固定化细胞技术综述

固定化细胞技术综述及其应用 张弘扬1401024103 高娟丽1401024122 天津农学院 农学与资源环境 生物技术（1）班 摘要 固定化细胞是将动植物或微生物细胞固定于合适的不溶性载体上的一种技术 ，它既可以提高生产效率和生产实力、延长生产周期，又易于细胞的分别和回收。在生物、医药、环境爱护、食品工业等方面得到了广泛应用。本文主要介绍了固定化细胞技术的方法，载体的选择与应用，综述了固定化细胞技术在工业、环境中的应用，并对其发展前景进行展望。 关键词 细胞固定化 固定化方法 细胞固定载体 生物反应器 酒精发酵 环境治理 固定化技术包括固定化酶技术与固定化细胞技术。固定化细胞技术起步较晚，在20世70年头后才从固定化酶技术发展而来，它是指通过物理或化学的方法将分散、游离的微生物细胞固定在某一限定空间区域内，以提高微生物细胞的浓度，使其保持较高的生物活性并反复利用的方法。相对于固定化酶技术，该方法不需把酶从细胞中提取出来，且无需纯化，酶活力损失小。目前，固定化细胞技术的应用范围涵盖生物学、生化工程、有机化学、合成化学、高分子化学、食品与发酵工业、环境净化、能源生产等多个领域，已经成为生物技术中非常活跃的跨学科探讨领域。本文主要对该技术及其应用进行了简洁介绍，并对其发展前景进行展望。 一、生物细胞固定化技术 1、细胞固定化的原理及方法 固定化技术是使生物催化剂更广泛、更有效应用的一种重要手段，任何一种限制生物催化剂自由流淌的技术都可以用于制备固定化生物催化剂。由于细胞的种类多种多样，大小和特性各不相同，故此细胞固定化的方法有很多种。Karel等人将其归纳为表面吸附、多介质包埋、隔离和自凝集4大类；王建龙把目前常用的固定化方法分为吸附法、包埋法、胶联法和截留法；杨文英等介绍了吸附法、包埋法、共价结合法、胶联法、多孔物质包络法、超过滤法、多种固定化方法联用等7种常用方法；成庆利等按有无外加载体将细胞固定化方法分为有载体固定化法和无载体固定化法2种；张磊等依据固定化载体与方式的不同将其分为吸附法、包埋法、共价结合法和胶联法。[1] 传统的细胞固定化方法有四大类包埋法、吸附法、交联法、共价结合（偶联）法。 包埋法利用物理方法将细胞包埋在多空载体内部而制成固定化细胞的方法称为包埋法。包埋法可分为凝胶包埋法和半透膜包埋法。凝胶包埋法是应用最广泛的细胞固定方法。包埋法反应条件温柔，酶蛋白结构极少受变更，而且固定化时爱护剂的存在不影响酶的包埋产率。此方法对大多数酶、粗酶制剂甚至完整的微生物细胞都是适用的。不过包埋法仅适用于小分子底物和产物的酶，而且由于底物和产物扩散受阻，酶的反应速率可能受到影响。 吸附法利用各种吸附剂，将细胞吸附在其表面而使细胞固定的方法称为吸附法。用于细胞固定化的吸附剂主要有硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料、金属丝网、微载体、和中空纤维等。按吸附原理又可分为物理吸附和离子吸附两种。吸附法的优点是操作简便、价廉、条件温柔，对细胞活性影响小，但缺点是细胞结合不牢且数目有限，条件变更时易脱落。 交联法交联法又称无载固定化法，是一种不用载体的工艺，通过化学、物理手段使生物体细胞间彼此附着交联。化学交联法它一般是利用醛类、胺类等具有双功能或多功能基团的交联剂与生物体之间形成共价键相互联结形成不溶性的大分子而加以固定，所运用的交联剂主要有戊二醛、聚乙烯酞胺、表氯醇等等。