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(生长、发育、
繁殖、遗传和新陈代谢等)的细胞。
简介
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(生长、发育、繁殖、遗传和新陈代谢等)的细胞。
固定化细胞技术
固定化细胞技术是用于获得
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殖细胞。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称为
细胞固定化。
微生物细胞、
动物细胞、
植物细胞都可以制成固定化细胞。
固定化原理及方法
细胞的种类多种多样,大小和特性个不相同,故此细胞固定化的方法有很多种。归结起来,主要可以分为吸附法和包埋法两大类。
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。
酵母细胞带有负电荷,在pH3~5的条件下能够吸附在多孔陶瓷、多孔塑料等载体的表面,制成固定化细胞,用于酒精和啤酒等的发酵生产;在环境保护领域内使用的活性污泥中含有各种各样的微生物,这些微生物可以沉积吸附在硅藻土、多孔玻璃、多孔陶瓷、多空塑料等载体的表面,用于各种有机废水的处理,降低废水中的化学需氧量(COD)和生化需氧量(BOD);各种霉菌会长出菌丝体,这些菌丝体可以吸附缠绕在多空塑料、金属丝网等载体上用于生产有机酸和酶等;
植物细胞可吸附在中空纤维外壁,用于生产色素、香精、药物和酶等次级代谢产物;
动物细胞大多属于贴壁细胞,必需依附在固体表面才能正常生长,故可吸附在容器壁、微载体、中空纤维外壁等载体上,制成固定化细胞,用于各种蛋白质的生产。
包埋法
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。
优点
可以
连续发酵,提高细胞成活率,节约了成本,而且在蒸馏和提取前不用分离去细胞,能一边排出发酵液,一边进行培养,排除了产物抑制和消耗。
分类
无载体的固定
无载体固定主要目的是将吸附或者共价交联的细胞,彼此分成自身独立的区域。所谓吸附过程是指细胞发酵过程中产生的细胞体絮凝或者呈丸粒状;或通过二级过程,在适应的参数变化之下,简单有效地制各出具有触媒活性的颗粒。在此过程中。往往加入少量絮凝剂(即聚合物),加入的聚合物可直接参与细胞间的相互作用。其明显特征是颗粒牢固。
预制载体的固定
在酶的固定化领域中,尤其是使用共价结合是一种典型的方法。这一方法也可适用于固定化细胞的操作。触媒制备过程中形成的载体本体应不受物理、化学的条件限制。因此载体物质的柔性与制作方法要求很高。在制作过程中最优化的机械性能、孔隙结构受生理参数约束。
载体制备过程中的固定
此法为整体细胞固定的一种通用方法。该工艺主要包括截留与密封。其实密封是一种边际效应。此法的特点是:由于整个细胞大小,制成的网状体比较简单,它能全面封锁滞留细胞,并对输送基质与产品有足够快的高效酶活;由于制备载体与保留酶活性及细胞存活生理要求条件适合,故载体制备的主要问题已得到解决。
生物触媒内固定化细胞的生长
此法正因其日趋重要而引起人们的注意。其理由是:整个细胞体处于存活状态下。制成生物触媒时,在小球之内,它的细胞浓度很可能增加和提高。新制各的生物触媒或者一级与多级酶系统生物触媒,经再生利用都可能出现一定程度的失活。而置入适当的生长环境下培养,其细胞浓度可能又会增加。最后,活细胞生物触媒或在静止期、或在生长期,作为多酶系统或辅酶系统的提供者,而得到利用。
应用
提高酶或菌体在发酵过程中的重复使用率,降低经济成本。同时据此制备了相关
生物传感器,如葡萄糖生物传感器、微生物细胞数传感器、代谢试验传感器等