Cell immobilization 1

1 MỞ ĐẦU CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT Thuật ngữ
Cố định → immobilize/ fix, immobilization/ fixation Mở đầu
Tế bào cố định → immobilized cells/ fixed cells Phương pháp cố định tế bào vi sinh vật Chọn phương pháp cố định
Chất mang → carrier/support Ứng dụng vi sinh vật cố định
Tế bào tự → free cells Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 1 MỞ ĐẦU MỞ ĐẦU Cố định tế bào Ưu điểm tế bào cố định
Định nghóa
Thu nhận sản phẩm
Năng suất bình lên men
Hiện tượng tự nhiên
Hoạt tính trao đổi chất
Thời gian sử dụng
Hiện tượng thuận nghịch
Chi phí sản xuất  Sự sinh trưởng VSV
Khả ứng dụng lên men tónh lên men liên tục  Sự biến đổi chất mang Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM MỞ ĐẦU MỞ ĐẦU Xử lý tế bào trước cố định Phân biệt Ví dụ: Clostridium thermocellum → cellulase
Quá trình tổng hợp sản phẩm sinh sản VSV diễn đồng thời
Phương án 1: Canh trường → Ly tâm → Rửa → Ly tâm → Cố định → Tế bào phân chia → Tế bào ngừng sinh trưởng sinh tổng hợp enzyme
Phương án 2: Canh trường → Ly tâm → Cố định
Quá trình tổng hợp sản phẩm sinh sản VSV không diễn đồng thời → Tế bào ngừng sinh trưởng sử dụng cellobiose sinh tổng hợp enzyme; sau 20-30g, tế bào tiếp tục sinh trưởng → Tế bào không phân chia có hoạt tính trao đổi chất Kết luaän chung Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM MỞ ĐẦU PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT Ví dụ: Pseudomonas fluorescens → chuyển hóa rượu allylic thành acid acrylic
Môi trường rượu allylic (nguồn C nhất): VSV không phát triển (acid acrylic – inhibitor)
Môi trường ethanol: tổng hợp sinh khối → Môi trường rượu allylic: tổng hợp sản phẩm Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Cố định tế bào chất mang 2.3 Cố định tế bào chất mang Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT 2.1 Giới thiệu chung 2.1 Giới thiệu chung Phân loại phương pháp cố định tế bào Yêu cầu chung phương pháp cố định tế bào Cố định tế bào chất mang
Hoạt tính tế bào sau trình cố định
Hiện tượng rò rỉ
Quy trình cố định
Hoạt tính tế bào trình sử dụng
Truyền khối
Chi phí Tế bào; Chất mang; Liên kết tế bào chất mang; Môi trường Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 10 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT 2.1 Giới thiệu chung 2.1 Giới thiệu chung Phân loại phương pháp cố định tế bào Phân loại phương pháp cố định tế bào Tạo liên kết tế bào Cố định tế bào chất mang
Gel polymer
Màng polymer
Sợi polymer Tế bào; Môi trường; Liên kết tế bào Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 11 Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 12 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT 2.1 Giới thiệu chung Phân loại phương pháp cố định tế bào Cố định tế bào kỹ thuật membrane
Membrane dạng
Membrane dạng sợi
Microcapsule Tế bào; Chất mang; Mặt cắt khối chất mang; Môi trường Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 13 Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 14 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT 2.2 Cố định tế bào chất mang Phân loại
Hấp phụ tế bào chất mang
Tạo liên kết cộng hóa trị Tế bào; Chất mang membrane; Mặt cắt chất mang; 3’ Mao quản membrane; Môi trường; 4’ Phần môi trường tiếp xúc trực tiếp với tế bào Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 15
Kết tụ tế bào Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 16 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT 2.2 Cố định tế bào chấùt mang 2.2 Cố định tế bào chấùt mang Hấp phụ tế bào chất mang Hấp phụ tế bào chất mang
Chất mang
Kiểu tương tác  Bản chất: rắn gel  Liên kết hóa học (chemo-adsorption)  Bề mặt  Tương tác ion
