Типы биокатализаторов на основе иммобилизованных клеток и их свойства

В этом разделе мы рассмотрим методы, применявшиеся для иммобилизации клеток и изучения свойств полученных катализаторов, играющих важнейшую роль в процессах с их участием. Иммобилизация клеток чаще всего осуществляется путем их включения в полимерный носитель. В табл. 6 перечислены различные методы, применявшиеся для создания сшитых поперечными связями полимерных носителей.

Таблица 6. Полимерные носители, применяющиеся для иммобилизации клеток

Гораздо чаще других применяется метод включения клеток в слой или в гранулу альгината (природного полисахарида) путем сшивки последнего ионными поперечными связями. Мягкие условия процедуры сшивки (в отличие от методов химической полимеризации) обеспечивают значительно более высокий уровень жизнеспособности иммобилизованных клеток. На рис. 27 представлена схема одной из методик получения сферических гранул альгината кальция, содержащих иммобилизованные клетки.

РИС. 27. Схема методики включения клеток в гранулы альгината.

При выборе методики и конкретных условий включения в полимерный носитель необходимо учитывать и конечные свойства получаемого иммобилизованного катализатора. В табл. 7 перечислены некоторые основные свойства носителей, представляющие наибольший интерес с точки зрения процесса, в котором будет использоваться катализатор. На проницаемость носителя по отношению к субстратам, ингибиторам, продуктам реакции и другим компонентам среды могут влиять как химические, так и механические характеристики носителя. Так, например, механические свойства носителя могут налагать определенные ограничения на допустимую геометрию частиц катализатора.

Таблица 7. Важнейшие свойства полимерных носителей, применяющихся для иммобилизации клеток

Сжимаемость и другие механические свойства катализатора, не столь существенные в лабораторных экспериментах, могут оказаться чрезвычайно важными в крупномасштабных процессах. Гранулированные полисахаридные носители, широко использующиеся в лабораторных исследованиях благодаря своей высокой биосовместимости, мало подходят для крупномасштабного производства из-за большой сжимаемости и по этой причине их можно применять только в невысоких реакторах колонного типа. Точно так же неустойчивые к ударам иммобилизованные катализаторы непригодны в тех случаях, когда гранулы катализатора должны выдерживать соударения без истирания и разрушения (например, в реакторах с перемешиванием).

Перечисленные в табл. 7 химические свойства носителей могут влиять на каталитическую активность иммобилизованных клеток непосредственно, т. е. путем воздействия на системы регуляции клеточного метаболизма, или опосредованно, через локальное окружение клеток. Если, например, полимерный носитель содержит токсичные вещества, то можно ожидать снижения активности клеток. Заряд, ионный состав и гидрофобные свойства носителя могут влиять на коэффициенты распределения компонентов реакционной смеси и тем самым вызывать изменение их концентрации в зонах непосредственного контакта с клетками по сравнению с концентрациями в жидкой фазе, не контактирующей с частицами катализатора.

Другой метод иммобилизации клеток состоит в их включении в полупроницаемые или пористые материалы. В качестве носителей для растущих микроорганизмов использовали очень мелкие сита из нержавеющей стали. Кроме того, как посевной материал для периодических процессов применяли споры плесневых грибов, включенные в автоклавированные гранулы пористого фильтрующего материала. Клетки также включали в макропористые зоны асимметричных полых волокон. Помимо указанных методов включения клеток в носители полная или частичная иммобилизация клеток, как мы уже не раз упоминали, может быть достигнута в масштабе всего реактора путем их рециркуляции.

В альтернативном подходе относительно низкомолекулярные продукты выделяют из суспензии клеток методом диализа или ультрафильтрации с помощью помещенного в суспензию мембранного устройства; таким же путем можно вводить субстрат в суспензию клеток.

Таблица 8. Примеры иммобилизации клеток путем связывания с поверхностью носителей

Клетки многих типов иммобилизовали путем адсорбции или ковалентного связывания с поверхностями твердых носителей. Примеры иммобилизованных клеток (от бактерий до клеток тканей животных) и соответствующих природных или синтетических носителей приведены в табл. 8.