Иммобилизованные биокатализаторы

 

Работа биологического реактора в основном определяется свойствами применяющихся биокатализаторов. Ранее мы обсуждали различные методы и способы использования ферментов, при помощи которых последние могли бы успешно выполнять свои каталитические функции. Кроме того, нами уже изучены методы генетической модификации клеток, позволяющие повысить выход синтезируемых ими ценных соединений. Прежде чем перейти к изучению реакторов других типов, познакомимся с еще одним типом биокатализаторов.

Этот раздел мы посвятим в основном изучению катализаторов на основе иммобилизованных клеток. В таких катализаторах клетки связаны или включены в структуры, позволяющие удерживать их в определенной зоне реактора. Клетки, как и ферменты, могут быть иммобилизованы путем их включения в небольшие частицы или посредством закрепления на поверхности этих частиц, или с помощью того или иного макроскопического барьера, препятствующего переносу клеток из одной зоны реактора в другую.

Прежде чем перейти к изучению методов иммобилизации клеток и некоторых экспериментов, выполненных к настоящему времени с участием такого рода катализаторов, мы должны ответить на вопрос, почему вообще возникает необходимость в иммобилизации клеток. Одно из преимуществ иммобилизованных клеток связано с возможностью достижения гораздо большей их плотности в культуре по сравнению с суспендированными клеточными системами. В биореакторах периодического действия иммобилизованные клетки обладают и некоторыми другими преимуществами. Так, некоторые клетки млекопитающих растут только в том случае, если они связаны с поверхностью, и, следовательно, для них иммобилизация является обязательным условием, а не одним из возможных вариантов. Кроме того, иммобилизованные клетки могут использоваться для создания специфических электродов, предназначенных для определения концентраций питательных веществ, метаболитов, лекарственных препаратов и токсичных веществ в биореакторах, а также в других процессах и в клинической практике. Иммобилизация клеток может оказаться полезной как средство для регуляции морфологии клеток и реологии бульонов. Действительно, рост микроорганизмов ограничен пустотами и поверхностями частиц носителя, что позволяет достаточно точно регулировать реологические свойства бульона и соответствующие параметры массопереноса, которые уже не изменяются в ходе процесса в такой степени, в какой это типично для периодического роста отдельных культур. Иммобилизация клеток создает возможность для осуществления непрерывного процесса без вымывания организмов и изменения их генетической природы, а в некоторых случаях позволяет непрерывно отделять продукт й удалять ингибирующие вещества. Как и в случае других иммобилизованных катализаторов, стоимость иммобилизованных «леток может быть довольно высока, и не обязательно будет компенсироваться указанными преимуществами.

В случае биореакторов непрерывного действия применение иммобилизованных клеток дает возможность расщирить временной диапазон, в течение которого клетки проявляют свои каталитические свойства при осуществлении необходимой химической реакции или последовательности реакций. В отличие от иммобилизованных ферментных катализаторов иммобилизованные клетки выполняют целый спектр каталитических функций самой разнообразной сложности. Как схематично показано на рис. 9.26, катализаторы на основе иммобилизованных клеток могут быть нескольких типов в зависимости от того, какая часть метаболического аппарата клетки сохранила свою активность в данном процессе. При работе с суспензиями клеток для предотвращения их частичного вымывания необходимо, чтобы рост клеток осуществлялся и в реакторе. Рассмотренное в первых разделах этой главы повышение скорости разведения, отвечающей точке вымывания, за счет рециркуляции, по сути дела, представляет собой частичную иммобилизацию клеток в масштабе всего реактора.