Tế bào  Tương tác tónh điện  Nhóm chức hóa học  Lực Vall der Valce  Tích điện  Hiệu ứng solvat, lực mao quản  Tính ưa nước/ kỵ nước  Keo tụ (flocculation) Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 17 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 18 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT 2.2 Cố định tế bào chấùt mang 2.2 Cố định tế bào chấùt mang Hấp phụ tế bào chất mang Hấp phụ tế bào chất mang
Kiểu tương tác
Năng lượng tương tác (kJ/mol)  Tương tác kỵ nước  Liên kết cộng hóa trị: 300-400  Hấp phụ sinh học đặc hiệu  Tương tác ion: 160-460  Liên kết hydro: 8-12  Tương tác tónh điện nước:  Tương tác kỵ nước: 4-8.5 Kết luận Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 19 Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 20 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT 2.2 Cố định tế bào chấùt mang Hấp phụ tế bào chất mang
Chemo-adsorption  Bản chất: Liên kết cộng hóa trị (không sử dụng hóa chất)  Ví dụ: Oxide hydroxide cuûa Zr (IV), Ti (III), Ti (IV), Sn (II), Sn (IV), Fe (III)… Chelate complex hydroxyde Zi với nhóm carboxyl, hydroxyl amino → Cho dd chloride vào mẫu có pH kiềm trung tính [Zr (IV)], pH acid [Ti (III)]: tạo cấu trúc chất mang  Độ bền liên kết (so với pp hóa học) Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 21 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT 2.2 Cố định tế bào chấùt mang 2.2 Cố định tế bào chấùt mang Hấp phụ tế bào chất mang Hấp phụ tế bào chất mang
Chemo-adsorption:
Tương tác ion: tương tác trực tiếp  Quy trình: trộn huyền phù tế bào dd đệm với gel hydroxide (mới) → Ly tâm 22  Màng tế bào:  Bản chất  Đối tượng: E coli, Acetobacter sp., Aeromonas hydrophila, S cerevisiae…  Số ion  Giá trị điện tích ion  Khả sống trao đổi chất tế bào sau cố định → Kết luận chung (-)  Chaát mang (+) Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 23 Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 24 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT 2.2 Cố định tế bào chấùt mang 2.2 Cố định tế bào chấùt mang Hấp phụ tế bào chất mang Hấp phụ tế bào chất mang
Tương tác ion: Tế bào + Chất mang ↔ Tế bào – Chất mang
Tương tác ion:  Tính Qmax K Cc/Q = (1/KQmax) + (Cc/Qmax) Cc: Nồng độ cân tế bào mẫu cố định Q: lượng tế bào cố định đơn vị chất mang (mg chất khô/ g chất mang) Qmax: lượng tế bào cực đại cố định đơn vị chất mang  Đánh giá, so sánh khả cố định loại chất mang tế bào K1, K2: số tốc độ hấp phụ giải hấp phụ K=k1/k2: số cân Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 25 Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 26 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT 2.2 Cố định tế bào chấùt mang Hấp phụ tế bào chất mang
Tương tác ion: ảnh hưởng pH Ví dụ: E coli  pH < 3: nhóm amino tích điện, nhóm carboxyl phosphate không phân ly → (+)  pH > 3: nhóm carboxyl phosphate phân ly → (-)  pH = Hấp phụ E coli chất mang: nồng độ tế bào canh trường 0.17mg/mL Tế bào tự nhiên; Tế bào xử lý không nhóm carboxyl (polypropylen oxide); Tế bào xử lý không nhóm amino (formaldehyde) Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 27 Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 28 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT 2.2 Cố định tế bào chấùt mang 2.2 Cố định tế bào chấùt mang Hấp phụ tế bào chất mang Hấp phụ tế bào chất mang
Tương tác ion: ảnh hưởng polyelectrolyte
