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“固定化生物催化劑(immobilizedbiocatalysts)”這一術語于1983年首次出現在美國著名的雜志EnzymeMicrobial.Technol.上,而固定化生物催化劑的準確定義如下:“固定化生物催化劑是使用物理或化學方法限制或定位在某一特定空間范圍內,保留了其固有的催化活性,能被重復和連續使用的酶、微生物細胞、動植物細胞、細胞器等生物催化劑。
固定化(immobilization)技術是使生物催化劑更廣泛、更有效的一種重要手段。任何一種限制生物催化劑自由流動的技術都可以用于制備固定化生物催化劑。目前,該技術已由原來的單一固定化酶、固定化微生物細胞發展到固定化動植物細胞、固定化細胞器、固定化原生質體、固定化微生物分子孢子以及酶與微生物細胞、好氧微生物與厭氧微生物的聯合固定化(co-immobilization)等,20世紀70年代后迅速成為生物、環境等領域的一個研究熱點。在初期,它主要用于發酵生產。隨著日益嚴重的水污染問題,迫切要求開發高效的廢水處理新技術,人們開始利用細胞固定化技術取代傳統的活性污泥法,用于各種污染物的轉化和降解。并將從活性污泥中分離、篩選出來的優勢菌種加以固定,組成一個快速、高效、連續的廢水處理系統,這樣就可以免除污泥處理的二次污染。它與傳統的懸浮生物處理法相比,具有處理效率高、穩定性強、反應易于控制、菌種高純高效、生物濃度高、產污泥量少、固液分離效果好、喪失活性可恢復等優點。因此,該技術有著極大的應用潛力和發展前景。本文系統闡述了細胞固定化技術及其在廢水處理中的研究和應用現狀,提出了該領域的主要研究方向,旨在加速該技術在廢水特別是高濃度氨氮廢水處理中的推廣和應用。
1細胞固定化技術的研究現狀
1.1細胞固定化技術分類
固定化細胞的制備方法多種多樣,目前國內外仍未有統一的分類標準。但總體可分為載體結合法、交聯法和系統截留法、載體分隔法4大類。
載體
交聯法又稱無載體固定法,是利用兩個功能團以上的試劑,與細胞表面的反應基團如氨基、羥基等進行交聯,形成共價鍵來固定細胞。包括化學交聯法、物理交聯法。
系統截留法利用各種半透膜(如滲析膜、超濾膜、反滲透膜、中空纖維膜等)將生物催化劑以可溶形式限定在一定的空間范圍內,或將過濾、離心、沉淀后的生物催化劑返回到生物反應中循環使用。其中,中空纖維膜(hollowfibermem2branc)生化反應最有實用價值。
載體分隔法是指依靠載體對生物催化劑的物理阻擋來實現生物催化劑的固定化。它又分為包埋法和微膠囊法。微膠囊固定化法是指通過乳化作用(emulsification)將生物催化劑包埋在各種多聚物制成的半透性微膠囊內的方法。包埋法則是使細胞擴散進入多孔性載體內部,利用高聚物在形成凝膠時將細胞包埋在其內部,從而達到固定細胞的目的。
微生物在載體表面附著固定過程可以看作載體表面與微生物表面間的相互作用,從液相理論分析,細菌在載體表面附著、固定過程如圖1所示。
1.2細胞固定化技術方法比較
盡管固定化方法多種多樣,但沒有一種理想的、普遍適用的方法。各種方法的優缺點見表1。
1.3細胞固定化載體
細胞固定化載體是細胞固定化包埋技術的關鍵,它大致分成兩大類,一類是天然高分子凝膠載體,如海藻酸鈣、瓊脂、角叉菜膠等;另一類是有機合成高分子凝膠載體,如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚砜、硅膠、光硬化樹脂等。
