固定化细胞技术课件

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)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1[1]。[1]王新,李培军,巩宗强,张海荣.固定化细胞技术的研究与进展[J].农业环境保护,2001,20(2):120-122.（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。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。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，固定化微生物处理的废水中的有机物浓度不能过高，以免限制高密度的微生物活