Tương tác ion: ảnh hưởng polyelectrolyte  Cơ sở khoa học  Ví dụ 2: K fragilis  Phức tế bào – chitosan  Phức chitosan - chất mang (thủy tinh, polycarbonate, polysterole)  Ví dụ 1: S cerevisiae polyethylenamine  Phức tế bào – polyethylenamine → ổn định khoảng pH lực ion rộng, tích điện (+)  Quá trình xử lý  Chất mang (-): vd thủy tinh  Quá trình xử lý: Trộn sinh khối dd 0.2% polyethylenamine (pH 7.0) 2h Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM Hiệu 29 Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 30 Tương tác ion: ảnh hưởng mật độ tế bào Hấp phụ tế bào: E coli/ nhựa trao đổi anion; A aceti/ dẫn xuất cellulose, A aceti/ TEAE; A aceti/ Epichloridetriethanolamine; A aceti/ DEAE Bão hòa Hấp phụ nhiều lớp Giải hấp phụ A aceti từ chất mang anionid 30oC Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 31 Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 32 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT 2.2 Cố định tế bào chấùt mang 2.2 Cố định tế bào chấùt mang Hấp phụ tế bào chất mang Hấp phụ tế bào chất mang
Tương tác ion: tương tác gián tiếp
Lực tónh điện Vall der Valce  Chất mang tế bào có loại điện tích  Lực tónh điện:  Thành phần trung gian: Ca2+, Fe2+, Fe3+, Al3+… VR = (ε/4)*[r1r2/(r1+r2)]*[(ζ1+ζ2)2*ln(1+ekh) + (ζ1+ζ2)2*ln(1-ekh)] Trong đó: ζ1, ζ2: Thế zeta bề mặt chất mang tế bào r1, r2: đường kính cấu tử chất mang tế bào ε: số điện môi môi trường k: số (độ dày lớp ion xung quanh cấu tử chất mang tế bào) h: soá Plank Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 33 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 34 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT 2.2 Cố định tế bào chấùt mang 2.2 Cố định tế bào chấùt mang Hấp phụ tế bào chất mang Hấp phụ tế bào chất mang
Lực tónh điện Valls der Valce
Lực tónh điện Valls der Valce ζ = 4πην/ε Tương tác tónh điện Trong đó: ζ: Thế zeta tính theo mức độ điện di tế bào η: Độ nhớt môi trường ν: Mức độ điện di ε: số điện môi môi trường Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM Tương tác lực Val der Valce 35 Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 36 PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT 2.2 Cố định tế bào chấùt mang 2.2 Cố định tế bào chấùt mang Hấp phụ tế bào chất mang Hấp phụ tế bào chất mang
Lực tónh điện Valls der Valce
Lực tónh điện Valls der Valce  Lực Vall der Valce: VT(l) = VA(l) + VR(l) VA = [A(l, t)]/(12πl2) Trong đó: A(l,t): hàm số biểu diễn lượng tương tác l: khoảng cách tế bào bế mặt chất mang Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 37 Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH TẾ BÀO VI SINH VẬT Tế bào dịch chuyển đến bề mặt chất mang Chuyển động Braun 2.2 Cố định tế bào chấùt mang Hấp phụ tế bào chất mang Lực hấp dẫn Hạn chế ảnh hưởng chuyển động Braun
Lực tónh điện Valls der Valce Có  Vùng (5-10Ao): hút tónh điện → hấp phụ không thuận nghịch khả bám dính bền vững Không Năng lượng để bám dính  Vùng (10-100Ao): lực đẩy → rào cản (Tế bào vi khuẩn: 4*10-19J) Có Không Tác động lực đẩy  Vùng (100-150Ao): hút tónh điện → hấp phụ thuận nghịch Không Có Mạnh Hút tónh điện (vùng 1) Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 38 39 Yếu Hút tónh điện (vùng 3) Tương tác phân tử Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 40 ... 81 D mao quản 1. 1 0.8 -1. 8 2.2 Cố định tế bào chấùt mang 3 .1 1.5-4.0 3.5 1. 5-4.6 Hấp phụ tế bào chất mang 4.5 3.0-6.0 13 8-20 40 18 -10 0 19 5 17 0-220 Ceramic
nh hưởng tính chất chaát mang 1. 8 1. 2... dyne /cell) H (%) 15 4.0 26 B subtilis 1. 9 B cereus 1. 8 23 B mesentericus 2.0 13 Bact prodigiosum 71 29 .1 97 Bact prodigiosum 10 3 1. 4 30 Staphilococcus aureus 1. 3 50 Pseudomonas pyocyanea 0 .1 20... Polyvinichloride 97 0 .13 Bis-phenylpolycarbonate 98 0 .15 15 Silicone 10 0 Polysterole 10 0 0.07 12 Polyethylene 11 3 0.08 Polypropylene 10 2 0.05 Polytetraflourethylene 11 5 Lê Văn Việt Mẫn - ĐHBK TP.HCM 74 PHƯƠNG