固定化细胞技术综述样本

固定化细胞技术综述及其应用张弘扬高娟丽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适当不溶性载体上一种技术，它既可以提高生产效率和生产能力、延长生产周期，又易于细胞分离和回收。

在生物、医药、环保、食品工业等方面得到了广泛应用。

本文重要简介了固定化细胞技术办法，载体选取与应用，综述了固定化细胞技术在工业、环境中应用，并对其发展前景进行展望。

核心词细胞固定化固定化办法细胞固定载体生物反映器酒精发酵环境治理固定化技术涉及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年代后才从固定化酶技术发展而来，它是指通过物理或化学办法将分散、游离微生物细胞固定在某一限定空间区域内，以提高微生物细胞浓度，使其保持较高生物活性并重复运用办法。

相对于固定化酶技术，该办法不需把酶从细胞中提取出来，且无需纯化，酶活力损失小。

当前，固定化细胞技术应用范畴涵盖生物学、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、能源生产等各种领域，已经成为生物技术中十分活跃跨学科研究领域。

本文重要对该技术及其应用进行了简朴简介，并对其发展前景进行展望。

一、生物细胞固定化技术1、细胞固定化原理及办法固定化技术是使生物催化剂更广泛、更有效应用一种重要手段，任何一种限制生物催化剂自由流动技术都可以用于制备固定化生物催化剂。

由于细胞种类各种各样，大小和特性各不相似，故此细胞固定化办法有诸各种。

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；王建龙把当前惯用固定化办法分为吸附法、包埋法、胶联法和截留法；杨文英等简介了吸附法、包埋法、共价结合法、胶联法、多孔物质包络法、超过滤法、各种固定化办法联用等7种惯用办法；成庆利等按有无外加载体将细胞固定化办法分为有载体固定化法和无载体固定化法2种；张磊等按照固定化载体与方式不同将其分为吸附法、包埋法、共价结合法和胶联法。

[1]老式细胞固定化办法有四大类：包埋法、吸附法、交联法、共价结合（偶联）法。

包埋法：运用物理办法将细胞包埋在多空载体内部而制成固定化细胞办法称为包埋法。

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细胞固定办法。

包埋法反映条件温和，酶蛋白构造很少受变化，并且固定化时保护剂存在不影响酶包埋产率。

此办法对大多数酶、粗酶制剂甚至完整微生物细胞都是合用。

但是包埋法仅合用于小分子底物和产物酶，并且由于底物和产物扩散受阻，酶反映速率也许受到影响。

吸附法：运用各种吸附剂，将细胞吸附在其表面而使细胞固定办法称为吸附法。

用于细胞固定化吸附剂重要有硅藻土、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。

吸附法长处是操作简便、价廉、条件温和，对细胞活性影响小，但缺陷是细胞结合不牢且数目有限，条件变化时易脱落。

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。

化学交联法它普通是运用醛类、胺类等具备双功能或多功能基团交联剂与生物体之间形成共价键互相联结形成不溶性大分子而加以固定，所使用交联剂重要有戊二醛、聚乙烯酞胺、表氯醇等等。

物理交联法在是指在微生物培养过程中，恰当变化细胞悬浮液培养条件(如离子强度、温度、pH值等)，使微生物细胞之间发生直接作用而颗粒化或絮凝来实现固定化，即运用微生物自身自絮凝能力形成颗粒一种固定化技术。

该法操作简便，但在较激烈条件下进行，普通固定化细胞活性不高，因而该办法推广应用受到了一定限制。

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反映基团形成化学共价键连接，从而固定微生物。

该办法固定化微生物稳定性好，不易脱落，但限制了微生物活性，同步反映激烈，操作与控制复杂苛刻，并且成本较高。

尽管固定化办法各种各样，但没有一种抱负、普遍合用办法。

化学固定化法（涉及化学交联法和共价结合法）涉及细胞化学修饰，但化学试剂毒性对细胞会有损害，因而，不合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结合力强，因此操作稳定性高。

交联法和聚电解质复合包埋法突出长处是可以获得很高细胞密度，但由于缺少良好机械强度而不能得到广泛应用。

2、固定化细胞载体载体材料性质很大限度上决定了微生物附着固定和生长代谢状态，微生物量多少也与载体材料构造关于。

因而固定化细胞载体是细胞固定化技术能否成功核心因素。

2.1载体普通规定普通状况下，一种抱负优良载体应具备如下特性：固定化操作以便，成型快；载体表面应具备化学活性集团,可以直接或通过活化后与生物分子偶联；载体应具备一定容量,可以偶联足够生物分子；载体作用仅是使生物分子固定化,对生物分子无毒害作用，反映温和；载体应具备良好生物相容性,对反映物和生成物扩散阻力小；耐微生物分解，使用时间长和重复使用次数多；载体原材料广泛并且成本低廉。

事实上，很少有一种载体材料能满足上述所有条件。

普通总是依照工作性质去选取较为适当载体材料。

2.2载体材料影响因素普通状况下，固定化速率受载体材料表面粗糙度和电荷影响，载体材料表面粗糙度越大，微生物附着越稳定；同步载体材料表面空隙能较好地保护微生物，免受水力负荷损害。

研究表白微生物表面普通带负电荷，使用表面带正电荷材料作为固定化载体能中和微生物表面负电荷，可加速固定化速度，在液相中更易于微生物向载体表面传播。

2.3载体材料分类当前，固定化技术所使用载体材料重要有：天然载体材料、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）天然载体材料天然载体材料涉及天然无机载体材料和天然有机载体材料两大类。

