固定化细胞凝胶内扩散行为研究进展_王建龙

(生物工程进展》l,,3,vol.14,No.固定化细胞凝胶内扩散行为研究进展王建龙阎定(哈尔滨1.谙卜大学应用化学系.哈尔滨县50006)摘要固定化细胞凝胶内扩散行为对于生化反应器的分析和设计是必不可少的信息,也是固定化细胞获得实际应用之前必须研究的问题。该方面的研究工作日趋活跃。本文就固定化细胞凝胶颖粒内氧气的扩散、溶质的扩散、改进固定化细胞扩散性能的方法以及提高固定化细胞体系氧浓度的方法子方面的研究作一综述介绍。并提出了以后的研究方向。固定化生物催化剂的研究近年来得到了迅内的扩散行为。结果表明,随着凝胶内细胞浓度速发展。固定化细胞以其一系列独特的优点正的增加,氧气的有效扩散系数降低。他们根据实广泛应用于食品与发酵工业、有机合成工业、化验数据,建立了一个数学模型:学分析、医疗诊断、环境净化和能源开发等各个领域〔!J。然而,用于固定化微生物细胞的凝胶基质却是底物和氧气扩散的屏障,特别在好氧发酵中,固定化细胞凝胶内氧转移的限制是一个重要的问题〔2」。扩散阻碍会引起表观反应速率的下降。有时,甚至会由于质量传递限制而改变包埋固定在凝胶颗粒内细胞的代谢行为。因此,研究固定化凝胶内物质的扩散行为显得尤为重要。本文就近年来此方面研究进展作一综述介绍。一、氧气在固定化细胞凝胶内的扩散1983年,Hiemstra等人〔,“首先提出海藻酸钙凝胶对氧气扩散有阻碍作用。研究发现,氧气在海藻酸钙和海藻酸钡凝胶中的有效扩散系数D,分别是氧气在水中有效扩散系数D。的25%和7%,同年,J.竹amper〔‘」等人研究发现,氧气在海藻酸钙凝胶中的扩散效率随凝胶中细胞浓度的增大、凝胶颗粒的增大和载体浓度的增大而降低。1988年,H.N.Cha,19等人〔5,测定了氧气在海藻酸钙凝胶内的扩散深度。发现,氧气在固定微生物细胞凝胶内的扩散深度为50~Z000m,而在固定动植物组织细胞凝胶内的扩散深度达飞00~500卜。m。1989年,Yansun等人〔幻研究了氧气在海藻酸钙和PvA一sbQ凝胶46=0.86(j一1.47又10一“C。)zD一万刀自一D,力Ž式中:认为氧气在凝胶内的有效扩散系数;D。为氧气在水中的扩散系数;K为分配系数;C。为细胞密度。同年,H.Korosawa等人〔,,提出了一种简单的稳态法,用于测定氧气在海藻酸钙和海藻酸钡凝胶中的有效扩散系数。其侧量精度达士7%。并且发现,氧气在凝胶内的扩散系数不受细胞密度‘D~309/j·凝胶)、细胞种类和细胞活性的影响。氧气在海藻钙凝胶内的扩散好于在海藻酸钡凝胶内的扩散。氧气在海藻酸钙凝胶内的有效扩散系数D。几乎等于其在含凝胶颗粒的液体中的分子扩散系数。他们还计算了氧气在单个海藻酸钙凝胶颗粒内的浓度分布,提出了稳态时,氧气在凝胶内的扩散质量平衡模型:2dC;、犷.C,十一一下~)一;;一井了‘己7‘11,.七月了Ž一尹理‘.理,匡一!Z、户D式中:D。为氧气在凝胶内的有效扩散系数;c、为氧气在凝胶内的局部浓度;C^s为氧气在凝胶颗粒表面的浓度;R为凝胶颗粒的半径;r为径向距离;V,为最大呼吸速率;K。为米氏常数。对于用其它高分子聚合物作固定化载体的情况,人们也进行了大量的研究。1983年,DOI：10.13523/j.cb.19930212satocs)等人测定了氧气在琼脂凝胶中的扩散系数D.。发现其仅为在水中扩散系数Do的70%。198‘3年,R·Renneberg等人‘,,测定T氧气在16种人工合成的高聚物聚合而成的不同凝胶中的扩散系数。研究表明,凝胶中含水量越高,氧气的扩散系数就越大。R.1.Scott等人。“,研究了氧气在卡拉胶凝胶中的扩散。结果表明,固定化细胞制备时的温度、金属离子(如C.卜、K+)的存在都影响着氧气在卡拉胶中的扩散行为。二、溶质在固定化细胞凝胶内的扩散M·L·White〔,‘一”,等人首先详细地研究T合成聚丙烯酞胺凝胶的扩散行为。结果表明,蛋白质、酶及微生物细胞能很好地固定在凝胶内,因为凝胶的孔径很小而不会发生泄漏。但是,即使是低分子量的底物扩散(如KQ和脉)也受着凝胶孔径的影响,导致其扩散速率很小。H.Tana-ka等人〔,‘,研究了几种不同分子尺寸的底物如葡萄糖、L一色氨酸、乳清蛋白(分子量小于Zx1少)在海藻酸钙凝胶颗粒内的扩散特性。结果表明,这些底物扩散进/出海藻酸钙凝胶的扩散系数与其在水中的扩散系数相一致。并且其扩散不受凝胶中海藻酸钙浓度和用于凝胶化的氧化钙浓度的影响。对于分子量较大的物质如白蛋白(分子量6.9义]O‘)、Y一球蛋白(分子量1.54又一l护)和纤维蛋白原(分子量3.村义105),他们的扩散行为差别较大。实验中,没有观察到这些物质从溶液中扩散进入海藻酸钙凝胶内,只有白蛋白部分地吸附在凝胶颗粒的表面。M.Fu-rui等人〔,5,研究设计了用于测定扩散系数D.