固定化细胞技术

1、固定化细胞技术固定化细胞技术目 录固定化细胞技术概述一固定化细胞载体二固定化细胞的制备方法三固定化细胞的反应特性四一、固定化细胞技术概述 固定化细胞是指固定在水不溶性载体上，在一定的空间范围进行生命活动的细胞。它是用于获得细胞的酶和代谢产物的一种方法，起源于20世纪70年代，是在固定化酶的基础上发展起来的新技术。由于固定化细胞能进行正常的生长、繁殖和新陈代谢，所以又称固定化活细胞或固定化增至细胞。通过各种方法将细胞和水不溶性载体结合，制备固定化细胞的过程成为细胞固定化。 固定化细胞技术（简称IMC），也称固定化微生物技术，是指通过化学或物理手段，将微生物细胞固定在载体上使之成为不悬浮于水但仍保

2、留其固有的生物催化活性，在适宜条件下能被重复连续使用的生物工程技术。最初主要用于工业微生物发酵中。70年代后期，由于水污染问题日益严重，迫切需要开发高效废水处理技术。于是人们开始考虑将固定化细胞技术引入废水处理领域。该技术可将筛选出的优势菌种或微生物加以固定，从而构成一个高效的废水处理系统。固定化细胞技术与传统环境治理方法相比，具有以下优势： (1)微生物细胞的固定可以使容器内的微生物活性和浓度得以有效保持，有利于提高污染物的去除效率和处理负荷；(2)采取固定化微生物细胞技术的手段，可以减少污泥产量，降低后续污泥处理的负担；(3)微生物细胞固定化所形成的颗粒态有助于沉淀过程中的泥水分离；(4)

3、将可以降解一些难以降解具有有机物特质的微生物细胞固定化，可以有效处理特殊行业废水；(5)载体对微生物起到保护作用，使固定化的微生物细胞对有毒物的承载能力强，稳定性较好；(6)微生物细胞被固定后，单位容器内的生物量能够维持在高浓度，从而提高降解效率，减少微生物处理所需容积。二、固定化细胞载体常用载体无机载体：有机载体：如多孔玻璃、氧化铝、活性炭、石英砂、硅胶、硅藻土、多孔陶瓷、高岭土、沸石等。多糖类：蛋白质类：水凝胶：空心纤维：酚醛树脂类和微生物丸等（研究重点）如纤维素、交联葡萄糖、DEAE-纤维素、几丁质、鹿角菜胶和琼脂等。如胶原-纤维蛋白、胶朊和明胶等。如聚丙烯酰胺。如醋酸纤维素、聚氯乙烯和

4、聚丙烯腈共聚物等。复合载体：由有机和无机载体材料结合而成，有利于两者性能优势互补，它具备了有机高分子良好的生物相容性和无机材料较高的稳定性和机械强度等优点。如海藻酸钠/SiO2复合水凝胶。 开发筛选理想的固定化细胞载体是固定化细胞技术能否投入使用的关键。优良载体应具有以下特性：（1）载体应具备一定的容量，可以偶联足够的生物分子；（2）载体表面应具有化学活性基团，这些基团可以直接或经过较为温和的化学方法活化后与生物分子偶联；（3）载体的作用仅是使生物分子固定化，对生物分子而言载体应是惰性的；（4）载体应具有良好的生物相容性，适中的粒度及孔径结构；（5）载体应是廉价易得的。 实际上，很少有一种载体

5、材料能满足上述所有条件。一般是根据固定化对象和固定化方法去选择较为合适的载体材料。 目前，所采用的载体主要有以下几种：琼脂、明胶、海藻酸钙（简称SA）、聚乙烯醇（简称PVA）和丙烯酰胺（简称ACRM），其性能比较如表11。1 王新王新,李培军李培军,巩宗强巩宗强,张海荣张海荣.固定化细胞技术的研究与进展固定化细胞技术的研究与进展J.农业环境保护农业环境保护,2001,20(2):120-122.三、固定化细胞的制备方法 固定化细胞的制备方法是多种多样的，原则上讲，任何一种能够限制细胞自由流动的技术都可以用于制备固定化细胞。 理想的固定化细胞的制备方法，应该具有如下特点：（1）能够控制固定化细胞

