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第十四章 固定化细胞发酵
Fermentation with immobilized cells
第一节 概述
一、定义
固定化细胞就是被限制自由移动的细胞,既细胞受到物理化学等因素约束或限制在一定
的空间界限内,但细胞仍保留催化活性并具备能被反复或连续使用的活力。是在酶固定化基
础上发展起来的一项技术。
二、固定化细胞的优点
1,与游离细胞相比
与游离细胞发酵相比,固定化细胞发酵具有以下优点:
(1)固定化细胞可以将微生物发酵改为连续酶反应
(2 )可以获得更高的细胞浓度;
(3 )细胞可以重复使用;
(4 )在高稀释率时,不会产生洗脱现象;
(5 )单位容积的产率高;
(6 )提高遗传稳定性;
(7 )细胞不会受到剪切效应的影响。
(8 )发酵液中菌体含量少,有利与产品的分离纯化。
2 ,与固定化酶相比
与固定化酶相比,固定化细胞具有以下优点:
(1)免去了破碎细胞提取酶的手续
(2 )酶在细胞内的稳定性较高,完整细胞固定化后酶活性损失少
(3 )固定化细胞制备的成本比固定化酶低
(4 )无需辅酶再生
三、固定化细胞的缺点
虽然固定化细胞具有上述许多优点,但也有不足之处,具体表现在:
1,仅能利用胞内酶;
2 ,细胞膜、细胞壁和载体都存在着扩散限制作用;
3,载体形成的孔隙大小影响高分子底物的通透性;
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4 ,可能有副反应。
四、固定化细胞的分类
1,按固定的细胞类型不同分为三类:
(1)微生物;
(2 )动物;
(3 )植物。
2 ,按细胞的生理状态不同分为两大类:
(1)死细胞:包括完整细胞、细胞碎片、细胞器。适用于一种酶催化的反应。
(2 )活细胞:包括增殖细胞、静止细胞、饥饿细胞。适用于多酶反应,特别是需要辅
酶的反应。
第二节 细胞固定化的方法
细胞固定化方法有:Adsorption (吸附);covalent bonding (共价结合);Cross linking
(交联);Entrapment (包埋)、Encapsulation (微胶囊)。下面对这几种做具体介绍。
一、吸附法
1,原理
利用载体和细胞表面所带电荷的静电引力(van der Walls forces ),使细胞吸附于载体上。
吸附法可分为物理吸附和离子吸附两种。该法操作简单,固定化过程对细胞活性影响小。
2 ,载体的材料
采用吸附法固定细胞,所用的载体主要有:硅藻土、木屑、多孔玻璃、活性炭、
多孔陶瓷、离子交换树脂和等。塑料
3,影响吸附固定化的因素
(1)Z- 电位
(2 )细胞的性质和细胞壁的组成
(3 )载体的性质
(4 )pH
二、共价结合法
利用细胞表面的反应基团(如氨基、羧基、羟基、巯基、咪唑基)与活化的无机或有机
载体反应,形成共价键将细胞固定。用该法制备的固定化细胞一般为死细胞。
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三、交联法
利用双功能或多功能试剂与细胞表面的反应基团(如氨基、羧基、羟基、巯基、咪唑基)
反应,从而使细胞固定。常用的交联剂包括:戊二醛、甲苯二异氰酸酯、双重氮联苯胺。
由于交联试剂的毒性,这一方法具有一定的局限性。
四、包埋法
包埋法是细胞固定化最常用的方法。包埋法可以分为:
1,微胶囊法:利用半透性聚合物薄膜将细胞包裹起来,形成微型胶囊;
2 ,凝胶包埋法:是在无菌条件下,将生物细胞和胶溶液混合在一起,然后再经过相应
的造粒处理,形成直径为1-4mm 的胶粒。
常用的包埋剂为:聚丙烯酰胺、琼脂、海藻酸、卡拉胶、二醋酸纤维、三醋酸纤维、明
胶等。
五、固定化方法的比较
吸附法:条件温和、方法简便、载体可再生。但操作稳定性差。
共价法:操作稳定性高。但由于试剂的毒性,易引起细胞的破坏。
交联法:可得到高细胞浓度
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