1.3.3.5.1. Định nghĩa tế bào cố định
Tế bào cố định là tế bào cĩ sự chuyển động trong khơng gian bị giới hạn, sự giới hạn của tế bào cĩ được bằng đưa nĩ vào 1 phase cách ly với phase dung dịch tự do. Phase chứa tế bào thường khơng tan trong nước, là polymer cao phân tửưa nước.
1.3.3.5.2. Các phương pháp cố định tế bào vi sinh vật trên bề mặt chất mang
Phương pháp này dự trên sự liên kết giữa chất xúc tác sinh học và chất mang khơng tan trong nước.
a.Phương pháp liên kết cộng hĩa trị
Đây là phương pháp sử dụng để cố định enzyme và khơng được sử dụng rộng rãi đối với tế bào vi sinh vật, vì tác nhân cần thiết đe tạo liên kết cộng hĩa trị cĩ thể gây độc đến tế bào và gây khĩ khăn cho việc cốđịnh.
Chất mang thường được sử dụng trong phương pháp này là polypeptide, polysaccharide, dẫn xuất cellulose như DEAE-cellulose, DEAE-saphadex…., agarrose, các polyme tổng hợp.
Kỹ thuật cố định tế bào vi sinh vật theo phương pháp này dựa trên liên kết cộng hố trị giữa bề mặt chất mang đã được họat hĩa và tế bào vi sinh vật.
Quá trình liên kết cộng hĩa trị giữa tế bào vi sinh vật và bề mặt chất mang cĩ thể xảy ra theo một hay hai giai đọan.
Một giai đọan nếu chất mang cĩ chứa các nhĩm cĩ khả năng tham gia trực tiếp với nhĩm chức của protein màng tế bào vi sinh vật.
2 giai đọan diễn ra như sau Giai đọan 1 :
Họat hĩa chất mang bằng cách gắn lên bề mặt chất mang các nhĩm chức cĩ khả năng phản ứng hơn, dễ liên kết với tế bào vi sinh vật.
Giai đọan 2
Tạo liên kết giữa các nhĩm chức lên chất mang với tế bào vi sinh vật. Vì vậy, tế bào vi sinh vật sẽđược cố định lên chất mang.
.Ưu nhược điểm của phương pháp
Ưu diểm
-Khả năng trao đổi chất cao.
-Độ bền liên kết giữa tế bào vi sinh vật và chất mang tốt.
- Tế bào cố định vi sinh vật theo phương pháp này cĩ tính chống chịu tốt với các yếu tố gây biến tính.
Nhược điểm
- Ảnh hưởng đến sự sống và hoạt tính của tế bào.
- Tế bào được cố định phải cĩ phản ứng đặc thù để liên kết với chất mang và chất mang phải được họat hĩa dẫn đến tốn chi phí và phức tạp.
b. Phương pháp hấp phụ
Cơ sở của phương pháp là dựa trên mối liên kết hĩa học giữa màng tế
bào và bề mặt chất mang. Ở phương pháp này ngịai liên kết cộng hĩa trị ra, tế
thể hiện ở các cơ chế sau: tạo liên kết hĩa học giữa màng tế bào và bề mặt chất mang, sự tương tác ion , và lực mao quản.
Chất mang
Chất khơng cĩ cấu trúc xốp như thủy tinh. Chất mang cĩ cấu trúc xốp như than họat tính. Chất mang cĩ điện tích như nhựa trao đổi ion.
Phương pháp tiến hành Phương pháp cổđiển
Ngâm chất mang vào dung dịch huyền phù vi sinh vật, vi sinh vật sẽ tự động kết lắng và liên kết với chất mang bằng cách hấp phụ trên chất mang đĩ.
Phương pháp cổ điển cĩ cải tiến
Sử dụng thêm cánh khuấy nhằm mục đích phân bố đều tế bào vi sinh vật và chất mang trong dung dịch.
Phương pháp bơm canh trường vi sinh vật qua cột chứa chất mang
Phương pháp này cần cĩ hồi lưu dịng canh trường để nâng cao hiệu suất gắn tế bào vi sinh vật vào chất mang.
Ưu nhược điểm của phương pháp Ưu điểm
- Quá trình thực hiện đơn giản, dễ thực hiện,khơng địi hỏi phải họat hĩa chất mang và các tác nhân phản ứng.
- Thực hiện trong điều kiện bình thường, tế bào vi sinh vật vẫn duy trì
được khả năng sống và phát triển của nĩ. - Chi phí giá thành thấp.
- Ít gây ảnh hưởng đến tế bào sau khi cố định.
- Tế bào vi sinh vật dễ bị tách khỏi chất mang khi cĩ tác động cơ học hay
điều kiện mơi trường thay đổi.
- Lượng vi sinh vật cốđịnh lên bề mặt chất mang khơng cao.