6、颗粒的大小和孔隙度；（2）固定化所使用的材料价廉易得，固定化成本尽量低；（3）固定化方法简便、易行，固定化条件尽可能温和，少损伤细胞；（4）固定化系统具有稳定的网状结构，在所使用的pH和温度下，不容易被破坏；（5）在反应器内长时间运转过程中，固定化系统具有良好的机械稳定性和化学稳定性；（6）用于制备固定化细胞的载体对细胞来说是惰性的，不损伤细胞；（7）固定化系统使底物、产物和其他代谢产物能够自由扩散，因为产物和其他代谢产物常常能抑制细胞的酶反应，更需要能够尽快扩散，以消除抑制作用；（8）单位体积的固定化系统拥有尽可能多的细胞，以更好地起到生物催化作用。 国内外没有关于固定化细胞方法的统一分类标

7、准，但总体上可分为吸附法、包埋法、共价结合法、交联法四大类。1、吸附法 吸附法是利用微生物和载体之间形成静电、粘附力和表面张力等作用将微生物细胞吸附，使细胞固定在载体表面和内部形成生物膜的方法。吸附法又分为物理吸附法和离子吸附法2种。吸附法操作简单、载体可以反复利用、对细胞活性影响小，但固定的微生物细胞数量有限且易脱落。 2、包埋法 包埋法的原理是将微生物细胞截留在水不溶性的凝胶聚合物孔隙的网络空间中或埋于半透膜聚合物的超滤膜内，通过聚合作用、离子网络形成、沉淀作用，以及通过改变溶剂、温度、pH 值来阻止细胞的泄漏，同时能让底物渗入和产物扩散出来。 目前应用最为广泛的是凝胶包埋法固定大肠杆菌细

8、胞。与液体发酵相比，包埋的大肠杆菌生产周期短、产物分离方便、能耗低、设备投资少且大大改善操作条件。包埋法仍存在一些不足，如包埋材料对细胞的毒性作用、材料本身阻碍大分子底物和氧的扩散、使用过程中的杂菌污染等，这些还需要进行更深入的研究。3、共价结合法 共价结合法是利用微生物细胞表面的官能团 ( 如氨基、羧基、巯基、羟基和咪唑基等) 和载体材料上的反应基团形成化学共价键相连，从而起到固定化细胞的作用。此法制备的固定化细胞结合牢固，但是反应条件苛刻、不易控制。4、交联法 交联法是利用微生物细胞与带2个以上多功能团的非水溶性试剂发生反应形成共价键，使其彼此交联成网状结构的固定化细胞。此法得到的固定化细

9、胞较稳定，但可能使细胞活性大大降低，因而其应用受到了一定的限制。各种细胞固定化方法的特征比较：四、固定化细胞的反应特性 微生物经固定化后，许多反应特性都发生了变化，其中主要包括微生物活性的变化，微生物稳定性的变化，氧和底物传质速率的变化。 微生物从本质上讲也是一种含有多种官能团的蛋白质结构，经固定化后，其官能团与载体之间发生了共价键或范德华力等形式的作用，使主链结构得到加固，因此从总体上讲，经固定化后的微生物不易流失。而对微生物自身而言，加固后的主链结构性质较稳定，不易被破坏，能耐pH值变化，有机物浓度变化、生物毒性物质等的冲击，不易失活，从而也就增加了固定化微生物的稳定性。另一方面，微生物固定化后，因其官能团稳定性的增加，也使其生物活性有所减弱，不过由于采用固定化技术后使得微生物在一定空间区域内具有很高的密度，因此单个微生物活性降低的缺点还是可以弥补的。 微生物固定化后，氧和底物的传质速率也发生了变化，尤其是采用多孔载体时，由于载体的作用，使得反应系统中主体的底物浓度及氧浓度与微生物所处区域的底物及氧浓度发生差异，从而引起固定化后传质效果的变化。通常，固定化后氧传质收到的阻碍更为明显，因此在好氧条件下，由于氧传质的限制，