第十四章 固定化細(xì)胞發(fā)酵

第十四章

固定化細(xì)胞發(fā)酵第一節(jié)概述一、定義固定化細(xì)胞就是被限制自由移動(dòng)的細(xì)胞，既細(xì)胞受到物理化學(xué)等因素約束或限制在一定的空間界限內(nèi)，但細(xì)胞仍保留催化活性并具備能被反復(fù)或連續(xù)使用的活力。二、固定化細(xì)胞的優(yōu)點(diǎn)1.與游離細(xì)胞相比（1）固定化細(xì)胞可以將微生物發(fā)酵改為連續(xù)酶反應(yīng)；（2）可以獲得更高的細(xì)胞濃度；（3）細(xì)胞可以重復(fù)使用；（4）在高稀釋率時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生洗脫現(xiàn)象；（5）單位容積的產(chǎn)率高；（6）提高遺傳穩(wěn)定性；（7）細(xì)胞不會(huì)受到剪切效應(yīng)的影響；（8）發(fā)酵液中菌體含量少，有利與產(chǎn)品的分離純化。2.與固定化酶相比（1）免去了破碎細(xì)胞提取酶的手續(xù)

（2）酶在細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)定性較高，完整細(xì)胞固定化后酶活性損失少

（3）固定化細(xì)胞制備的成本比固定化酶低（4）無(wú)需輔酶再生三、固定化細(xì)胞的缺點(diǎn)1.僅能利用胞內(nèi)酶；2.細(xì)胞膜、細(xì)胞壁和載體都存在著擴(kuò)散限制作用；3.載體形成的孔隙大小影響高分子底物的通透性；4.可能有副反應(yīng)。四、固定化細(xì)胞的分類1.按固定的細(xì)胞類型（1）微生物（2）動(dòng)物（3）植物2.按細(xì)胞的生理狀態(tài)（1）死細(xì)胞：包括完整細(xì)胞、細(xì)胞碎片、細(xì)胞器。適用于一種酶催化的反應(yīng)。（2）活細(xì)胞：包括增殖細(xì)胞、靜止細(xì)胞、饑餓細(xì)胞。適用于多酶反應(yīng)，特別是需要輔酶的反應(yīng)。第二節(jié)細(xì)胞固定化的方法細(xì)胞固定化方法有：

Adsorption（吸附）Covalentbonding（共價(jià)結(jié)合）Crosslinking（交聯(lián)）Entrapment（包埋）Encapsulation（微膠囊）一、吸附法1.原理利用載體和細(xì)胞表面所帶電荷的靜電引力（vanderWallsforces），使細(xì)胞吸附于載體上。吸附法可分為物理吸附和離子吸附兩種。該法操作簡(jiǎn)單，固定化過(guò)程對(duì)細(xì)胞活性影響小。2.載體的材料硅藻土、木屑、多孔玻璃、活性炭、多孔陶瓷、離子交換樹(shù)脂、塑料等3.影響吸附固定化的因素（1）Z-電位（2）細(xì)胞的性質(zhì)和細(xì)胞壁的組成（3）載體的性質(zhì)（4）pH二、共價(jià)結(jié)合法利用細(xì)胞表面的反應(yīng)基團(tuán)（如氨基、羧基、羥基、巰基、咪唑基）與活化的無(wú)機(jī)或有機(jī)載體反應(yīng)，形成共價(jià)鍵將細(xì)胞固定。用該法制備的固定化細(xì)胞一般為死細(xì)胞。三、交聯(lián)法利用雙功能或多功能試劑與細(xì)胞表面的反應(yīng)基團(tuán)（如氨基、羧基、羥基、巰基、咪唑基）反應(yīng)，從而使細(xì)胞固定。常用的交聯(lián)劑包括：戊二醛、甲苯二異氰酸酯、雙重氮聯(lián)苯胺。四、包埋法包埋法是細(xì)胞固定化最常用的方法包埋法可以分為：1.微膠囊法：利用半透性聚合物薄膜將細(xì)胞包裹起來(lái)，形成微型膠囊；2.凝膠包埋法：是在無(wú)菌條件下，將生物細(xì)胞和膠溶液混合在一起，然后再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的造粒處理，形成直徑為1-4mm的膠粒。常用的包埋劑為：

聚丙烯酰胺、瓊脂、海藻酸、卡拉膠、二醋酸纖維、三醋酸纖維、明膠等五、固定化方法的比較

吸附法：條件溫和、方法簡(jiǎn)便、載體可再生。但操作穩(wěn)定性差。共價(jià)結(jié)合法：操作穩(wěn)定性高，但由于試劑的毒性，易引起細(xì)胞的破壞。交聯(lián)法：可得到高細(xì)胞濃度，但機(jī)械強(qiáng)度低，無(wú)法再生，不適于實(shí)際應(yīng)用。包埋法：細(xì)胞和載體間沒(méi)有束縛，固定化后，細(xì)胞仍保持較高活力。但這類方法只適用于小分子底物。第三節(jié)固定化細(xì)胞的形狀及性質(zhì)一、形狀目前大多數(shù)制備成顆粒狀珠體二、性質(zhì)1.pH2.溫度3.穩(wěn)定性第四節(jié)固定化細(xì)胞反應(yīng)器一、固定化細(xì)胞反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)在固定化細(xì)胞反應(yīng)器中采用高稀釋率有以下優(yōu)點(diǎn)：1.生產(chǎn)強(qiáng)度、轉(zhuǎn)化率高2.具有更好的穩(wěn)定性3.節(jié)省投資和能耗二、固定化細(xì)胞反應(yīng)器的類型固定化細(xì)胞反應(yīng)器包括：細(xì)胞再循環(huán)系統(tǒng)（Cellrecyclesystems）固定床反應(yīng)器（Fixedbedreactors）流化床反應(yīng)器（Fluidizedbedreactors）絮凝細(xì)胞系統(tǒng)（Flocculatedcellsystems）1.細(xì)胞再循環(huán)系統(tǒng)

2.固定床反應(yīng)器

3.流化床反應(yīng)器

4.絮凝細(xì)胞系統(tǒng)

第五節(jié)固定化細(xì)胞的應(yīng)用一、抗生素的