)。由于固定化細胞能進行正常的生長、繁殖和新陳代謝，所以又稱固定化活細胞或固定化增至細胞。通過各種方法將細胞和水不溶性載體結(jié)合，制備固定化細胞的過程成為細胞固定化。 固定化細胞技術(shù)（簡稱IMC），也稱固定化微生物技術(shù)，是指通過化學(xué)或物理手段，將微生物細胞固定在載體上使之成為不懸浮于水但仍保

2、留其固有的生物催化活性，在適宜條件下能被重復(fù)連續(xù)使用的生物工程技術(shù)。最初主要用于工業(yè)微生物發(fā)酵中。70年代后期，由于水污染問題日益嚴重，迫切需要開發(fā)高效廢水處理技術(shù)。于是人們開始考慮將固定化細胞技術(shù)引入廢水處理領(lǐng)域。該技術(shù)可將篩選出的優(yōu)勢菌種或微生物加以固定，從而構(gòu)成一個高效的廢水處理系統(tǒng)。固定化細胞技術(shù)與傳統(tǒng)環(huán)境治理方法相比，具有以下優(yōu)勢： (1)微生物細胞的固定可以使容器內(nèi)的微生物活性和濃度得以有效保持，有利于提高污染物的去除效率和處理負荷；(2)采取固定化微生物細胞技術(shù)的手段，可以減少污泥產(chǎn)量，降低后續(xù)污泥處理的負擔(dān)；(3)微生物細胞固定化所形成的顆粒態(tài)有助于沉淀過程中的泥水分離；(4)

3、將可以降解一些難以降解具有有機物特質(zhì)的微生物細胞固定化，可以有效處理特殊行業(yè)廢水；(5)載體對微生物起到保護作用，使固定化的微生物細胞對有毒物的承載能力強，穩(wěn)定性較好；(6)微生物細胞被固定后，單位容器內(nèi)的生物量能夠維持在高濃度，從而提高降解效率，減少微生物處理所需容積。二、固定化細胞載體常用載體無機載體：有機載體：如多孔玻璃、氧化鋁、活性炭、石英砂、硅膠、硅藻土、多孔陶瓷、高嶺土、沸石等。多糖類：蛋白質(zhì)類：水凝膠：空心纖維：酚醛樹脂類和微生物丸等（研究重點）如纖維素、交聯(lián)葡萄糖、DEAE-纖維素、幾丁質(zhì)、鹿角菜膠和瓊脂等。如膠原-纖維蛋白、膠朊和明膠等。如聚丙烯酰胺。如醋酸纖維素、聚氯乙烯和

4、聚丙烯腈共聚物等。復(fù)合載體：由有機和無機載體材料結(jié)合而成，有利于兩者性能優(yōu)勢互補，它具備了有機高分子良好的生物相容性和無機材料較高的穩(wěn)定性和機械強度等優(yōu)點。如海藻酸鈉/SiO2復(fù)合水凝膠。 開發(fā)篩選理想的固定化細胞載體是固定化細胞技術(shù)能否投入使用的關(guān)鍵。優(yōu)良載體應(yīng)具有以下特性：（1）載體應(yīng)具備一定的容量，可以偶聯(lián)足夠的生物分子；（2）載體表面應(yīng)具有化學(xué)活性基團，這些基團可以直接或經(jīng)過較為溫和的化學(xué)方法活化后與生物分子偶聯(lián)；（3）載體的作用僅是使生物分子固定化，對生物分子而言載體應(yīng)是惰性的；（4）載體應(yīng)具有良好的生物相容性，適中的粒度及孔徑結(jié)構(gòu)；（5）載體應(yīng)是廉價易得的。 實際上，很少有一種載體

5、材料能滿足上述所有條件。一般是根據(jù)固定化對象和固定化方法去選擇較為合適的載體材料。 目前，所采用的載體主要有以下幾種：瓊脂、明膠、海藻酸鈣（簡稱SA）、聚乙烯醇（簡稱PVA）和丙烯酰胺（簡稱ACRM），其性能比較如表11。1 王新王新,李培軍李培軍,鞏宗強鞏宗強,張海榮張海榮.固定化細胞技術(shù)的研究與進展固定化細胞技術(shù)的研究與進展J.農(nóng)業(yè)環(huán)境保護農(nóng)業(yè)環(huán)境保護,2001,20(2):120-122.三、固定化細胞的制備方法 固定化細胞的制備方法是多種多樣的，原則上講，任何一種能夠限制細胞自由流動的技術(shù)都可以用于制備固定化細胞。 理想的固定化細胞的制備方法，應(yīng)該具有如下特點：（1）能夠控制固定化細胞