- Quá trình thực hiện thụ động và khĩ điều khiển vì vậy hiệu suất cố định thường khơng cao.
- Giới han trong việc lựa chọn chất mang.
- Vật mang cĩ thể xảy ra hấp phụ khơng đặc hiệu 1 số protein khác hay các chất phi protein.
c.Phương pháp cố định tế bào trong cấu trúc gel
Phương pháp cố định tế bào vi sinh vật trong cấu trúc gel là phương pháp nhốt tế bào vi sinh vật trong khuơn gel của nhiều loại polymer khác nhau.
Việc cố định tế bào vi sinh vật trong khuơn gel tức là ngăn khơng cho tế
bào khuếch tán vào mơi trường xung quanh, nhưng đồng thời vẫn cho cơ chất cĩ phân tử lượng nho thích hợp và các sản phẩm trao đổi chất của tế bào ra khỏi mạng lưới gel đĩ.
Các loại gel cơ bản
a. Ion gel: Khuơn gel được tạo nên bằng cách liên kết ion giữa chất mang
đa điện tích và dung dịch đa điện tích trái dấu.
b. Covalent gel : là 1 loại gel mà cấu trúc mạng lưới của nĩ được hình thành từ những phân tử polymer gắn kết với nhau bằng liên kết cộng hĩa trị.
c. Non-covalent gel: là loại gel mà mạng lưới được hình thành bằng những liên kế khác khơng phải là liên kết cộng hĩa trị giữa các phân tử
polymer, thường là liên kết hydro.
d. Cryogel: là cấu trúc gel polimer mới, là loại gel được tạo nên bơi phương pháp làm lạnh đơng các tiền polime cĩ phân tử lượng thấp hoặc cao.
a.Phương pháp cố định tế bào vi sinh vật trong cấu trúc ion gel
Hỗn hợp huyền phù tế bào vi sinh vật và chất mang đa điện tích được nhỏ vào dung dịch đa điện tích trái dấu để thực hiện phản ứng tạo mạng lưới gel. Qua đĩ, tế bào vi sinh vật sẽ được cố định trong hệ thống mạng lưới vừa
được hình thành.
b.Phương pháp cố định tế bào trong cấu trúc covalent gel
Cách 1: ta trộn huyền phù tế bào vi sinh vật với dung dịch các monomer. Sau đĩ, tạo điều kiện để các monomer liên kết và tạo phân tử polimer. Các phân tử polimer liên kết với nhau bằng liên kết cộng hĩa trị để tạo nên cấu trúc gel chứa tế bào vi sinh vật.
Cách 2 :ta trộn huyền phù tế bào vi sinh vật với dung dịch chất mang polimer. Hỗn hợp sẽ được tiến hành với những phản ứng thích hợp để tạo liên kết giữa các sợi polimer với nhau.Những liên kết mới được hình thành sẽ tạo 1 mạng lưới dày đặc chứa tế bào vi sinh vật.Sau đĩ khối gel này được đưa đến thiết bị tạo hạt và thu được các hạt gel polimer chứa tế bào vi sinh vật cố định.
c.Phương pháp cố định tế bào vi sinh vật trong cấu trúc non-covalent gel
Phương pháp này giống phương pháp cố định tế bào vi sinh vật trong cấu trúc covalent gel nhưng mạng lưới trong cấu trúc gel này được hình thành từ
những liên kết khác liên kết khác liên kết cộng hĩa trị, thường là liên kết hydro. Chất mang thường được sử dụng là carregeenan.
d. Phương pháp cố định tế bào vi sinh vật trong cấutrúc cryogel
Cryogel được tạo thành bằng cách sử dụng phương pháp lạnh đơng. Ở điều kịen nhiệt độ thấp, mẫu nguyên liệu sẽ biến đổi cứng lại và hình thành cấu trúc mới. Polyvinylalcohol là loại polimer được sử dụng trong tạo gel cryogel cĩ khả năng cố định tế bào tốt, cĩ cấu trúc lỗ xốp đặc trưng, bền chắc, lượng tế bào bị rửa trơi khơng nhiều sau chu kỳ lên men và giữ được hoạt tính trong thời gian dài do khơng tiếp xúc với dung mơi hữu cơ.
e.Các phương pháp khác
Phương pháp làm thay đổi nhiệt độ: huyền phù dung dịch chất mang và tế bào gel khi hạ nhiệt độ. Chất mang sử dụng: agar, gelatin. Phương pháp này khơng thích hợp với những tế bào nhạy với nhiệt.
Phương pháp đĩng rắn polimer: tế bào hịa với polimer lỏng rồi được nhỏ vào bình chất đĩng rắn tạo ra hạt xúc tác như cellulose triaxetat. Phương pháp này khơng thích hợp với tế bào sống.