细胞固定化

固定化细胞

Immobilized cells：principles and applications

M.d.Tampion

出版：Cambridge University Press

索书号： Q2/T159/2011/Y

藏书地点：武汉大学图书馆保存本

固定化细胞，就是将具有一定生理功能的生物细胞，例如微生物细胞、植物细胞或动物细胞等，用一定的方法将其固定，作为固体生物催化剂而加以利用的一门技术。

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、繁殖和新陈代谢等）的细胞。它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。

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。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空陶瓷、多空塑料等载体的表面，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。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。

固定化细胞包括很多种类，有无载体的固定，预制载体的固定，载体制备过程中的固定和生物触媒内固定化细胞的生长。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。预制载体的固定适用于固定化细胞的操作。载体制备过程中的固定为整体细胞固定的一种通用方法。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因其日趋重要而引起人们的注意。在制备过程中，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。

固定化细胞的应用范围极广，目前已遍及工业、医学、制药、化学分析、环境保护、能源开发等多种领域。在工业方面，如利用产葡萄糖异构酶的固定化细胞生产果葡糖浆；将糖化酶与含α淀粉酶的细菌、霉菌或酵母细胞一起共固定，可以直接将淀粉转化成葡萄糖；利用涨澡酸钙或卡拉胶包埋酵母菌，通过批式或连续发酵方式生产啤酒；利用固定化酵母细胞生产酒精或葡萄酒；此外，还可利用固定化细胞大量生产氨基酸、有机酸、抗生素、生化药物和甾体激素等发酵产品。在医学方面，如将固定化的胰岛细胞制成微囊，能治疗糖尿病；用固定化细胞制成的生物传感器可用于医疗诊断。在化学分析方面，可制成各种固定化细胞传感器，除上述医疗诊断外，还可测定醋酸、乙醇、谷氨酸、氨和BOD等。此外，固定化细胞在环境保护、产能和生化研究等领域都有着重要的应用。

固定化细胞的制备和使用是生物技术领域里最让人感兴趣的话题之一，固定化细胞的应用范围仍在进一步扩大。该书从浩瀚的参考文献中精心地挑选出一些例子，对固定化细胞进行了清晰明了的综述，包括固定化细胞制备特征和反应器使用类型的详尽探讨，因此该书覆盖了工程学和细胞生物学之间的公共领域。

该书由经验丰富的教师编写而成，风格简单、直接，通俗易懂；由于尽量避免了难懂专业术语的使用，该书的可读性大大增强。

前言

定义和范围

用于固定的细胞材料

固定方法

固定化细胞的特征和优势

1 固定化细胞的细胞生物学

原核生物

酵母

真菌

高等植物

哺乳动物

细胞生存能力和细胞死亡

2 在固定化细胞反应器里使用的细胞的生产和特性

细胞的选择

传统发酵过程

生物催化活性

固定化细胞的生长

研究固定化细胞的技术

固定化细胞制备的生理特征

3 用膜进行的诱捕、封装和保留

诱捕

不相混合的液相系统

微封装

用渗透膜进行固定化

4 细胞的共价结合、交联和絮凝

戊二醛耦合

碳化二亚胺耦合

金属氢氧化物耦合

絮凝

5 吸附

无机支持

有机支持

例子交换支持

6 特殊方法

透化作用

原生质体

细胞器

共固定化作用

动物细胞

7 反应器的设计和操作

反应器的类型

8 特殊系统

固定化细胞电极

解毒单位

细胞亲和固定化

参考文献

索引

( 武汉大学生命科学学院研究生张清华）