6、顆粒的大小和孔隙度；（2）固定化所使用的材料價廉易得，固定化成本盡量低；（3）固定化方法簡便、易行，固定化條件盡可能溫和，少損傷細胞；（4）固定化系統(tǒng)具有穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在所使用的pH和溫度下，不容易被破壞；（5）在反應(yīng)器內(nèi)長時間運轉(zhuǎn)過程中，固定化系統(tǒng)具有良好的機械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；（6）用于制備固定化細胞的載體對細胞來說是惰性的，不損傷細胞；（7）固定化系統(tǒng)使底物、產(chǎn)物和其他代謝產(chǎn)物能夠自由擴散，因為產(chǎn)物和其他代謝產(chǎn)物常常能抑制細胞的酶反應(yīng)，更需要能夠盡快擴散，以消除抑制作用；（8）單位體積的固定化系統(tǒng)擁有盡可能多的細胞，以更好地起到生物催化作用。 國內(nèi)外沒有關(guān)于固定化細胞方法的統(tǒng)一分類標(biāo)

7、準(zhǔn)，但總體上可分為吸附法、包埋法、共價結(jié)合法、交聯(lián)法四大類。1、吸附法 吸附法是利用微生物和載體之間形成靜電、粘附力和表面張力等作用將微生物細胞吸附，使細胞固定在載體表面和內(nèi)部形成生物膜的方法。吸附法又分為物理吸附法和離子吸附法2種。吸附法操作簡單、載體可以反復(fù)利用、對細胞活性影響小，但固定的微生物細胞數(shù)量有限且易脫落。 2、包埋法 包埋法的原理是將微生物細胞截留在水不溶性的凝膠聚合物孔隙的網(wǎng)絡(luò)空間中或埋于半透膜聚合物的超濾膜內(nèi)，通過聚合作用、離子網(wǎng)絡(luò)形成、沉淀作用，以及通過改變?nèi)軇?、溫度、pH 值來阻止細胞的泄漏，同時能讓底物滲入和產(chǎn)物擴散出來。 目前應(yīng)用最為廣泛的是凝膠包埋法固定大腸桿菌細

8、胞。與液體發(fā)酵相比，包埋的大腸桿菌生產(chǎn)周期短、產(chǎn)物分離方便、能耗低、設(shè)備投資少且大大改善操作條件。包埋法仍存在一些不足，如包埋材料對細胞的毒性作用、材料本身阻礙大分子底物和氧的擴散、使用過程中的雜菌污染等，這些還需要進行更深入的研究。3、共價結(jié)合法 共價結(jié)合法是利用微生物細胞表面的官能團 ( 如氨基、羧基、巰基、羥基和咪唑基等) 和載體材料上的反應(yīng)基團形成化學(xué)共價鍵相連，從而起到固定化細胞的作用。此法制備的固定化細胞結(jié)合牢固，但是反應(yīng)條件苛刻、不易控制。4、交聯(lián)法 交聯(lián)法是利用微生物細胞與帶2個以上多功能團的非水溶性試劑發(fā)生反應(yīng)形成共價鍵，使其彼此交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固定化細胞。此法得到的固定化細

9、胞較穩(wěn)定，但可能使細胞活性大大降低，因而其應(yīng)用受到了一定的限制。各種細胞固定化方法的特征比較：四、固定化細胞的反應(yīng)特性 微生物經(jīng)固定化后，許多反應(yīng)特性都發(fā)生了變化，其中主要包括微生物活性的變化，微生物穩(wěn)定性的變化，氧和底物傳質(zhì)速率的變化。 微生物從本質(zhì)上講也是一種含有多種官能團的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，經(jīng)固定化后，其官能團與載體之間發(fā)生了共價鍵或范德華力等形式的作用，使主鏈結(jié)構(gòu)得到加固，因此從總體上講，經(jīng)固定化后的微生物不易流失。而對微生物自身而言，加固后的主鏈結(jié)構(gòu)性質(zhì)較穩(wěn)定，不易被破壞，能耐pH值變化，有機物濃度變化、生物毒性物質(zhì)等的沖擊，不易失活，從而也就增加了固定化微生物的穩(wěn)定性。另一方面，微生物固定化后，因其官能團穩(wěn)定性的增加，也使其生物活性有所減弱，不過由于采用固定化技術(shù)后使得微生物在一定空間區(qū)域內(nèi)具有很高的密度，因此單個微生物活性降低的缺點還是可以彌補的。 微生物固定化后，氧和底物的傳質(zhì)速率也發(fā)生了變化，尤其是采用多孔載體時，由于載體的作用，使得反應(yīng)系統(tǒng)中主體的底物濃度及氧濃度與微生物所處區(qū)域的底物及氧濃度發(fā)生差異，從而引起固定化后傳質(zhì)效果的變化。通常，固定化后氧傳質(zhì)收到的阻礙更為明顯，因此在好氧條件下，由于氧傳質(zhì)的限制，