其中，运用沙粒、沸石、硅藻土等制作为天然无机载体材料，此类载体在水中不易流化，表面积较小，吸附微生物量少，因而普通作为辅助材料。

天然有机载体材料重要运用琼脂、海藻酸盐等天然多糖类材料，这些材料均具备良好生物相容性、反映温和性、无毒性，多在研究和应用中被选用，其中又以海藻酸钠应用最为广泛[3]。

但天然有机载体缺陷是其制作固定化小球其强度稳定性较低，传质能力差，且易被微生物分解，故使用寿命较短，因而需及时更新制备，以补充降解所耗。

（2）合成高分子有机载体材料在实验和研究中常采用是聚乙烯醇（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，反映温和，可提高微生物存活率，相比于天然载体材料，此类载体材料更不易被微生物降解，使用寿命更长，因而人们选用合成高分子载体较多。

聚乙烯醇是一种人工合成有机多聚体凝胶，作为包埋载体有机械强度高，化学性能稳定、对微生物无毒、抗微生物分解能力强、价格低廉和使用寿命长等长处[4]。

（3）人工制造无机载体材料此类载体材料运用是人为制造微孔构造将微生物进行固定，由此提高了载体中微生物浓度，从而达到更好解决效果。

常用人造无机载体有活性炭、多孔陶瓷、微孔玻璃、泡沫金属等。

这些材料对于微生物毒性较低，机械稳定性较高，因而提高了微生物对于废水耐受性，同步由于她们不会被微生物所降解，因而使用寿命普通比较长。

（4）复合载体材料由于有机载体材料和无机载体材料各有有缺陷，而两类材料在许多性能方面互补，因而，运用构成和构造可调控有机聚合物对老式无机载体材料进行改性修饰，制备兼具两者优良特性负荷载体用于微生物固定化研究，受到了众多学者青睐。

3、固定化细胞生物反映器固定化细胞生物反映器分类办法诸多，但重要按催化物分布形式，结合反映器机械构造进行分类。

依照生物催化物在反映器内分布形式可将生物反映器分为生物团块反映器和生物膜反映器[5]。

生物团块是指细胞被包埋或固定为絮凝物或颗粒，以及自身形成菌丝球，采用反映器涉及机械搅拌式反映器、鼓泡塔反映器气升式反映器和环流反映器。

生物膜是指微生物在支持物上形成一层黏膜状物，采用反映器有固定床（填充床）反映器、流化床反映器、生物转盘、渗滤器、膜反映器等。

如下是几种常用固定化细胞生物反映器。

填充床反映器：在此反映器中，细胞固定于支持物表面或内部，支持物颗粒堆叠成床，培养基在床层间流动。

填充床中单位体积细胞较多，由于混合效果不好，使得床内氧传递、气体排出、温度、pH控制较为困难。

此外支持物颗粒破碎还会使填充床阻塞。

流化床反映器：典型流化床是运用流体（液体或气体）能量使支持物颗粒处在悬浮状态。

该反映器混合效果较好，但流体剪切力和固体化颗粒碰撞常使支持物颗粒破损，此外，流体剪切力学复杂使其扩大生产困难。

膜反映器：膜固定化是采用品有一定孔径和选取透性膜固定细胞。

营养物质可以通过膜渗入到细胞中，细胞产生次级代谢产物通过膜释放到培养液中。

膜反映器重要有中空纤维反映器和螺旋卷绕反映器。

与凝胶固定化相比，膜反映器操作压下降较低，流体动力学易于控制，易于放大，并且提供更均匀环境条件，同步还可以进行产物及时分离以解除产物反馈抑制，但构建膜反器成本较高。

二、固定化细胞技术应用实例固定化细胞技术应用当前还处在研发阶段，高性能载体选取与研制、固定化细胞生物反映器性能提高，固定化细胞生长环境检测均有待发展。

因而，大规模生产应用受到限制。

但是，世界各国把固定化细胞研究成果应用于生产已产生了很大经济价值。

当前在食品、医药、环境解决等方面已经获得了初步成果。

（1）固定化酵母细胞在酒精发酵中应用老式葡萄酒生产多采用游离酵母细胞发酵，存在着发酵周期长、生产效率低下、不利于持续生产、酵母细胞不能重复使用、生产成本较高等许多缺陷，运用固定化细胞技术可以克服以上缺陷，实现葡萄酒迅速低温持续发酵。

低温发酵有助于提高酒度、改进葡萄酒香气和抑制细菌生长,但同步也会减慢发酵速度,延长发酵周期。

采用固定化酵母细胞进行持续发酵可以大幅度提高低温条件下酒精生产能力，加快发酵进程。

与游离细胞相比，固定化酵母细胞活化能大大减少，其在低温条件下对葡萄浆发酵速度也明显加快。

固定化酵母细胞持续发酵生产系统可持续操作而不污染，并且酒精生产能力也未见下降。

同步，对所得酒样进行分析表白，固定化细胞持续发酵制得葡萄酒总酸及挥发酸含量均低于游离细胞发酵制得葡萄酒[6]。

（2）固定化细胞技术在环境治理上应用当前随着经济发展，环境污染问题越来越明显，污水更是一种严峻问题。

过去化学、物理污水解决都不抱负，物理解决办法不彻底，化学解决办法会导致二次污染，而微生物在废水解决领域中具备独特优越性，慢慢突显出了它优势。

由于微生物在自然状态下浓度不是很高，解决效果不是较好，而分离、筛选出优势菌种加以固定，增强了细胞对有毒或高渗物质承受能力和降解能力，因而细胞固定技术得到了广泛应用，可用于解决氨氮废水、难降解有机废水、含重金属废水、有色废水等。

它具备效率高、稳定性强、耐负荷、产污泥量少等优势。

通过不断研究和改进，固定化细胞技术在废水治理领域中已成为一项高效而实用废水解决技术。