物理交联法在是指在微生物培育过程中，适当变更细胞悬浮液的培育条件如离子强度、温度、pH值等，使微生物细胞之间发生干脆作用而颗粒化或絮凝来实现固定化，即利用微生物自身的自絮凝实力形成颗粒的一种固定化技术。该法操作简便，但在较猛烈条件下进行，一般固定化细胞活性不高，因此该方法的推广应用受到了肯定的限制。 共价结合（偶联）法。共价结合法是细胞表面上官能团和固相支持物表面的反应基团形成化学共价键连接，从而固定微生物。该方法固定化微生物稳定性好，不易脱落，但限制了微生物的活性，同时反应激烈，操作与限制困难苛刻，并且成本较高。 尽管固定化方法多种多样，但没有一种志向的、普遍适用的方法。化学固定化法（包括化学交联法和共价结合法）涉及细胞的化学修饰，但化学试剂的毒性对细胞会有损害，因此，不适用于制备固定化活细胞。但由于细胞与细胞或细胞与载体间的结合力强，所以操作稳定性高。交联法和聚电解质复合包埋法的突出优点是可以获得很高的细胞密度，但由于缺乏良好的机械强度而不能得到广泛应用。 2、固定化细胞的载体 载体材料的性质很大程度上确定了微生物的附着固定和生长代谢状态，微生物量的多少也与载体材料的结构有关。因此固定化细胞的载体是细胞固定化技术能否胜利的关键因素。 2.1载体的一般要求 通常状况下，一个志向的优良载体应具有以下特性固定化操作便利，成型快；载体表面应具有化学活性集团,可以干脆或经过活化后与生物分子偶联；载体应具备肯定的容量,可以偶联足够的生物分子；载体的作用仅是使生物分子固定化,对生物分子无毒害作用，反应温柔；载体应具有良好的生物相容性,对反应物和生成物的扩散阻力小；耐微生物分解，运用时间长和重复运用次数多；载体原材料广泛而且成本低廉。事实上，很少有一种载体材料能满意上述全部条件。通常总是依据工作性质去选择较为合适的载体材料。 2.2载体材料的影响因素 一般状况下，固定化的速率受载体材料表面粗糙度和电荷的影响，载体材料的表面粗糙度越大，微生物的附着越稳定；同时载体材料表面的空隙能较好地爱护微生物，免受水力负荷的损害。探讨表明微生物表面一般带负电荷，运用表面带正电荷的材料作为固定化载体能中和微生物表面的负电荷，可加速固定化速度，在液相中更易于微生物向载体表面的传输。 2.3载体材料的分类 目前，固定化技术所运用的载体材料主要有自然载体材料、合成高分子载体材料、人造无机载体材料、复合载体材料等[2]。 （1）自然载体材料 自然载体材料包括自然无机载体材料和自然有机载体材料两大类。其中，利用沙粒、沸石、硅藻土等制作为自然无机载体材料，此类载体在水中不易流化，表面积较小，吸附的微生物量少，因而一般作为协助材料。自然有机载体材料主要利用琼脂、海藻酸盐等自然多糖类材料，这些材料均具有良好的生物相容性、反应温柔性、无毒性，多在探讨和应用中被选用，其中又以海藻酸钠应用最为广泛[3]。但自然有机载体的缺陷是其制作固定化小球其强度稳定性较低，传质实力差，且易被微生物分解，故运用寿命较短，因此需刚好更新制备，以补充降解所耗。 （2）合成高分子有机载体材料 在试验和探讨中常采纳的是聚乙烯醇（PVA）、聚乙二醇（PEG）、聚氨酯（PU）等作为原材料。此类载体材料对微生物无毒害作用，反应温柔，可提高微生物的存活率，相比于自然的载体材料，此类载体材料更不易被微生物降解，运用寿命更长，因此人们选用合成的高分子载体较多。聚乙烯醇是一种人工合成的有机多聚体凝胶，作为包埋载体有机械强度高，化学性能稳定、对微生物无毒、抗微生物分解实力强、价格低廉和运用寿命长等优点[4]。（3）人工制造的无机载体材料 此类载体材料利用的是人为制造的微孔结构将